劉怡晨, 馬 驛, 仝春艷, 段 博, 蔣 琦

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基于偏角光譜檢索算法的油菜和水稻LAI反演研究*

劉怡晨, 馬 驛**, 仝春艷, 段 博, 蔣 琦

(武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院 武漢 430079)

葉面積指數(shù)(LAI)是評(píng)價(jià)植被長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量預(yù)測(cè)的重要指標(biāo), 對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)快速估測(cè)有助于植被的生長(zhǎng)狀態(tài)診斷和管理。本研究以不同施氮水平、不同栽種方式下的油菜和不同品種水稻為試驗(yàn)對(duì)象, 基于冠層高光譜曲線形態(tài), 引入偏角光譜檢索算法(DABSR)提取光譜偏角, 同時(shí)采用植被指數(shù)法和主成分分析法進(jìn)行對(duì)比分析, 探索適用于水稻、油菜LAI估算的統(tǒng)一模型構(gòu)建方法。研究結(jié)果表明, 估算油菜LAI時(shí), DABSR反演精度較高, 預(yù)測(cè)2、RMSEP分別為0.74、0.47, 偏移量MNB為0.16; 主成分分析法反演精度次之, 預(yù)測(cè)2、RMSEP、MNB分別為0.73、0.48、-0.04; 而植被指數(shù)法受不同生育期油菜株型、覆蓋度影響反演精度普遍較低, 精度較高模型的預(yù)測(cè)2、RMSEP、MNB分別為0.61、0.57、0.17。在估算水稻LAI時(shí), DABSR反演精度最優(yōu), 預(yù)測(cè)2、RMSEP、MNB可達(dá)0.70、0.80、0.05。綜合考慮模型的驗(yàn)證精度、特征選擇的合理性以及模型計(jì)算效率, DABSR偏角光譜檢索法估算油菜和水稻LAI具有較高精度, 且受施肥水平、栽種方式、生長(zhǎng)期等因素影響較小, 為構(gòu)建精確的植被LAI統(tǒng)一估算模型提供了新思路。

油菜; 水稻; 葉面積指數(shù); 高光譜; 偏角光譜檢索

葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)是指單位地表面積上植物葉單面面積的總和[1], 是表征作物群體光合作用、蒸騰作用、凈初級(jí)生產(chǎn)力等的重要參數(shù)[2-4], 也是對(duì)作物進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)判斷及產(chǎn)量估測(cè)的重要農(nóng)學(xué)指標(biāo)之一[5-6]。傳統(tǒng)的作物L(fēng)AI測(cè)定法以地面直接測(cè)量為主, 如長(zhǎng)寬系數(shù)法、激光葉面積法、數(shù)碼圖像處理法等[7], 雖然能夠直接準(zhǔn)確地測(cè)定小范圍內(nèi)作物的LAI, 但對(duì)植株具有一定損傷性且耗費(fèi)時(shí)力。隨著遙感技術(shù)的日益發(fā)展, 高光譜遙感監(jiān)測(cè)LAI進(jìn)而評(píng)估農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)已經(jīng)成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)問題之一[8]。

