河南省冬小麦冠层光谱的环境影响因子分析

吴国玺++申怀飞++张鹏飞

摘要：以河南省许昌市冬小麦为研究对象，选取许昌市东城区北郊麦田，采集冬小麦光谱数据。利用光谱仪后处理软件ASD View Spec Pro对采集的光谱数据以DAT的格式导出并在Microsoft Office Excel 2003中生成曲线，剔除其中无效数据，通过对地物多条光谱数据求平均，对实测波谱数据归类，计算冬小麦冠层归一化植被指数，得到冬小麦冠层光谱特征曲线，利用冬小麦冠层光谱特征曲线分析河南省冬小麦冠层光谱的环境影响因子。结果表明，随着太阳高度角的增加冬小麦冠层光谱的反射率增加，太阳光接近直射时小麦冠层所接受到的太阳辐射量最大；冬小麦种植密度、滞尘量等因素对冬小麦冠层光谱曲线均有影响。

关键词：冬小麦；冠层光谱曲线；环境因子；河南省

中图分类号：S512.1+1；TP79 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）02-0268-04

Environmental Impact Factors of Winter Wheat Canopy Reflectance in Henan Province

WU Guo-xi，SHEN Huai-fei，ZHANG Peng-fei

（School of Urban & Rural Planning and Landscape Architecture， Xuchang University， Xuchang 461000，Henan，China）

Abstract： The winter wheat spectral data of portable spectroradiometer made by ASD company in the Dong-cheng district of Xuchang city was collected. ASD View Spec Pro software and Microsoft Office Excel were used to process data. The average of the surface features multi-spectral data was classified. The winter wheat canopy Normalized Difference Vegetation Index was calculated. The winter canopy spectral characteristic curves in different times and different conditions were made. By comparatively analysing the curves of the winter wheat canopy， the environmental factors of winter wheat canopy reflectance at growing period in henan province were analyzed. The results showed that when the sun elevation angle increased， the wheat spectral reflectance increased. When the sunlight is direct on the wheat， the received radiation is the biggest. The wheat plating density and dust in the air had great impact on the winter canopy spectral curves.

Key words： winter wheat； spectral curves of the canopy； environmental factors； Henan province

20世纪80年代，国外开展了对植被冠层的二向性反射特性研究，观测了多种农作物、草地及森林冠层的双向反射分布函数（Bidirectional reflection distribution function，BRDF），发现了多角度反射率的“热点效应”和镜面反射等典型特征[1]。此后，中国也开展了对冬小麦冠层的光谱分析。张雪红等[2，3]于2006年初步分析了冬小麦冠层反射率光谱及红边参数特征，发现存在较强的各向异性特征；2010年又通过采用各向异性因子和各向异性指数定量分析了冬小麦冠层窄波段二向性反射率及NDVI的方向性特征。赵春江等[4]用多角度光谱信息反演冬小麦叶绿素含量的垂直分布。袁慧等[5]分析了不同发育阶段、播种垄向及土壤背景对冠层光谱反射的影响。王静等[6]研究了甘肃省庆阳市西峰区冬小麦主要生育期冠层反射光谱与反映长势的指标覆盖度及叶面积指数间的关系。宋晓宇等[7]利用遥感影像数据对冬小麦长势空间变异进行了研究。冯伟等[8]利用高光谱遥感对小麦冠层叶片色素密度进行监测，研究了小麦叶片色素密度与冠层高光谱参数的定量关系。以上文献多数是对冬小麦某一生长阶段不同生长条件下光谱反射率、光谱动态变化及红边参数特征的研究，对不同发育阶段、播种垄向及土壤背景与冠层光谱反射关系的探讨；且大多以研究小麦光谱特征为手段，以研究其理化特性为目的，或者用多角度光谱信息反演冬小麦叶绿素含量垂直分布。而对随着太阳高度角的增加小麦冠层光谱的反射率状况，冬小麦种植密度、滞尘量等因素对冬小麦冠层光谱影响的研究较少。因此，本研究以河南省许昌市东城区为例，通过采集有效光谱数据，并对这些光谱数据进行分析，以探讨外界因素对小麦冠层光谱的影响，对保证河南省冬小麦正常生长有着重要的意义。

