主动遥感光谱仪在滴灌棉花上的应用

司福四，任秋菊

（兵团第八师一四二团，新疆 石河子 832003）

主动遥感光谱仪在滴灌棉花上的应用

司福四，任秋菊

（兵团第八师一四二团，新疆 石河子 832003）

本文利用主动遥感光谱仪GreenSeeker监测滴灌棉花的生长情况，从不同氮营养条件下NDVI随生育期的动态变化、各生育时期的不同氮营养NDVI值动态变化进行了全面分析。试验结果表明，不同氮营养条件下，NDVI值变化呈“低-高-低”变化趋势，在棉花出苗后 100 d出现最大值，总体上高氮处理条件下NDVI值高于低氮处理的NDVI值；棉花盛铃期冠层NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明显。在棉花各生育，随着施氮量的增加，冠层NDVI值呈逐渐增加趋势。表明使用主动遥感光谱仪获得的NDVI值能够真实反映作物的生长状况，有利于提高棉花的田间精准管理。

棉花，GreenSeeker，NDVI，氮素

主动遥感指从遥感台上的人工辐射源向目标物发射一定形式的电磁波，再由传感器接收和记录其反射波的遥感系统。它是一种新兴研究方法，采用自身光源，不依赖太阳辐射，且不受太阳高度角及云层等干扰，可以昼夜工作，而且可以根据探测目的的不同，主动选择电磁波的波长和发射方式。目前研究比较多的主动遥感光谱有GreenSeeker主动遥感光谱仪和MSII-16型多光谱便携式福射计，由于此类仪器操作方便、获取数据便捷、灵活性强、环境干扰小、成本低等，被广泛应用在作物生长监测、氮素营养诊断、产量估测和追肥推荐上[1-3]。

20世纪末，美国俄克拉荷马州州立大学开发了主动遥感高光谱仪器GreenSeeker。它采用主动遥感方式，自身携带的高强度发光二极管发射Red（红光）与NIR（近红外光），经过作物反射后再被二极管接受并转换测量，从而获得两波段反射率，将数据信息记录在掌上电脑，换算出光谱植被指数参数数据，并依据所获取的NDVI分析作物生长信息[4]。NDVI作为遥感植被遥感技术中最常用的植被指数之一，它是便携式主动遥感光谱仪所获取的重要植被指数之一，也是运用最为广泛的植被指数之一。NDVI更适用于高植被覆盖下的区域植被生长状况监测，在众多植被光指数中应用非常广泛，绿色作物反射光谱的突出特点是对红光（Red）的高吸收率和对近红外光（NIR）的高反射率，NDVI值能够很好的反应绿色植物的生长状况[5-7]。

GreenSeeker仪器在国外多个国家被应用，其中美国在氮素利用效率和精准农业管理方面研究较多，并成功在小麦、玉米、棉花、大豆等作物上进行监测长势、估测产量和施肥推荐研究[8]。GreenSeeker法避免了常规光谱仪器必须接触测定、工作量大的缺点，摆脱了被动高光谱遥感对外界光源的依赖。GreenSeeker光谱仪不用接触目标、不受外界环境干扰、能提供高解析度、获取数据量大、操作简单灵活，可将作物植被信息直接转换为NDVI值，因而可以实现对作物生长状况、作物氮素营养、产量和追肥的实时推荐[9]。GreenSeeker是比较理想的作物生长实时监测工具，而且随着精准农业的发展，它将在农业生产中被广泛应用[10]。本文利用GreenSeeker光谱仪对新疆滴灌常规棉田进行监测，从而实时掌握棉花的生长状况，按需施肥，以期实现降低劳动力和生产成本，提高棉花的精准田间管理能力。

1 材料与方法

1.1 试验地情况

试验于2013—2014年在八师一四二团常规棉田进行，土壤质地为中壤土，前茬作物为棉花，棉花全生育期灌水和其它管理措施与当地大田管理一致。磷、钾肥作为基肥在播种前一次性施入。

1.2 试验设计

试验设5个氮肥处理，分别施纯氮0（N0）、120（N1）、240（N2）、360（N3）和480 kg/hm2（N4）。采用膜下滴灌栽培，1膜2管4行栽培模式，株行距配置为（10 cm+66 cm+10 cm）×10 cm，供试棉花品种为新陆早48号。试验棉花于2013年4月28日出苗，7月8日打顶，9月10测产量；2014年5月1日出苗，7月10日打顶，9月15日测产量。留苗密度均为21万株/hm2；小区面积为51 m2，重复3次，随机区组排列。NDVI值采用GreenSeeker便携式主动遥感光谱仪测定。