近年來, 國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)開展了針對(duì)植被LAI反演模型的研究, 主要分為物理模型法、改進(jìn)型光譜特征參數(shù)法、植被指數(shù)法等。黃敬峰等[9]通過研究油菜(L.)葉面積指數(shù)與紅邊參數(shù)的相關(guān)性, 發(fā)現(xiàn)利用開花前的紅邊參數(shù)可以估算油菜的LAI; 王李娟等[10]構(gòu)建了一個(gè)新型高光譜多角度植被指數(shù)HDVI, 并成功地將其應(yīng)用于CHRIS/PR0BA衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)LAI的估算; Duan等[11]利用基于查找表的PROSAIL模型進(jìn)行3種作物[玉米(L.)、土豆(L.)、太陽花(L.)]的LAI反演, 并取得較優(yōu)精度; 楊峰等[12]利用高光譜植被指數(shù)估測(cè)水稻(L.)與小麥(L.)LAI與葉綠素密度的關(guān)系, 并分別確定了適合兩種植被的最佳植被指數(shù)。物理模型雖然具有較強(qiáng)的機(jī)理性和通用性, 但存在病態(tài)反演問題, 同時(shí)計(jì)算量大[13]; 而植被指數(shù)法需要首先對(duì)高光譜信息進(jìn)行特征波段選擇, 許多研究通常直接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或利用相關(guān)分析法提取特征波段, 這一方法過于依賴數(shù)學(xué)原理, 未將植被本身的光譜曲線特征考慮全面。相關(guān)研究[14-15]發(fā)現(xiàn), 在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的條件下, 通過增加角度信息可以提高LAI反演精度。李飛等[16]提出基于Douglas-Peucke算法的光譜曲線及影像檢索(DPSR)方法, 其效果優(yōu)于光譜角匹配(SAM)及光譜信息散度(SID); 戴曉愛等[17]比較了偏角光譜檢索(DABSR)、十六叉樹狀變換(SFT)等基于規(guī)則樹分組和曲線特征的檢索算子與常規(guī)SAM、SID對(duì)光譜數(shù)據(jù)降維的識(shí)別效率, 發(fā)現(xiàn)DABSR等新型檢索算子能夠有效識(shí)別光譜特征并減少計(jì)算量; Huang等[18]利用主成分分析(PCA)對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維并選取有效波長(zhǎng)對(duì)玉米籽胚進(jìn)行正確分割; Palacios-Orueta等[19-21]提出角度指數(shù)進(jìn)行土壤與植被的含水量估算并比植被指數(shù)取得更優(yōu)精度。諸多檢索算子及角度測(cè)度能夠有效提取出光譜曲線特征信息, 但這些方法多應(yīng)用于地物識(shí)別分類[17,22], 涉及植被LAI反演的研究甚少;同時(shí), 針對(duì)植被LAI的估算模型多只適用于一類植被或植被的某一生長(zhǎng)階段, 對(duì)于適用于不同類型植被LAI統(tǒng)一估測(cè)算法的研究鮮見報(bào)道[5,23-24]。

油菜和水稻是我國廣泛種植的作物, 基于這兩種作物的輪作模式在長(zhǎng)江中下游地區(qū)十分普遍, 因此快速準(zhǔn)確地估測(cè)其LAI有利于作物生長(zhǎng)狀況的診斷及管理。作物L(fēng)AI的估測(cè)通常會(huì)受植被類型、冠層特征、栽種方式、生育期等多種因素的影響, 因此研究?jī)煞N作物并對(duì)其LAI進(jìn)行統(tǒng)一估測(cè)算法探究具有重要意義。在生長(zhǎng)期間, 水稻的冠層主要由綠葉構(gòu)成, 而油菜在生殖期出現(xiàn)的花和莢果會(huì)影響其冠層反射率[25], 導(dǎo)致兩種植被的冠層反射特性不盡相同, 同時(shí)會(huì)影響LAI反演精度。本文以不同施氮水平、不同栽種方式下的油菜和不同品種的水稻為研究對(duì)象, 從高光譜曲線形態(tài)入手, 采用具有高識(shí)別精度和高檢索效率的偏角光譜檢索算法(DABSR)提取光譜特征波長(zhǎng), 利用特征波長(zhǎng)間的光譜偏角反演LAI, 通過綜合對(duì)比分析植被指數(shù)、PCA和DABSR 3種方法反演兩種作物L(fēng)AI的建模效果和檢驗(yàn)精度, 探索能同時(shí)適應(yīng)監(jiān)測(cè)估算油菜和水稻LAI的統(tǒng)一算法, 為實(shí)現(xiàn)油菜和水稻長(zhǎng)勢(shì)精確監(jiān)測(cè)和診斷提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況與測(cè)量方法

1.1 研究區(qū)概況

2014—2015年度在湖北省武穴市梅川鎮(zhèn)(30.11°N, 115.59°E)分別設(shè)置24個(gè)直播油菜小區(qū)和24個(gè)移栽油菜小區(qū), 各小區(qū)面積均為20 m2, 小區(qū)間溝距0.5 m, 小區(qū)播種量為4.5 kg×hm-2, 供試品種為雙低甘藍(lán)型油菜‘華油雜9號(hào)’。氮肥處理設(shè)置8個(gè)水平, 為0 kg×hm-2、45 kg×hm-2、90 kg×hm-2、135 kg×hm-2、180 kg×hm-2、225 kg×hm-2、270 kg×hm-2和360 kg×hm-2。同時(shí), 各處理磷、鉀、硼肥用量相等, 按P2O590 kg×hm-2、K2O 120 kg×hm-2、硼砂15 kg×hm-2施入。每個(gè)處理均3次重復(fù), 隨機(jī)區(qū)組排列。氮、磷、鉀和硼肥品種分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%)和十水硼砂(含B 10.7%), 全部氮、磷、鉀、硼肥均一次性基施。