1 研究区概况

2 数据来源及处理

2.1 冬小麦光谱数据的获取

2.2 光谱数据的预处理

利用光谱仪后处理软件ASD View Spec Pro对采集的光谱数据以DAT的格式导出并在Microsoft Office Excel 2003中生成曲线，剔除其中无效数据，对地物多条光谱数据求平均值，对实测波谱数据归类合并，最后计算出冬小麦冠层的归一化植被指数。从每次采集的15个数据中筛选3个作为样本数据，对样本光谱数据求均值，所得曲线即为冬小麦冠层光谱曲线。利用预处理后的冬小麦冠层光谱特征数据比较同一生长期同一因素不同情况下冬小麦冠层光谱曲线，找出单一因素（太阳高度角、样地种植密度和冬小麦冠层滞尘量）对冬小麦冠层光谱曲线影响的相应波段。

3 各因素对冬小麦冠层光谱曲线的影响

3.1 太阳高度角对冬小麦冠层光谱曲线的影响

在1 d内对10个不同时间段的冬小麦冠层光谱进行采集并绘制光谱曲线图，结果如图3所示。从图3可知，冬小麦冠层光谱曲线的大致趋势为：从早上7：20随着太阳高度角的增长，其各个波段的反射率均呈上升趋势，在11：20太阳高度角最大时反射率达到最大，接着随太阳高度角的减小，冬小麦各个波段的反射率呈下降趋势。太阳高度角直接影响小麦光谱的反射率，当太阳越趋近于直射的时候，小麦冠层所接受到的太阳辐射量就越大，反射率就越大，由此可以得出在11：00左右采集小麦冠层光谱数据为最佳时段。

3.2 滞尘量对冬小麦冠层光谱曲线的影响

在距离公路5、10、20 m处选取A、B、C 3块小麦田，分别采集11：20和12：20时的冬小麦冠层光谱数据，经过数据处理后，得到小麦冠层光谱曲线如图4所示。距离公路远近不同的3块麦田的滞尘量不同，其冬小麦的冠层光谱曲线也不同，在排除操作误差的影响下，在波峰处A地反射率始终为最大，而B、C两地的区别较小，且均小于A地的反射率，未能将距公路距离即滞尘量作为单一变量分离出来，具体原因在于此3块麦田的冬小麦冠层光谱还受到了灌溉、施肥等其他因素的影响，造成未能发现滞尘量对冬小麦冠层光谱的影响。

3.3 种植密度对冬小麦冠层光谱曲线的影响

4 结论

通过野外地物光谱仪对试验区的冬小麦测量，获得冬小麦的冠层光谱反射率，分析冬小麦生长期的光谱特征，并描绘出了冬小麦的冠层光谱曲线。将实测小麦的光谱数据进行了定性和定量的分析，总结出外界因素对于冬小麦光谱曲线的影响。

1）从早上7：20随着太阳高度角的增大，冬小麦各个波段的反射率均呈上升趋势，在11：20太阳高度角最大，反射率也达到最大，之后随太阳高度角的减小，各个波段的反射率呈下降趋势。

2）冬小麦冠层滞尘量和种植密度对冬小麦冠层光谱曲线均有影响，但是由于条件限制和外界因素影响，未能准确地发现这2种因素对于冬小麦冠层光谱曲线的影响特征。

在研究过程中，由于时间的限制而未能将冬小麦生长期的各个阶段的光谱采集完整，造成部分数据缺失；另外在研究单一因素对冬小麦冠层光谱特征的影响时无法完全排除其他因素的影响，只能相对减少其他因素的影响，这些问题均可能会造成分析结果的误差，尚需进一步研究。

参考文献：

[1] ROSS J K， MARSHAK A L. Calculation of canopy bidirectional reflectance using the Monte Carlo method[J]. Remote Sending Environ，1988，24：213-225.

