棉花全生長周期機(jī)載高光譜正射影像數(shù)據(jù)集構(gòu)建

引言

棉花作為我國極為重要的1種大田經(jīng)濟(jì)作物, 其生產(chǎn)覆蓋全國 24個省( 直轄市、自治區(qū)) ,商品率在95%以上,在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。新疆因得天獨(dú)厚的氣候、光照、土地等自然資源條件,成為目前我國最大的商品棉基地,實現(xiàn)棉花種植生產(chǎn)的精準(zhǔn)管理,對促進(jìn)新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

隨著遙感對地觀測技術(shù)的不斷發(fā)展,遙感數(shù)據(jù)在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,已經(jīng)成為人們獲取地理環(huán)境及其變化信息的重要手段。高光譜作為遙感技術(shù)中的重要一環(huán),以其光譜分辨率高、圖譜合一等獨(dú)特優(yōu)勢,在植被參數(shù)反演、作物長勢監(jiān)測、產(chǎn)量估計、品質(zhì)監(jiān)測以及病蟲害監(jiān)測預(yù)測方面都得到了廣泛應(yīng)用。

本文結(jié)合當(dāng)前農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域高光譜數(shù)據(jù)集較為匱乏的研究現(xiàn)狀,利用無人機(jī)搭載高光譜成像儀對新疆塔城地區(qū)蘑菇湖村的棉花試驗田進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,同步利用地物光譜儀對地面數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的采集。經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理得到的機(jī)載棉花正射影像, 聯(lián)合地面光譜數(shù)據(jù)使用典型光譜特征值及一階微分,對機(jī)載棉花高光譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性進(jìn)行驗證,以期為棉花生長狀況狀態(tài)監(jiān)測、機(jī)載高光譜圖 像質(zhì)量研究、棉花光譜庫的構(gòu)建、農(nóng)作物高光譜或多光譜數(shù)據(jù)集的構(gòu)建等多個應(yīng)用方向提供參考和借鑒。

結(jié)資料與方法

2.1 研究區(qū)概況

山北麓中段,準(zhǔn)噶爾盆地南緣,整體地勢南高北低,北部為古爾班通特沙漠,中部為山前洪積-沖積綠洲平原,南部為天山支脈,屬于典型大陸性中溫帶 干旱氣候,夏季炎熱冬季寒冷,具有降水量少、蒸發(fā)量大、氣候干燥、晝夜溫差大等特點(diǎn),年平均氣溫約 為 6. 6 ℃ ,年降水量140~350mm,年蒸發(fā)量為1 500~2000 mm, 為寒旱種植區(qū), 全年太陽實照時數(shù)為2835h左右,無霜期約為180d。研究區(qū)主要種植作物有棉花、小麥、玉米、甜菜、西葫蘆和苜蓿等,其中棉花的種植期為4—10月。研究經(jīng)緯度范圍為44°24′29. 27″~44°24′32. 45″N,85°53′27. 35″~85°53′28. 57″E,影像獲取于6、7、8、10月,地表覆蓋物主要為棉花、葫蘆瓜以及裸土。

2.2 數(shù)據(jù)處理

機(jī)載棉花高光譜數(shù)據(jù)分別于2019年6月4日(苗期) 、2019年6月 29日(苗后期) 、2019年7月11日(蕾期) 、2019年7月18日(花期) 、2019年8月7日(玲期) 、2019年8月27日(盛鈴期) 、2021年10月8日(吐絮期)7 個時間段運(yùn)用無人機(jī)高光譜及地物光譜儀采集。

圖 1不同生育期棉花高光譜數(shù)據(jù)

結(jié)果與分析

3.1 機(jī)載棉花冠層光譜反射率分析

圖 2 棉花冠層光譜反射率曲線和反射率曲線的一階微分

從圖 2A可以發(fā)現(xiàn),6月4日到8月27日之間,棉花冠層光譜反射曲線呈現(xiàn)典型植被特征,反射率總體呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢。10月8日的 棉花處于收獲期,主要是裸露的棉花和干枯的枝葉,無綠色植被覆蓋,。在553nm (第6波段)處出現(xiàn)“綠峰特征” ,在673 nm(第19波段)處出現(xiàn)“紅谷特征”,而“紅邊特征”主要集中在723~733nm(第24波段到第25波段)之間?！熬G峰特征”主要是由于葉綠素對藍(lán)光和紅光的強(qiáng)吸 收引起的, 6月4日光譜反射最高,約為18%;8月7日的反射率最低,反射率值約為7%。在棉花生長的早期,棉花植株小、冠層小,無論是葉片的面積還是葉綠素的含量相對較小,對于光譜的吸收能力較弱,大量的地膜以及裸土,對棉花冠層光 譜反射率也產(chǎn)生了一定的影響。隨著棉花的不斷生長,葉綠素含量較早期明顯增加,在盛鈴期達(dá)到最大值,光合作用最為顯著,因此對于藍(lán)紅光的吸收較強(qiáng)。