2017年度在海南省陵水市文官村(18.53°N, 110.05°E)設(shè)置45個(gè)小區(qū)(含45個(gè)水稻品種)進(jìn)行水稻種植, 各小區(qū)面積為400 m2, 小區(qū)間距20 cm, 土壤為水稻土, 各小區(qū)氮、磷、鉀肥用量均相等, 按純氮165 kg×hm-2、P2O560 kg×hm-2、K2O 135 kg×hm-2一次性基施。

1.2 冠層光譜反射率觀測(cè)

在油菜苗期(6葉期、8葉期、10葉期)、花期、角果期和水稻孕穗期、抽穗期、乳熟期采用美國ASD FieldSpec Pro FRTM光譜儀(350~2 500 nm、視場(chǎng)角25°)獲取距離作物冠層頂部垂直高度約1.0 m處的漫反射光譜, 測(cè)量選擇在晴朗無云的天氣進(jìn)行, 測(cè)量時(shí)間為10:00—14:00。每個(gè)小區(qū)重復(fù)觀測(cè)5次, 取平均值作為該小區(qū)的冠層光譜反射率, 并及時(shí)根據(jù)天氣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正。油菜的5次測(cè)量時(shí)間分別為2014年11月9日和12月8日、2015年1月15日、3月12日和4月14日; 水稻的3次測(cè)量時(shí)間分別為2017年3月21日、3月31日和4月10日。為減弱儀器噪聲對(duì)實(shí)際光譜數(shù)據(jù)的影響, 對(duì)1 301~2 500 nm范圍內(nèi)信噪比較低的波段進(jìn)行剔除。

1.3 葉面積指數(shù)(LAI)測(cè)量

2014—2015年期間, 油菜LAI采用英國Delta公司生產(chǎn)的SunScan冠層分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量, 其工作原理是通過測(cè)量冠層頂部的入射輻射和到達(dá)冠層底部的透射福射來反推作物L(fēng)AI。選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與冠層光譜測(cè)量時(shí)選取的5個(gè)點(diǎn)位一致, 且測(cè)量時(shí)間同步, 取其平均值作為小區(qū)LAI。

2017年, 水稻LAI采用LI-3100C臺(tái)式葉面積儀進(jìn)行測(cè)量。各時(shí)期每個(gè)品種剪取3株代表性水稻樣本植株各層葉片, 裝入保鮮袋冷藏并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室, 葉面積儀的壓迫式滾筒能使卷曲的葉片變平, 將葉片充分展開放入滾筒中掃描得到葉面積, 面積測(cè)量分辨率為0.1 mm2。LI-3100C 臺(tái)式葉面積儀通過掃描獲取葉面積, 其測(cè)量準(zhǔn)確性較SunScan冠層分析系統(tǒng)更高。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本次試驗(yàn)共采集216組油菜樣本數(shù)據(jù)和135組水稻樣本數(shù)據(jù), 針對(duì)兩種植被, 均隨機(jī)選取2/3作為建模集, 剩余1/3作為驗(yàn)證集。分別采用植被指數(shù)法(VI)、主成分分析法與逐步回歸分析法結(jié)合的估算方法(PCA-STEPWISE)、DABSR偏角光譜檢索與逐步回歸分析結(jié)合的估算方法(DABSR-STEPWISE)3種研究方法對(duì)油菜LAI和水稻LAI進(jìn)行預(yù)測(cè)及估計(jì), 并利用驗(yàn)證數(shù)據(jù)集對(duì)LAI反演模型進(jìn)行精度評(píng)定。利用MATLAB 2016 a及SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理, Origin 2016進(jìn)行制圖, 采用決定系數(shù)2、均方根誤差RMSE及偏移量MNB對(duì)建模和預(yù)測(cè)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中:為樣本總數(shù),obs, i和model, i分別代表處的實(shí)測(cè)值與反演值。

2 研究方法

2.1 植被指數(shù)

結(jié)合研究區(qū)作物光譜反射率變化特征, 選用表1中9種常見的植被指數(shù)反演LAI。對(duì)冠層光譜反射率與LAI進(jìn)行Pearson相關(guān)分析, 選取相關(guān)性較強(qiáng)的波段構(gòu)建植被指數(shù)反演LAI, 利用驗(yàn)證集對(duì)反演模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)。