[2] 张雪红，赵 峰，刘绍民，等.冬小麦红边参数各向异性特征分析[J].农业工程学报，2006，22（6）：7-11.

[3] 张雪红，田庆久，沈润平.冬小麦冠层光谱的方向性特征分析[J].光谱学与光谱分析，2010，30（6）：1600-1605.

[4] 赵春江，黄文江，王纪华，等.用多角度光谱信息反演冬小麦叶绿素含量垂直分布[J].农业工程学报，2006，22（6）：104-109.

[5] 袁 慧，李 爽，孔云峰.开封市郊冬小麦冠层反射光谱特征分析[J].地理空间信息，2009，7（4）：63-66.

[6] 王 静，郭 铌，王小平，等.半湿润雨养农业区冬小麦冠层反射光谱与长势的相关性分析[J].资源科学，2008，30（8）：1261-1267.

[7] 宋晓宇，王纪华，阎广建，等.基于多时相航空高光谱遥感影像的冬小麦长势空间变异研究[J].光谱学与光谱分析，2010，30（7）：1820-1824.

[8] 冯 伟，朱 艳，田永超，等.基于高光谱遥感的小麦冠层叶片色素密度监测[J].生态学报，2008，28（10）：4902-4911.

（责任编辑 吕海霞）

2.1 冬小麦光谱数据的获取

2.2 光谱数据的预处理

利用光谱仪后处理软件ASD View Spec Pro对采集的光谱数据以DAT的格式导出并在Microsoft Office Excel 2003中生成曲线，剔除其中无效数据，对地物多条光谱数据求平均值，对实测波谱数据归类合并，最后计算出冬小麦冠层的归一化植被指数。从每次采集的15个数据中筛选3个作为样本数据，对样本光谱数据求均值，所得曲线即为冬小麦冠层光谱曲线。利用预处理后的冬小麦冠层光谱特征数据比较同一生长期同一因素不同情况下冬小麦冠层光谱曲线，找出单一因素（太阳高度角、样地种植密度和冬小麦冠层滞尘量）对冬小麦冠层光谱曲线影响的相应波段。

3 各因素对冬小麦冠层光谱曲线的影响

3.1 太阳高度角对冬小麦冠层光谱曲线的影响

在1 d内对10个不同时间段的冬小麦冠层光谱进行采集并绘制光谱曲线图，结果如图3所示。从图3可知，冬小麦冠层光谱曲线的大致趋势为：从早上7：20随着太阳高度角的增长，其各个波段的反射率均呈上升趋势，在11：20太阳高度角最大时反射率达到最大，接着随太阳高度角的减小，冬小麦各个波段的反射率呈下降趋势。太阳高度角直接影响小麦光谱的反射率，当太阳越趋近于直射的时候，小麦冠层所接受到的太阳辐射量就越大，反射率就越大，由此可以得出在11：00左右采集小麦冠层光谱数据为最佳时段。

3.2 滞尘量对冬小麦冠层光谱曲线的影响

在距离公路5、10、20 m处选取A、B、C 3块小麦田，分别采集11：20和12：20时的冬小麦冠层光谱数据，经过数据处理后，得到小麦冠层光谱曲线如图4所示。距离公路远近不同的3块麦田的滞尘量不同，其冬小麦的冠层光谱曲线也不同，在排除操作误差的影响下，在波峰处A地反射率始终为最大，而B、C两地的区别较小，且均小于A地的反射率，未能将距公路距离即滞尘量作为单一变量分离出来，具体原因在于此3块麦田的冬小麦冠层光谱还受到了灌溉、施肥等其他因素的影响，造成未能发现滞尘量对冬小麦冠层光谱的影响。

