杨淑婷，张学俭，李 季，海云瑞

(1 宁夏农林科学院农业经济与信息技术研究所，银川 750002； 2 北京师范大学地理科学学部，北京 100875)

近年来，农业遥感技术快速发展，在农田信息监测、作物种植面积获取、农业灾害监测、作物品种辨别、长势和产量估测等方面发挥了重要作用[1～4]。玉米是我国三大主要粮食作物之一，目前，许多学者利用高光谱技术对玉米的生理、生态及化学性状进行了大量的研究。如：陈国庆等分析了在不同氮肥处理下的普通玉米与超高产夏玉米的冠层高光谱特性[5]；刘冰峰、金梁等对玉米叶片全氮含量与原始光谱反射率、光谱反射率一阶微分以及部分高光谱特征参数进行回归拟合，构建了玉米氮素高光谱遥感估算模型[6，7]；Ceccato等利用绿边、红边叶绿素指数和光谱反射率比值实现了玉米产量预测[8]；吴长山等通过对玉米和水稻反射光谱数据进行倒数光谱分析和“红边”位置分析，提出可以利用群体植被的反射光谱估算叶绿素密度[9]。

连续统去除法由Clark等提出，定义为逐点直线连接随波长变化的吸收或反射凸出的峰点，并使折线在峰值点上的外角大于 180°，又称为包络线去除[10]。该方法是一种分析矿物高光谱数据处理的常用方法，可有效突出反射率光谱的吸收和反射特征，并将光谱反射率归一化到0～1之间，有利于区分与其他的光谱曲线特征，从而提取出敏感波段[11]。近年来，部分学者将应用在矿物高光谱分析的连续统去除法延伸到作物光谱特征研究中。杨可明等利用连续统去除法去除冠层吸收特征的光谱特征来区分作物的成分[12]。安如等利用连续统去除法对草地植被光谱反射曲线进行处理，提取典型草地植被光谱特征，准确识别藏蒿草和小蒿草优势种，取得了较好的效果[13]。研究结果表明，连续统去除法可以有效去除光谱噪声，凸显地物光谱特异性，因此，选用连续统去除法进行玉米光谱特征分析具有一定的理论依据。

目前，不同玉米品种在不同生育期的光谱研究少见报道。笔者在玉米关键生育期的吐丝期(7月12日)和灌浆期(7月30日)测定玉米冠层光谱反射率数据，利用连续统去除法对绿峰、红谷、近红外波段范围进行光谱分析，提取玉米冠层反射光谱特征参数(包括吸收峰总面积、最大吸收深度、对称度、左面积、右面积、面积归一化最大吸收深度)，利用提取的特征参数构建光谱差异性指数，对不同品种玉米的光谱差异性进行定量分析，旨在为农作物营养诊断、产量估算等研究提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于宁夏回族自治区吴忠市同心县丁塘镇何草沟村扬黄灌区玉米绿色增产增效试验示范区(105°50′18″E，37°3′16″N)。该地海拔高度1344 m，属典型的温带大陆性气候，四季分明，降水少且集中，日照充足，昼夜温差大，年均降水量270～320 mm，玉米生育期内平均温度在19℃以上，日照时数可达1600 h左右[14，15]。试验地土壤为沙壤土，肥力均匀，灌排方便，pH 8.36，有机质6.0 g/kg，有效磷4.3 mg/kg，速效钾340 mg/kg，全氮0.44 g/kg。试验材料采用相同的田间管理措施。

1.2 试验材料

玉米品种为KWS9384、迪卡517(DK517)和富友968(FY968)。

1.3 试验设计

2018年5月14日播种，采用春玉米单种方式，随机区组排列，每品种种植20～24行，行长7.0 m，株距0.22 m，行距0.5 m，密度8株/m2。试验田适时中耕、除草、防治病虫害，并根据降水与玉米生长情况，分别于5～8月灌水，在9月下旬适期收获。