2.2 基于主成分分析的波段回歸

主成分分析(principle component analysis, PCA)是多元統(tǒng)計(jì)分析中的一種數(shù)據(jù)分析方法, 本質(zhì)是利用較少數(shù)量的特征對(duì)樣本進(jìn)行描述以達(dá)到降低特征空間維數(shù)的目的[33]。由于高光譜數(shù)據(jù)相鄰波段間具有強(qiáng)相關(guān)性, 數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象較為嚴(yán)重, 因此以一定采樣間隔對(duì)冠層高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行波長(zhǎng)提取并進(jìn)行主成分分析, 根據(jù)累積貢獻(xiàn)率和載荷矩陣的權(quán)重系數(shù)大小確定特征波段, 構(gòu)建回歸模型。

表1 植被指數(shù)計(jì)算方法及參考文獻(xiàn)

NIB、red、green分別表示近紅波段、紅波段和綠波段處的冠層光譜反射率。NIR,red,greenare canopy reflectance of NIR band, red band and green band, respectively.

2.3 基于偏角光譜檢索法的角度回歸

偏角光譜檢索(deflection angle based spectral retrieval, DABSR)[17]將光譜數(shù)據(jù)視為多維空間矢量, 通過計(jì)算光譜特征點(diǎn)間構(gòu)成的偏角大小以確定光譜間的特征相似程度, 根據(jù)數(shù)據(jù)選取限差范圍以選取符合的特征點(diǎn), 達(dá)到降維目的(圖1)。

圖1 偏角光譜檢索法(DABSR)基本流程

點(diǎn)1、2、3、4為4個(gè)特征波長(zhǎng),表示角度閾值,1、2為光譜偏角。Points 1, 2, 3, 4 represent 4 sensitive bands,denotes the threshold set for angles,1and2refer to the angle calculated.

該方法能夠有效消除眾多波長(zhǎng)變量間的共線性影響, 降低模型的復(fù)雜度, 提高運(yùn)行效率。具體步驟如下:

1)針對(duì)光譜曲線, 按一定的波段寬度選取波段反射率特征點(diǎn)。從光譜曲線一端開始, 每次順次選取曲線上的3個(gè)點(diǎn), 計(jì)算第-1、點(diǎn)連線與第-1、+1點(diǎn)連線間的夾角α–1。

式中:λ表示第點(diǎn)處的波長(zhǎng),ρ表示第點(diǎn)的光譜反射率值,α–1為第-1、點(diǎn)連線與第-1、+1點(diǎn)連線間的光譜夾角。

2)根據(jù)光譜數(shù)據(jù)確定閾值, 對(duì)閾值與進(jìn)行比較。為便于對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一回歸模型的建立, 將建模數(shù)據(jù)集視作一個(gè)整體, 計(jì)算其在某一波段處的平均偏角mean, 比較mean與閾值的大小。若mean<, 則刪除第點(diǎn), 遞歸調(diào)用該算法。

3)當(dāng)無特征點(diǎn)可剔除時(shí), 對(duì)特征點(diǎn)集進(jìn)行重新編碼, 并以線段連接各特征點(diǎn), 近似表示原光譜曲線。

4)構(gòu)造用于LAI估算模型的光譜偏角(圖2)。針對(duì)重編碼后的特征點(diǎn)集, 以相鄰3個(gè)特征點(diǎn)間的連線所構(gòu)成的光譜偏角作為特征角度, 進(jìn)行LAI估算模型構(gòu)建。

圖2 基于特征波長(zhǎng)的光譜偏角變量構(gòu)成

3 結(jié)果與分析

3.1 油菜與水稻LAI多因素方差分析

表2表明, 栽種方式、生育期、施氮水平均對(duì)油菜LAI具有顯著影響且交互作用達(dá)極顯著水平; 不同品種、不同生育期水稻LAI差異也達(dá)到極顯著水平。上述諸多因素(栽種方式、生育期、施氮水平)對(duì)LAI有顯著影響, 增加了采用統(tǒng)一算法構(gòu)建油菜和水稻LAI估算模型的難度[34-35], 但有助于探討構(gòu)建模型算法的普適性。鑒于此, 本文暫不對(duì)以上因素逐一分開建模分析。