3.3 种植密度对冬小麦冠层光谱曲线的影响

4 结论

通过野外地物光谱仪对试验区的冬小麦测量，获得冬小麦的冠层光谱反射率，分析冬小麦生长期的光谱特征，并描绘出了冬小麦的冠层光谱曲线。将实测小麦的光谱数据进行了定性和定量的分析，总结出外界因素对于冬小麦光谱曲线的影响。

1）从早上7：20随着太阳高度角的增大，冬小麦各个波段的反射率均呈上升趋势，在11：20太阳高度角最大，反射率也达到最大，之后随太阳高度角的减小，各个波段的反射率呈下降趋势。

2）冬小麦冠层滞尘量和种植密度对冬小麦冠层光谱曲线均有影响，但是由于条件限制和外界因素影响，未能准确地发现这2种因素对于冬小麦冠层光谱曲线的影响特征。

在研究过程中，由于时间的限制而未能将冬小麦生长期的各个阶段的光谱采集完整，造成部分数据缺失；另外在研究单一因素对冬小麦冠层光谱特征的影响时无法完全排除其他因素的影响，只能相对减少其他因素的影响，这些问题均可能会造成分析结果的误差，尚需进一步研究。

参考文献：

[1] ROSS J K， MARSHAK A L. Calculation of canopy bidirectional reflectance using the Monte Carlo method[J]. Remote Sending Environ，1988，24：213-225.

[2] 张雪红，赵 峰，刘绍民，等.冬小麦红边参数各向异性特征分析[J].农业工程学报，2006，22（6）：7-11.

[3] 张雪红，田庆久，沈润平.冬小麦冠层光谱的方向性特征分析[J].光谱学与光谱分析，2010，30（6）：1600-1605.

[4] 赵春江，黄文江，王纪华，等.用多角度光谱信息反演冬小麦叶绿素含量垂直分布[J].农业工程学报，2006，22（6）：104-109.

[5] 袁 慧，李 爽，孔云峰.开封市郊冬小麦冠层反射光谱特征分析[J].地理空间信息，2009，7（4）：63-66.

[6] 王 静，郭 铌，王小平，等.半湿润雨养农业区冬小麦冠层反射光谱与长势的相关性分析[J].资源科学，2008，30（8）：1261-1267.

[7] 宋晓宇，王纪华，阎广建，等.基于多时相航空高光谱遥感影像的冬小麦长势空间变异研究[J].光谱学与光谱分析，2010，30（7）：1820-1824.

[8] 冯 伟，朱 艳，田永超，等.基于高光谱遥感的小麦冠层叶片色素密度监测[J].生态学报，2008，28（10）：4902-4911.

（责任编辑 吕海霞）

2.1 冬小麦光谱数据的获取

2.2 光谱数据的预处理

利用光谱仪后处理软件ASD View Spec Pro对采集的光谱数据以DAT的格式导出并在Microsoft Office Excel 2003中生成曲线，剔除其中无效数据，对地物多条光谱数据求平均值，对实测波谱数据归类合并，最后计算出冬小麦冠层的归一化植被指数。从每次采集的15个数据中筛选3个作为样本数据，对样本光谱数据求均值，所得曲线即为冬小麦冠层光谱曲线。利用预处理后的冬小麦冠层光谱特征数据比较同一生长期同一因素不同情况下冬小麦冠层光谱曲线，找出单一因素（太阳高度角、样地种植密度和冬小麦冠层滞尘量）对冬小麦冠层光谱曲线影响的相应波段。

