基于連續統去除法的玉米品種高光譜差異性研究

楊淑婷，張學儉，李 季，海云瑞

(1 寧夏農林科學院農業經濟與信息技術研究所，銀川 750002； 2 北京師范大學地理科學學部，北京 100875)

近年來，農業遙感技術快速發展，在農田信息監測、作物種植面積獲取、農業災害監測、作物品種辨別、長勢和產量估測等方面發揮了重要作用[1～4]。玉米是我國三大主要糧食作物之一，目前，許多學者利用高光譜技術對玉米的生理、生態及化學性狀進行了大量的研究。如：陳國慶等分析了在不同氮肥處理下的普通玉米與超高產夏玉米的冠層高光譜特性[5]；劉冰峰、金梁等對玉米葉片全氮含量與原始光譜反射率、光譜反射率一階微分以及部分高光譜特征參數進行回歸擬合，構建了玉米氮素高光譜遙感估算模型[6，7]；Ceccato等利用綠邊、紅邊葉綠素指數和光譜反射率比值實現了玉米產量預測[8]；吳長山等通過對玉米和水稻反射光譜數據進行倒數光譜分析和“紅邊”位置分析，提出可以利用群體植被的反射光譜估算葉綠素密度[9]。

連續統去除法由Clark等提出，定義為逐點直線連接隨波長變化的吸收或反射凸出的峰點，并使折線在峰值點上的外角大于 180°，又稱為包絡線去除[10]。該方法是一種分析礦物高光譜數據處理的常用方法，可有效突出反射率光譜的吸收和反射特征，并將光譜反射率歸一化到0～1之間，有利于區分與其他的光譜曲線特征，從而提取出敏感波段[11]。近年來，部分學者將應用在礦物高光譜分析的連續統去除法延伸到作物光譜特征研究中。楊可明等利用連續統去除法去除冠層吸收特征的光譜特征來區分作物的成分[12]。安如等利用連續統去除法對草地植被光譜反射曲線進行處理，提取典型草地植被光譜特征，準確識別藏蒿草和小蒿草優勢種，取得了較好的效果[13]。研究結果表明，連續統去除法可以有效去除光譜噪聲，凸顯地物光譜特異性，因此，選用連續統去除法進行玉米光譜特征分析具有一定的理論依據。

目前，不同玉米品種在不同生育期的光譜研究少見報道。筆者在玉米關鍵生育期的吐絲期(7月12日)和灌漿期(7月30日)測定玉米冠層光譜反射率數據，利用連續統去除法對綠峰、紅谷、近紅外波段范圍進行光譜分析，提取玉米冠層反射光譜特征參數(包括吸收峰總面積、最大吸收深度、對稱度、左面積、右面積、面積歸一化最大吸收深度)，利用提取的特征參數構建光譜差異性指數，對不同品種玉米的光譜差異性進行定量分析，旨在為農作物營養診斷、產量估算等研究提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于寧夏回族自治區吳忠市同心縣丁塘鎮何草溝村揚黃灌區玉米綠色增產增效試驗示范區(105°50′18″E，37°3′16″N)。該地海拔高度1344 m，屬典型的溫帶大陸性氣候，四季分明，降水少且集中，日照充足，晝夜溫差大，年均降水量270～320 mm，玉米生育期內平均溫度在19℃以上，日照時數可達1600 h左右[14，15]。試驗地土壤為沙壤土，肥力均勻，灌排方便，pH 8.36，有機質6.0 g/kg，有效磷4.3 mg/kg，速效鉀340 mg/kg，全氮0.44 g/kg。試驗材料采用相同的田間管理措施。

1.2 試驗材料

玉米品種為KWS9384、迪卡517(DK517)和富友968(FY968)。

1.3 試驗設計

2018年5月14日播種，采用春玉米單種方式，隨機區組排列，每品種種植20～24行，行長7.0 m，株距0.22 m，行距0.5 m，密度8株/m2。試驗田適時中耕、除草、防治病蟲害，并根據降水與玉米生長情況，分別于5～8月灌水，在9月下旬適期收獲。