“紅谷特征”主要是由于植物進(jìn)行光合作用時 對紅光的強(qiáng)吸收引起的,紅谷的深度直接表征植物的光合作用強(qiáng)弱。6月4日到8月27日之間光譜反射率也呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢,6月4日的光譜反射率最高,約為13%。8月7日的光譜反射率最低,約為3%。其主要原因仍是裸露的土壤 對棉花冠層的光譜反射率產(chǎn)生了一定的影響,使得6月4日的棉花冠層光譜反射率較高。隨著棉花的不斷生長,地面的植被覆蓋度大大增加,對紅光的吸收在盛鈴期達(dá)到最大?！凹t邊特征”主要集中在723~733nm(第24波段到第25波段)之間,在672~762nm(第19波段到第28波段)光譜范圍中有葉綠素強(qiáng)吸收的紅光波段和 強(qiáng)散射的近紅外波段。由圖2B一階微分反射率曲線可以看到,從6月4日開始,反射率曲線斜率不斷增大,在8月7日達(dá)到最大值后,增長速度放緩。棉花生長前期,葉綠素密度較小,紅邊斜率較小,紅邊位置靠短波方向。隨著生育期的推進(jìn),植株逐漸長大,冠層的葉綠素含量逐漸增加,紅邊斜率緩慢增加,紅邊的位置向近紅外波段移動。到棉花的鈴期,冠層的葉綠素也達(dá)到最大,葉綠素對紅光波段的吸收加寬、加深,此時紅邊斜率達(dá)到最大值,紅邊位置更靠近紅外波段。隨著物候期的推進(jìn),冠層下部葉片逐漸衰老、死亡,在吐絮階段,冠層葉綠素緩慢下降,致使紅邊斜率降低,紅邊的位置向短波方向移動,這與前人研究結(jié)果相一致。在752~903nm (第27波段到第42波段)之間,棉花的冠層光譜反射率 維持在一個固定的反射率區(qū)間,基本保持不變。

不同生長時期,近紅外波段反射率差異顯著,主要和生物量大小、棉花冠層葉片葉綠素含量、細(xì)胞結(jié) 構(gòu)以及冠層結(jié)構(gòu)改變密切相關(guān),有研究表明,植物在近紅外波段的反射率與葉片的層數(shù)有一定的關(guān)系,葉片的層數(shù)越多反射越高。與單片葉子相比,多片葉子能夠在光譜的近紅外波段產(chǎn)生更高的反射率,主要是因為輻射能量透過最上層的葉子后,將被第二層的葉子反射,結(jié)果在形式上增強(qiáng)了第一 層葉子的反射能量。與此同時細(xì)胞的含水量也有一定的影響,隨著含水量 的增加,在近紅外波段,棉花冠層光譜反射率呈上升趨勢。因此不同生育期棉花冠層光譜反射率在近紅外波段顯現(xiàn)一定差異性,符合實際情況。通過對不同生長周期,相同波段區(qū)間的光譜特征表現(xiàn)的一致分析基本相同,說明了無人機(jī)載高光譜棉花數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 棉花冠層光譜反射率對比

通過對采集的3期反射率光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,發(fā)現(xiàn)在波長503~850nm范圍內(nèi),對同種地物2種儀器有著相同反射光譜特征,反射率曲線具有良好的一致性,且棉花的光譜特征值也無顯著差異;表明在此波段范圍所獲取高光 譜影像中包含的地物光譜信息是準(zhǔn)確可靠的;而在862~903nm(第38波段到第42波段)之間,植物的光譜反射率出現(xiàn)明顯下降,與地面采集光譜數(shù)據(jù)差異較大。造成這種現(xiàn)象原因可能為以下3點(diǎn):

(1)地物光譜曲線波動明顯,這是由于傳感器在探測范圍邊界噪聲增大;

( 2) 2種數(shù)據(jù)的太陽-目標(biāo)-傳感器的幾何位置差異造成二向性分布函數(shù) 影像;

(3)傳感器的通道響應(yīng)函數(shù)造成的這種影響。

通過二者數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),棉花冠層光譜反射率曲線變化趨勢基本一致,進(jìn)一步驗證了無人機(jī)載高光譜棉花數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.3 討論與結(jié)論

本數(shù)據(jù)集為機(jī)載高光譜棉花的正射影像數(shù)據(jù), 較其他類型遙感數(shù)據(jù)相比,有以下特點(diǎn): 空間與光譜分辨率高。本數(shù)據(jù)集為無人機(jī)遙感數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的空間分辨率較高,空間分辨率達(dá)6. 2cm;光譜信息豐富( 42個波段成像, 平均波寬10nm) ,較常見的可見光遙感數(shù)據(jù)相比,窄波段成像能更好的反應(yīng)地物的光譜特征,有利于表現(xiàn)地物之間細(xì)微差別。長周期觀測。本數(shù)據(jù)集由7個典型生育期的棉花高光譜數(shù)據(jù)組成,數(shù)據(jù)的時序性強(qiáng),能夠提供不同生育期的棉花光譜特征,此外,數(shù)據(jù)觀測對象為新疆塔城地區(qū)的機(jī)采棉花 ,該品種在新疆地區(qū)具有一定的代表性。

通過對比分析2種不同儀器采集的相同地物的光譜數(shù)據(jù),驗證了無人機(jī)載高光譜棉花數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。通過對不同生育期,相同波段區(qū)間內(nèi)的光譜特征表現(xiàn)的一致性分析,說明了數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)集反映了棉花不同生長周期的光譜特征變化規(guī)律,可為棉花的低空遙感精細(xì)監(jiān)測提供高質(zhì)量數(shù)據(jù),同時為作物高光譜(多光譜) 數(shù)據(jù)集的構(gòu)建提供參考。

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審核編輯 黃宇