1.3 测定方法

GreenSeeker手持便携式主动遥感光谱仪红光波段为（671±6）nm，近红外光波段（780±6）nm，光谱宽幅为0.6 m。光谱信号通过系统自带的软件处理，可以直接得到NDVI数据。测量时将光谱探照头平行于棉花植被冠层，行端各留2 m缓冲区。行进速度1.25 m/s，高度0.5 m，长度10 m，每小区选取长势均匀的3个点，重复测量3次。测定时间为10：00～12：00，于无风晴朗的天气测定。具体测定时间：2014年分别在棉花蕾期（19/6，1/7）、花期（11/7，25/7）、铃期（6/8，18/8）和吐絮期（26/8、10/9）测定；2013年分别在在棉花蕾期（25/6、3/7）、花期（13/7、24/7）、铃期（4/8、16/8）和吐絮期（28/8、8/9）测定。测定获得的数据在GreenSeeker掌上电脑上进行编号，选择NDVI的平均值利用Excel进行数据转化和处理。

1.4 统计分析

数据输入与整理采用Excel 2010；统计、方差分析和LSD多重比较用SPSS 17.0软件进行；作图采用Origin8.5软件。

图1 2013（a）和2014（b）年不同氮营养棉花冠层NDVI值变化

图2 2013（a）和2014（b）年棉花各生育时期冠层NDVI值变化

2 结果与分析

2.1 棉花冠层NDVI值的变化特征分析

在2013年和2014年棉花的2个生长周期内，从2年的NDVI值动态变化可以看出，NDVI值在棉花整个生育期总体上呈现“低-高-低”的变化趋势（图1）。在棉花的生长初期，由于叶面积指数和生物量相对较少，所以前期棉花冠层的NDVI值相对较小；随着生育期的推进，地上部分生长速度加快，叶片叶绿素含量和冠层盖度度迅速增大，使得NDVI值上升幅度大；在棉花出苗后100 d，NDVI值达到峰值，此后由于棉花营养生长逐渐衰退，棉花对红光波段反射率增加，吸收率降低，NDVI值开始缓慢下降。棉花整个生育期内的NDVI值变化与棉花生长状况及养分积累特征变化规律一致，说明NDVI能够反应棉花养分状况和生长规律。

从不同氮处理间NDVI值的动态变化趋势可以看出，随着施氮量的增加，棉花冠层NDVI值逐渐增大。但在2013年棉花出苗后85～110 d和2014年棉花出苗后93～105 d，NDVI值增加不明显，即在盛铃期生殖生长大于营养生长时，光谱吸收值接近饱和。总体上，高氮处理条件下NDVI值高于低氮处理的NDVI值，表现为N4＞N3＞N2＞N1＞N0。

2.2 不同生育期棉花冠层NDVI值变化特征分析

从棉花盛蕾期、花期、盛铃期和初絮期的NDVI值变化可以看出，棉花盛铃期冠层NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明显（见图2）。在各生育时期，随着施氮量的增加，棉花冠层NDVI值呈现逐渐增加的趋势，年际间比较，2013年与2014年结果基本一致。从NDVI值误差上看，低氮处理的标准误差大于高氮处理的误差，这可能是由于土壤肥力差异和棉花长势不均匀所致。

3 小结

本试验使用主动遥感光谱仪GreenSeeker获取棉花NDVI值，对不同氮营养条件下棉花NDVI值动态变化进行了全面分析。结果表明：不同氮营养条件下NDVI值变化呈“低-高-低”的变化趋势，在棉花出苗后100 d出现峰值，总体上高氮处理条件下NDVI值高于低氮处理的NDVI值；从棉花盛蕾期、花期、盛铃期和初絮期的NDVI值变化可以看出，棉花盛铃期冠层NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明显。使用GreenSeeker能够快速实时的对棉花进行生长监测，NDVI值能够真实反映棉花的生长状况，也为使用GreenSeeker对棉花养分估测、产量估测及施肥推荐等一系列研究奠定了基础。

[1]冯宗会.不同水氮管理下NDVI监测及优化施氮研究[D].北京：北京首都师范大学，2012.

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2015—05—16