1.4 數據獲取與處理

利用美國ASD便攜式地物波譜儀FieldSpec 4，分別于7月12日(吐絲期)、7月30日(灌漿初期)采集玉米的冠層反射光譜，波段測量范圍為350～2500 nm，350～1000 nm波段范圍內的分辨率為3 nm，1000～2500 nm波段范圍內的分辨率為10 nm，采樣間隔約為1 nm。光譜采集時間為10∶30～14∶30。每個小區選取有代表性的觀測點5個，重復測定2次，取其平均值作為該小區光譜反射值。測量過程中，光譜儀探頭垂直向下觀測，每測完一個小區，均進行參考版校正。

采用Savitzky-Golay(S-G)濾波法進行濾波去噪處理，采用python編程語言實現。

1.5 光譜數據連續統處理

對經過S-G濾波處理后的光譜反射率數據利用ENVI5.5軟件進行連續統去除光譜信息提取。計算公式：

Scr=R/Rc

(1)

式中：Scr—連續統去除光譜反射率，值域為[0，1]，其大小表征了光譜細微特性的強弱；R—原始光譜反射率；Rc—連續統包絡線反射率。

玉米冠層反射率光譜經連續統去除后提取如下特征參數：1)吸收峰總面積A：起始和終止波長內的波段深度的積分；2)最大吸收深度Dh：吸收峰的最大吸收值；3)對稱度S：吸收峰左面積和右面積的比值；4)左面積A1：總面積中最大吸收深度以左的面積；5)右面積A2：總面積中最大吸收深度以右的面積；6)面積歸一化最大吸收深度：最大吸收深度與吸收峰總面積的比值。

1.6 光譜特征差異性指數

玉米光譜反射率差異性指數，即測量相同時間內不同品種玉米的發射率。計算公式：

(2)

式 中：DLiy為不同玉米品種在波長為i時的光譜數據差異性指數；Rix和Riy分別為不同玉米品種在波長為i時的光譜反射率值。x，y分別代表不同玉米品種，在本文中分別指KWS9384、迪卡517、富友968。

2 結果與分析

2.1 玉米關鍵生育期光譜分析

2.1.1 S-G濾波光譜與連續統去除光譜特征分析

在吐絲期，3個品種的光譜在690～1000 nm處差異較為明顯。在綠色波峰(535 nm)附近，FY968光譜反射率略低于DK517及KWS9384。在灌漿初期，光譜反射率逐漸減小，在760～980 nm處，FY968與KWS9384、DK517差異明顯(圖1)。在770 nm附近，冠層光譜反射率達到第一個峰值，在藍光470 nm 和紅光650 nm形成的2個吸收谷形成“雙谷”結構，在綠光(540 nm)處形成綠峰(圖2)。

2.1.2 S-G濾波光譜與連續統去除光譜差異性指數分析

利用式(2)計算不同玉米品種冠層光譜反射率差異性指數(表1、表2)。結果顯示：1)濾波光譜反射率差異性指數值最高出現在7月12日波長658 nm處，最大值0.8461。根據3個品種濾波光譜差異值可以看出，DK517與KWS9384和FY968在7月12日差異顯著；KWS9384與DK517和FY968在7月30日差異顯著。2)連續統去除光譜反射率差異性指數值最高出現在7月30日波長658 nm處，最大值0.4772，在近紅外區764 nm處差異不明顯。由表1和表2可以看出：濾波光譜和連續統去除光譜反射率差異性最大的波長位置均處于658 nm處。因此，本文重點探討530～780 nm葉綠素吸收谷的吸收特性，分析不同品種連續統去除光譜差異性。