1.4 数据获取与处理

利用美国ASD便携式地物波谱仪FieldSpec 4，分别于7月12日(吐丝期)、7月30日(灌浆初期)采集玉米的冠层反射光谱，波段测量范围为350～2500 nm，350～1000 nm波段范围内的分辨率为3 nm，1000～2500 nm波段范围内的分辨率为10 nm，采样间隔约为1 nm。光谱采集时间为10∶30～14∶30。每个小区选取有代表性的观测点5个，重复测定2次，取其平均值作为该小区光谱反射值。测量过程中，光谱仪探头垂直向下观测，每测完一个小区，均进行参考版校正。

采用Savitzky-Golay(S-G)滤波法进行滤波去噪处理，采用python编程语言实现。

1.5 光谱数据连续统处理

对经过S-G滤波处理后的光谱反射率数据利用ENVI5.5软件进行连续统去除光谱信息提取。计算公式：

Scr=R/Rc

(1)

式中：Scr—连续统去除光谱反射率，值域为[0，1]，其大小表征了光谱细微特性的强弱；R—原始光谱反射率；Rc—连续统包络线反射率。

玉米冠层反射率光谱经连续统去除后提取如下特征参数：1)吸收峰总面积A：起始和终止波长内的波段深度的积分；2)最大吸收深度Dh：吸收峰的最大吸收值；3)对称度S：吸收峰左面积和右面积的比值；4)左面积A1：总面积中最大吸收深度以左的面积；5)右面积A2：总面积中最大吸收深度以右的面积；6)面积归一化最大吸收深度：最大吸收深度与吸收峰总面积的比值。

1.6 光谱特征差异性指数

玉米光谱反射率差异性指数，即测量相同时间内不同品种玉米的发射率。计算公式：

(2)

式 中：DLiy为不同玉米品种在波长为i时的光谱数据差异性指数；Rix和Riy分别为不同玉米品种在波长为i时的光谱反射率值。x，y分别代表不同玉米品种，在本文中分别指KWS9384、迪卡517、富友968。

2 结果与分析

2.1 玉米关键生育期光谱分析

2.1.1 S-G滤波光谱与连续统去除光谱特征分析

在吐丝期，3个品种的光谱在690～1000 nm处差异较为明显。在绿色波峰(535 nm)附近，FY968光谱反射率略低于DK517及KWS9384。在灌浆初期，光谱反射率逐渐减小，在760～980 nm处，FY968与KWS9384、DK517差异明显(图1)。在770 nm附近，冠层光谱反射率达到第一个峰值，在蓝光470 nm 和红光650 nm形成的2个吸收谷形成“双谷”结构，在绿光(540 nm)处形成绿峰(图2)。

2.1.2 S-G滤波光谱与连续统去除光谱差异性指数分析

利用式(2)计算不同玉米品种冠层光谱反射率差异性指数(表1、表2)。结果显示：1)滤波光谱反射率差异性指数值最高出现在7月12日波长658 nm处，最大值0.8461。根据3个品种滤波光谱差异值可以看出，DK517与KWS9384和FY968在7月12日差异显著；KWS9384与DK517和FY968在7月30日差异显著。2)连续统去除光谱反射率差异性指数值最高出现在7月30日波长658 nm处，最大值0.4772，在近红外区764 nm处差异不明显。由表1和表2可以看出：滤波光谱和连续统去除光谱反射率差异性最大的波长位置均处于658 nm处。因此，本文重点探讨530～780 nm叶绿素吸收谷的吸收特性，分析不同品种连续统去除光谱差异性。