表2 油菜與水稻LAI樣本數(shù)據(jù)方差分析

**表示在5%水平下顯著。** represents the significance at 5% level.

3.2 不同時(shí)期油菜與水稻冠層光譜特性及與LAI相關(guān)性分析

圖3A和圖3B分別為油菜和水稻各時(shí)期的冠層光譜反射率, 其變化趨勢(shì)大致相同。在生長(zhǎng)期間, 水稻冠層主要由綠葉構(gòu)成, 因此其冠層反射特性具有一般綠色植物高光譜的反射特征, 即在可見光波段處有兩個(gè)吸收谷(490 nm左右的藍(lán)谷和690 nm左右的紅谷)和1個(gè)反射峰(550 nm左右的綠峰), 主要由葉片中的葉綠素造成[36]; 而油菜在生殖期間, 冠層會(huì)出現(xiàn)明顯的花和莢果, 這些非葉成分的光譜會(huì)混入油菜冠層光譜, 從而造成一定影響。對(duì)比圖中油菜和水稻的冠層光譜曲線發(fā)現(xiàn), 在可見光波段550~720 nm處, 油菜受到花和角果的影響, 其冠層反射率相比水稻顯著增加, 而在近紅外波段范圍受到的影響則相對(duì)較小, 這是由于近紅外波段主要受植被葉的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與水分的共同影響, 呈現(xiàn)出綠色植被的高反射特性。

圖3C和圖3D為水稻和油菜各時(shí)期冠層光譜反射率與LAI的相關(guān)系數(shù), 兩種植被在可見光范圍內(nèi)550 nm左右均出現(xiàn)波峰, 在500 nm及690 nm左右出現(xiàn)波谷, 并在730~1 100 nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的正相關(guān)性。由于水稻的冠層特性, 其各時(shí)期的相關(guān)系數(shù)變化趨同, 而油菜在生殖期的冠層光譜受花和角果影響較大, 因此在可見光范圍的反射率與LAI相關(guān)性會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)[9]。同時(shí)受含水量影響, 兩種植被各時(shí)期近紅外波段970 nm左右及1 180 nm左右呈現(xiàn)明顯的吸收谷。綜合考慮以上因素, 最終篩選出綠光550 nm、紅光690 nm及近紅外波段800 nm進(jìn)行植被指數(shù)計(jì)算。

3.3 基于主成分分析的特征波長(zhǎng)選擇

由于冠層高光譜數(shù)據(jù)冗余度高, 相鄰波段間有很強(qiáng)的相關(guān)性, 參考PCA相關(guān)文獻(xiàn)[37], 設(shè)定采樣間隔為5 nm, 對(duì)油菜與水稻高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣及主成分分析。表3是油菜和水稻冠層光譜分別選出的前4個(gè)主成分及其對(duì)應(yīng)的解釋總方差, 能夠解釋的有效信息累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)98%~99%, 故選取這些主成分的前10個(gè)最大權(quán)重系數(shù)的波段作為表征光譜信息的最優(yōu)波段。可以看出, 各主成分選取出的特征波段基本包含在同一光譜區(qū)域內(nèi), 表示每個(gè)主成分主要受1個(gè)光譜區(qū)域影響。油菜選取的特征波段分別集中在990~1 020 nm、550 nm左右、400~450 nm及1 200 nm左右, 而水稻則分布在780~820 nm、1 180~1 215 nm、360~390 nm、720~740 nm, 表明油菜在綠光、藍(lán)光及部分近紅區(qū)域包含有較多信息, 而水稻的有效信息則分布在紅光、紅邊及部分近紅區(qū)域。相關(guān)研究表明, 紅吸收谷蘊(yùn)含較多與水稻葉片色素含量相關(guān)的信息[38], 藍(lán)綠光區(qū)域包含有較多油菜的葉色素信息, 而部分近紅區(qū)域?qū)煞N植被的葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化及葉片水含量均較為敏感[39]。

圖3 不同生育期作物冠層光譜反射率(A: 水稻; B: 油菜)及與LAI值的相關(guān)性(C: 水稻; D:油菜)