3 各因素对冬小麦冠层光谱曲线的影响

3.1 太阳高度角对冬小麦冠层光谱曲线的影响

在1 d内对10个不同时间段的冬小麦冠层光谱进行采集并绘制光谱曲线图，结果如图3所示。从图3可知，冬小麦冠层光谱曲线的大致趋势为：从早上7：20随着太阳高度角的增长，其各个波段的反射率均呈上升趋势，在11：20太阳高度角最大时反射率达到最大，接着随太阳高度角的减小，冬小麦各个波段的反射率呈下降趋势。太阳高度角直接影响小麦光谱的反射率，当太阳越趋近于直射的时候，小麦冠层所接受到的太阳辐射量就越大，反射率就越大，由此可以得出在11：00左右采集小麦冠层光谱数据为最佳时段。

3.2 滞尘量对冬小麦冠层光谱曲线的影响

在距离公路5、10、20 m处选取A、B、C 3块小麦田，分别采集11：20和12：20时的冬小麦冠层光谱数据，经过数据处理后，得到小麦冠层光谱曲线如图4所示。距离公路远近不同的3块麦田的滞尘量不同，其冬小麦的冠层光谱曲线也不同，在排除操作误差的影响下，在波峰处A地反射率始终为最大，而B、C两地的区别较小，且均小于A地的反射率，未能将距公路距离即滞尘量作为单一变量分离出来，具体原因在于此3块麦田的冬小麦冠层光谱还受到了灌溉、施肥等其他因素的影响，造成未能发现滞尘量对冬小麦冠层光谱的影响。

3.3 种植密度对冬小麦冠层光谱曲线的影响

4 结论

通过野外地物光谱仪对试验区的冬小麦测量，获得冬小麦的冠层光谱反射率，分析冬小麦生长期的光谱特征，并描绘出了冬小麦的冠层光谱曲线。将实测小麦的光谱数据进行了定性和定量的分析，总结出外界因素对于冬小麦光谱曲线的影响。

1）从早上7：20随着太阳高度角的增大，冬小麦各个波段的反射率均呈上升趋势，在11：20太阳高度角最大，反射率也达到最大，之后随太阳高度角的减小，各个波段的反射率呈下降趋势。

2）冬小麦冠层滞尘量和种植密度对冬小麦冠层光谱曲线均有影响，但是由于条件限制和外界因素影响，未能准确地发现这2种因素对于冬小麦冠层光谱曲线的影响特征。

在研究过程中，由于时间的限制而未能将冬小麦生长期的各个阶段的光谱采集完整，造成部分数据缺失；另外在研究单一因素对冬小麦冠层光谱特征的影响时无法完全排除其他因素的影响，只能相对减少其他因素的影响，这些问题均可能会造成分析结果的误差，尚需进一步研究。

参考文献：

[1] ROSS J K， MARSHAK A L. Calculation of canopy bidirectional reflectance using the Monte Carlo method[J]. Remote Sending Environ，1988，24：213-225.

[2] 张雪红，赵 峰，刘绍民，等.冬小麦红边参数各向异性特征分析[J].农业工程学报，2006，22（6）：7-11.

[3] 张雪红，田庆久，沈润平.冬小麦冠层光谱的方向性特征分析[J].光谱学与光谱分析，2010，30（6）：1600-1605.

[4] 赵春江，黄文江，王纪华，等.用多角度光谱信息反演冬小麦叶绿素含量垂直分布[J].农业工程学报，2006，22（6）：104-109.

[5] 袁 慧，李 爽，孔云峰.开封市郊冬小麦冠层反射光谱特征分析[J].地理空间信息，2009，7（4）：63-66.

[6] 王 静，郭 铌，王小平，等.半湿润雨养农业区冬小麦冠层反射光谱与长势的相关性分析[J].资源科学，2008，30（8）：1261-1267.

[7] 宋晓宇，王纪华，阎广建，等.基于多时相航空高光谱遥感影像的冬小麦长势空间变异研究[J].光谱学与光谱分析，2010，30（7）：1820-1824.

[8] 冯 伟，朱 艳，田永超，等.基于高光谱遥感的小麦冠层叶片色素密度监测[J].生态学报，2008，28（10）：4902-4911.

（责任编辑 吕海霞）