圖1 不同品種玉米S-G光譜曲線

圖2 不同品種玉米連續統去除光譜曲線

表1 不同玉米品種濾波反射率差異性指數

表2 不同玉米品種連續統去除反射率差異性指數

2.2 連續統去除法光譜特征參數分析

在530～780 nm波段范圍內，對連續統去除光譜反射率提取特征參數(表3)，結果顯示：吸收峰總面積、左面積和右面積，同一玉米品種在不同生育期差異明顯，其中，KWS9384和DK517特征指數隨生育期遞增而增大，在同一生育期內不同品種光譜差異較為明顯，表現為KWS9384>DK517>FY968；對于最大吸收深度值，各品種在同一生育期差異也較為明顯，在7月12日，DK517最大吸收深度值最大，具體表現為DK517>FY968>KWS9384，在7月30日，FY968最大吸收深度值最大，具體表現為FY968>DK517>KWS9384；對于對稱度值，不同玉米品種在同一生育期也有較大差異，同一品種在不同生育期隨時間遞增而增大；對于面積歸一化最大吸收深度值，特征最大值僅為0.088，同一玉米品種在不同生育期和不同玉米品種在相同生育期差異性較小。

表3 不同玉米品種連續統去除光譜特征參數

2.3 連續統去除光譜特征參數差異性指數分析

利用式(2)計算光譜特征差異性指數，結果顯示(表4)：1)在吐絲期(7月12日)，KWS9384和FY968總面積差異性指數、左面積差異性指數、面積歸一化最大吸收深度差異性指數值最大，分別為0.2529、0.3238、0.3706；2)在灌漿期(7月30日)，KWS9384和FY968總面積差異性指數值、左面積差異性指數、右面積差異性指數值、面積歸一化最大吸收深度差異性指數均較大，分別為0.3965、0.3331、0.4080、0.7649。在不同生育期的吸收深度差異性指數值均比較小，最大值僅為0.06。除吸收深度差異性指數及右面積差異性指數外，其他4個差異性指數均可以反應不同品種玉米冠層光譜差異性。

表4 不同玉米品種連續統去除特征參數差異性指數

3 結論與討論

本文選取KWS9384、迪卡517和富友968等3個玉米品種在玉米關鍵生育期吐絲期(7月12日)和灌漿期(7月30)，測定冠層光譜，利用Savizky-Golay平滑濾波法對不同玉米品種350～1300 nm冠層反射率光譜進行平滑處理，對經過S-G濾波處理后的不同品種玉米反射率光譜數據進行連續統去除光譜信息提取。在此基礎上，建立玉米濾波光譜反射率差異性指數和連續統去除光譜特征差異性指數，分析玉米品種 KWS9384、迪卡519和富友968的光譜差異性，得出如下結論：

(1)建立的玉米高光譜反射率差異性指數和連續統去除差異性指數，可以實現不同玉米品種冠層光譜反射率定量化描述。

(2)玉米反射率差異性指數能夠反應不同玉米品種光譜差異性，濾波光譜和連續統去除光譜反射率差異性最大的波長位置均處于紅波段658 nm處，最大值分別為0.8461和0.4772，在近紅外區764 nm處差異不明顯。

(3)吐絲期面積差異性指數、左面積差異性指數、面積歸一化最大吸收深度差異性指數值較大；灌漿期總面積差異性指數值、左面積差異性指數、右面積差異性指數值、面積歸一化最大吸收深度差異性指數均較大；吐絲期和灌漿期吸收深度差異性指數值均比較小。因此，除吸收深度差異性指數及右面積差異性指數外，其他4個差異性指數均可以反應不同品種玉米冠層光譜差異性。

目前，農業高光譜遙感技術在農作物生理生化參數反演、農情監測等方面研究取得了豐碩成果，但是已有研究多是基于各種參量間的統計回歸進行分析，對作物光譜機理研究較少。本文開展玉米吐絲期和灌漿期不同品種冠層光譜特征研究具有一定局限性，未來還需研究玉米全生長周期內各階段冠層光譜反射率差異性，以揭示玉米生長全過程冠層光譜變化特征及機理，為玉米精準識別、營養診斷等提供技術支撐，推動高光譜遙感在農業生產中的應用[16，17]。