表3 油菜與水稻冠層高光譜數(shù)據(jù)PCA篩選后的最優(yōu)波段排序及其貢獻(xiàn)率

3.4 基于DABSR的特征角度選擇

為探究DABSR算法在不同采樣間隔和閾值條件下對(duì)數(shù)據(jù)處理的影響, 本文將采樣間隔分為3個(gè)水平(5 nm、10 nm、20 nm), 同時(shí)設(shè)定閾值為最小值與最大值間的500個(gè)等距點(diǎn)。以水稻為例, 圖4表示水稻冠層光譜數(shù)據(jù)經(jīng)DABSR算法處理后篩選得到的波長(zhǎng)。相關(guān)研究表明, 用于實(shí)際建模的特征波長(zhǎng)數(shù)量應(yīng)以3~5個(gè)為佳, 這樣既能準(zhǔn)確反映待測(cè)組分信息, 也能避免過擬合現(xiàn)象[40]。為利于后期進(jìn)行逐步回歸建模, 基于DABSR的角度選擇旨在選出20~40個(gè)特征波長(zhǎng), 本文選取特征波長(zhǎng)數(shù)量為22、26、34和40的4種情況進(jìn)行分析。

研究表明, 當(dāng)采樣間隔為5 nm時(shí), 由于波段間距離過近, 構(gòu)造的光譜偏角過小, 在可見光350~ 700 nm間基本沒有特征波段被選出。而當(dāng)采樣間隔擴(kuò)大為10 nm及20 nm時(shí), 可見光波段有明顯起伏的波長(zhǎng)能夠被選出。在紅邊至近紅反射高臺(tái)的陡升區(qū)域(690~800 nm), 由于斜率較大, 5 nm和10 nm的采樣間隔均在此區(qū)域選取了較多特征波長(zhǎng), 而實(shí)際這些點(diǎn)基本處于共線位置, 相較之下, 20 nm采樣間隔選出的特征波長(zhǎng)數(shù)量則比較適當(dāng)。故在690~800 nm區(qū)域內(nèi), 5 nm和10 nm的采樣間隔篩選效果不如20 nm。根據(jù)算法設(shè)定比較發(fā)現(xiàn), 當(dāng)采樣間隔固定時(shí), 隨著閾值的增大, 選出的特征波長(zhǎng)數(shù)量減少; 當(dāng)閾值相同時(shí), 特征波段的數(shù)量會(huì)隨采樣間隔的增大而減少。綜合分析, 當(dāng)采樣間隔為20 nm、閾值為0.008 9°時(shí), 篩選效果最優(yōu), 選出的28個(gè)特征波長(zhǎng)在波長(zhǎng)范圍內(nèi)分布有疏有密, 信息較平緩的區(qū)域基本沒有波長(zhǎng)被選取, 較好地消除了波長(zhǎng)變量間的共線性影響。因此, 在后續(xù)建模時(shí), 選取20 nm作為采樣間隔, 水稻和油菜的閾值經(jīng)DABSR計(jì)算后確定為0.008 9°和0.007 1°, 篩選出的特征波長(zhǎng)數(shù)量分別為28與27, 故用于建模的特征角度分別為26與25個(gè)。

圖4 DABSR在不同采樣間隔及不同波長(zhǎng)數(shù)量設(shè)定下篩選出的特征波長(zhǎng)(以水稻為例, Nλ表示特征波長(zhǎng)的個(gè)數(shù))

3.5 油菜LAI反演模型及精度驗(yàn)證

油菜在整個(gè)生育期內(nèi)植株形態(tài)及葉形變化較大[34], 一定程度上增加了準(zhǔn)確估測(cè)油菜LAI的難度。表4顯示不同施氮水平、不同栽種方式、不同生育期下油菜LAI統(tǒng)一估算模型的建模效果與檢驗(yàn)精度。植被指數(shù)估算油菜LAI的建模和預(yù)測(cè)精度較差, 建模集2(cal2)和預(yù)測(cè)集的2(val2)相對(duì)較小, 表明所建模型難以用于油菜LAI的統(tǒng)一估算。原因可能是植被指數(shù)對(duì)油菜花較為敏感, 受到花的干擾較大[41], 難以準(zhǔn)確估計(jì)LAI; 在角果期時(shí), 油菜葉片基本脫落, 植被覆蓋度明顯降低, 所測(cè)冠層光譜受土壤背景影響較大, LAI估算精度較低。

表4 油菜葉面積指數(shù)(Y)估計(jì)模型及檢驗(yàn)

PAC-STEPWISE: 主成分分析法與逐步回歸分析法結(jié)合; DABSR-STEPWISE: DABSR偏角光譜檢索與逐步回歸分析結(jié)合。PAC-STEPWISE: combination of principle component analysis and stepwise regression analysis; DABSR-STEPWISE: combination of deflection angle based spectral retrieval and stepwise regression analysis.