图1 不同品种玉米S-G光谱曲线

图2 不同品种玉米连续统去除光谱曲线

表1 不同玉米品种滤波反射率差异性指数

表2 不同玉米品种连续统去除反射率差异性指数

2.2 连续统去除法光谱特征参数分析

在530～780 nm波段范围内，对连续统去除光谱反射率提取特征参数(表3)，结果显示：吸收峰总面积、左面积和右面积，同一玉米品种在不同生育期差异明显，其中，KWS9384和DK517特征指数随生育期递增而增大，在同一生育期内不同品种光谱差异较为明显，表现为KWS9384>DK517>FY968；对于最大吸收深度值，各品种在同一生育期差异也较为明显，在7月12日，DK517最大吸收深度值最大，具体表现为DK517>FY968>KWS9384，在7月30日，FY968最大吸收深度值最大，具体表现为FY968>DK517>KWS9384；对于对称度值，不同玉米品种在同一生育期也有较大差异，同一品种在不同生育期随时间递增而增大；对于面积归一化最大吸收深度值，特征最大值仅为0.088，同一玉米品种在不同生育期和不同玉米品种在相同生育期差异性较小。

表3 不同玉米品种连续统去除光谱特征参数

2.3 连续统去除光谱特征参数差异性指数分析

利用式(2)计算光谱特征差异性指数，结果显示(表4)：1)在吐丝期(7月12日)，KWS9384和FY968总面积差异性指数、左面积差异性指数、面积归一化最大吸收深度差异性指数值最大，分别为0.2529、0.3238、0.3706；2)在灌浆期(7月30日)，KWS9384和FY968总面积差异性指数值、左面积差异性指数、右面积差异性指数值、面积归一化最大吸收深度差异性指数均较大，分别为0.3965、0.3331、0.4080、0.7649。在不同生育期的吸收深度差异性指数值均比较小，最大值仅为0.06。除吸收深度差异性指数及右面积差异性指数外，其他4个差异性指数均可以反应不同品种玉米冠层光谱差异性。

表4 不同玉米品种连续统去除特征参数差异性指数

3 结论与讨论

本文选取KWS9384、迪卡517和富友968等3个玉米品种在玉米关键生育期吐丝期(7月12日)和灌浆期(7月30)，测定冠层光谱，利用Savizky-Golay平滑滤波法对不同玉米品种350～1300 nm冠层反射率光谱进行平滑处理，对经过S-G滤波处理后的不同品种玉米反射率光谱数据进行连续统去除光谱信息提取。在此基础上，建立玉米滤波光谱反射率差异性指数和连续统去除光谱特征差异性指数，分析玉米品种 KWS9384、迪卡519和富友968的光谱差异性，得出如下结论：

(1)建立的玉米高光谱反射率差异性指数和连续统去除差异性指数，可以实现不同玉米品种冠层光谱反射率定量化描述。

(2)玉米反射率差异性指数能够反应不同玉米品种光谱差异性，滤波光谱和连续统去除光谱反射率差异性最大的波长位置均处于红波段658 nm处，最大值分别为0.8461和0.4772，在近红外区764 nm处差异不明显。

(3)吐丝期面积差异性指数、左面积差异性指数、面积归一化最大吸收深度差异性指数值较大；灌浆期总面积差异性指数值、左面积差异性指数、右面积差异性指数值、面积归一化最大吸收深度差异性指数均较大；吐丝期和灌浆期吸收深度差异性指数值均比较小。因此，除吸收深度差异性指数及右面积差异性指数外，其他4个差异性指数均可以反应不同品种玉米冠层光谱差异性。

目前，农业高光谱遥感技术在农作物生理生化参数反演、农情监测等方面研究取得了丰硕成果，但是已有研究多是基于各种参量间的统计回归进行分析，对作物光谱机理研究较少。本文开展玉米吐丝期和灌浆期不同品种冠层光谱特征研究具有一定局限性，未来还需研究玉米全生长周期内各阶段冠层光谱反射率差异性，以揭示玉米生长全过程冠层光谱变化特征及机理，为玉米精准识别、营养诊断等提供技术支撑，推动高光谱遥感在农业生产中的应用[16，17]。