PCA-STEPWISE反演LAI模型:

=60.981-590.652-8.693+1 425.444-1 058.995-

55.496+246.747+1.37 (5)

式中:1、2、3、4、5、6和7分別代表1 030 nm、450 nm、1 295 nm、425 nm、415 nm、1 000 nm和400 nm處的波長(zhǎng)反射率。

DABSR-STEPWISE反演LAI模型:

= 38.101-10.012-4.453-189.414+35.245+16.086+

0.71(6)

式中:1、2、3、4、5和6分別代表730-750-770 nm、710-730-750 nm、690-710-730 nm、1 170-1 190-1 210 nm、970-990-1 050 nm和1 090-1 110-1 130 nm 3個(gè)波段處組成的偏角。

3.6 水稻LAI反演模型及精度驗(yàn)證

表5 水稻葉面積指數(shù)(Y)估計(jì)模型及檢驗(yàn)

PAC-STEPWISE: 主成分分析法與逐步回歸分析法結(jié)合; DABSR-STEPWISE: DABSR偏角光譜檢索與逐步回歸分析結(jié)合。PAC-STEPWISE: combination of principle component analysis and stepwise regression analysis; DABSR-STEPWISE: combination of deflection angle based spectral retrieval and stepwise regression analysis.

PCA-STEPWISE反演LAI模型:

=105.721+22.122-139.683+106.274+3.90 (7)

式中:1、2、3、4分別代表720 nm、780 nm、725 nm和380 nm處的波長(zhǎng)反射率。

DABSR-STEPWISE反演LAI模型:

=22.561-232.952+44.703+3.53(8)

式中:1、2、3分別代表750-770-910 nm、1 170- 1 190-1 210 nm、970-990-1 050 nm 3個(gè)波段處組成的偏角。

4 結(jié)論

本文針對(duì)植被冠層高光譜數(shù)據(jù)相鄰波段相似性高、信息冗余量大的問題, 在光譜波長(zhǎng)關(guān)系的基礎(chǔ)上, 將光譜曲線形態(tài)納入考量, 把空間數(shù)據(jù)壓縮的方法應(yīng)用于LAI反演模型中, 提出了一種基于DABSR的光譜偏角回歸分析方法(DABSR-STEPWISE), 對(duì)油菜和水稻兩種植被進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 同時(shí)將此模型與植被指數(shù)(VIs)及主成分分析(PCA-STEPWISE)進(jìn)行對(duì)比, 主要結(jié)論如下:

2)在光譜特征信息的選擇上, DABSR算法定量化地對(duì)光譜波長(zhǎng)關(guān)系與反射率進(jìn)行描述, 提取出的特征波長(zhǎng)具有一定合理性[39]。同時(shí), 較之傳統(tǒng)的利用光譜反射率進(jìn)行反演, 光譜偏角所構(gòu)建的LAI反演模型具有較優(yōu)精度, 在保證光譜信息識(shí)別精度的同時(shí), 提高了模型計(jì)算效率, 具有一定創(chuàng)新性。

3)基于油菜和水稻兩種作物不同的生長(zhǎng)特點(diǎn), 其冠層光譜特性具有較大差異。針對(duì)油菜LAI反演模型的研究[41,44]大多致力于尋找敏感波段構(gòu)建植被指數(shù), 通過區(qū)分油菜不同器官(花、葉、角果)和不同生育期[9,41,44]來進(jìn)行估測(cè)LAI以提高精度, 故研究適應(yīng)于估算水稻和油菜LAI的統(tǒng)一算法具有一定難度。試驗(yàn)結(jié)果表明, 盡管不同品種、生育期、施氮水平和栽種方式等影響因子對(duì)水稻和油菜LAI造成極顯著差異, DABSR-STEPWISE算法仍然能夠在此復(fù)雜情況下對(duì)油菜和水稻LAI進(jìn)行統(tǒng)一估算并具有較高精度, 充分體現(xiàn)此算法的有效性與普適性, 也為實(shí)現(xiàn)不同植被LAI統(tǒng)一估測(cè)模型的構(gòu)建提供了新思路。

本文提出的DABSR-STEPWISE主要是針對(duì)實(shí)測(cè)的油菜和水稻冠層高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 之后可以進(jìn)一步研究其在高光譜遙感影像中的應(yīng)用效果。同時(shí), 本文研究數(shù)據(jù)只涉及油菜和水稻的關(guān)鍵生長(zhǎng)期, 在后續(xù)試驗(yàn)中嘗試采集全生育期數(shù)據(jù)進(jìn)行模型反演, 以進(jìn)一步提高模型估算的準(zhǔn)確性和適用性。

致謝:感謝華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院汪善勤、魯劍巍、李嵐?jié)兔鹘鹪谔镩g試驗(yàn)布置、田間樣品采集和試驗(yàn)生活中給予的幫助。

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Estimation of leaf area index of rapeseed and rice based on deflection angle and spectral retrieval algorithm*

LIU Yichen, MA Yi**, TONG Chunyan, DUAN Bo, JIANG Qi

(School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Leaf area index (LAI) provides insight into productivity, physiological and phenological status of vegetation. The quick and accurate estimation of LAI contributes to growth status diagnosis and yield prediction. A variety of methods have been used for the estimation of LAI, however, the specific spectral bands applied differ widely among the methods and data used. Based on the general shape of the canopy reflectance curve, the spectral angles are found to be of great importance for the LAI estimation. The general objectives of this study were (i) to find informative spectral angles extracted by deflection angle based spectral retrieval (DABSR) and spectral bands retained in the other two common methods, vegetation indices (VI) and principle component analysis (PCA), for estimating LAI in rapeseed and rice; (ii) to compare the accuracy of the three methods as well as determine whether a robust algorithm for LAI estimation of two various crops can be devised. As the two main crops in China, rapeseed and rice, with different leaf structures as well as canopy architecture, were taken as the experimental subjects. Different nitrogen application rates (0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 360 kg×hm-2) and planting treatments (directed sowing and transplanting) were set for rapeseed, while 45 varieties of rice under the same growing environment were employed in the experiment. It was revealed that, for LAI estimation of rapeseed, the model built with DABSR performed the best as the coefficient of determination (2), root mean square error (RMSEP) and mean normalized bias (MNB) of the predictive model were 0.74, 0.47 and 0.16 respectively; the model built with PCA was of medium accuracy with 0.73, 0.48 and-0.04 for2, RMSEP and MNB, respectively. The selected VI models were of significantly poorer accuracy with 0.61, 0.57 and 0.17 for2, RMSEP and MNB respectively, as a result of the effect induced by flowers and pods on canopy reflectance spectrum. From the perspective of rice, the relationship model based on DABSR-STEPWISE was of the best accuracy, as the2, RMSEP and MNB could reach up to 0.70, 0.80 and 0.05. The models built with VIs performed the worst among three methods (2≤ 0.61, RMSEP ≤ 0.92 and MNB ≤ 0.04), while the PCA model performed in between with 0.63, 0.88 and 0.04 for2, RMSEP and MNB individually. The red edge and the NIR bands were selected in most models and considered the most informative. Among the three methods, DABSR-STEPWISE, proposed on the basis of spectral angle, was the most suitable for estimating LAI of two kinds of crops under different growing environments. The analysis allowed development of universal algorithms for LAI estimation in various crops. Being of high accuracy and high computational efficiency, these findings have significant implications on the development of uniform and robust algorithms, which is crucial for LAI estimation of specie-specific crops.

Rapeseed; Rice; Leaf area index; Hyperspectral remote sensing; Deflection angle based spectral retrieval

, E-mail: mayi@whu.edu.cn

Sep. 15, 2017;

Jan. 15, 2018

S127

A

1671-3990(2018)07-0999-12

10.13930/j.cnki.cjea.170846

* 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA102401)資助

馬驛, 主要研究方向?yàn)橹脖桓吖庾V遙感。E-mail: mayi@whu.edu.cn 劉怡晨, 主要研究方向?yàn)楦吖庾V農(nóng)業(yè)遙感。E-mail: grace_liu@whu.edu.cn

2017-09-15

2018-01-15

* This study was supported by the National High-tech R&D Program of China (863 Program) (2013AA102401).

劉怡晨, 馬驛, 仝春艷, 段博, 蔣琦. 基于偏角光譜檢索算法的油菜和水稻LAI反演研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(7): 999-1010

LIU Y C, MA Y, TONG C Y, DUAN B, JIANG Q. Estimation of leaf area index of rapeseed and rice based on deflection angle and spectral retrieval algorithm[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(7): 999-1010