引言

棉花作為我國極為重要的1種大田經濟作物, 其生產覆蓋全國 24個省( 直轄市、自治區) ,商品率在95%以上,在國民經濟中占有十分重要的地位。新疆因得天獨厚的氣候、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,實現棉花種植生產的精準管理,對促進新疆經濟發展具有重要意義。

隨著遙感對地觀測技術的不斷發展,遙感數據在諸多領域都得到了廣泛的應用,已經成為人們獲取地理環境及其變化信息的重要手段。高光譜作為遙感技術中的重要一環,以其光譜分辨率高、圖譜合一等獨特優勢,在植被參數反演、作物長勢監測、產量估計、品質監測以及病蟲害監測預測方面都得到了廣泛應用。

本文結合當前農業遙感領域高光譜數據集較為匱乏的研究現狀,利用無人機搭載高光譜成像儀對新疆塔城地區蘑菇湖村的棉花試驗田進行數據采集,同步利用地物光譜儀對地面數據進行相應的采集。經數據預處理得到的機載棉花正射影像, 聯合地面光譜數據使用典型光譜特征值及一階微分,對機載棉花高光譜數據的準確性與可靠性進行驗證,以期為棉花生長狀況狀態監測、機載高光譜圖 像質量研究、棉花光譜庫的構建、農作物高光譜或多光譜數據集的構建等多個應用方向提供參考和借鑒。

結資料與方法

2.1 研究區概況

山北麓中段,準噶爾盆地南緣,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、蒸發量大、氣候干燥、晝夜溫差大等特點,年平均氣溫約 為 6. 6 ℃ ,年降水量140~350mm,年蒸發量為1 500~2000 mm, 為寒旱種植區, 全年太陽實照時數為2835h左右,無霜期約為180d。研究區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 數據處理

機載棉花高光譜數據分別于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 個時間段運用無人機高光譜及地物光譜儀采集。

圖 1不同生育期棉花高光譜數據

結果與分析

3.1 機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可以發現,6月4日到8月27日之間,棉花冠層光譜反射曲線呈現典型植被特征,反射率總體呈現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“綠峰特征” ,在673 nm(第19波段)處出現“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光和紅光的強吸 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,在盛鈴期達到最大值,光合作用最為顯著,因此對于藍紅光的吸收較強。

“紅谷特征”主要是由于植物進行光合作用時 對紅光的強吸收引起的,紅谷的深度直接表征植物的光合作用強弱。6月4日到8月27日之間光譜反射率也呈現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到最大。“紅邊特征”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吸收的紅光波段和 強散射的近紅外波段。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,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,此時紅邊斜率達到最大值,紅邊位置更靠近紅外波段。隨著物候期的推進,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、細胞結 構以及冠層結構改變密切相關,有研究表明,植物在近紅外波段的反射率與葉片的層數有一定的關系,葉片的層數越多反射越高。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,結果在形式上增強了第一 層葉子的反射能量。與此同時細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,相同波段區間的光譜特征表現的一致分析基本相同,說明了無人機載高光譜棉花數據的準確性和可靠性。

3.2 棉花冠層光譜反射率對比

通過對采集的3期反射率光譜數據進行比對,發現在波長503~850nm范圍內,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明顯下降,與地面采集光譜數據差異較大。造成這種現象原因可能為以下3點:

(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種數據的太陽-目標-傳感器的幾何位置差異造成二向性分布函數 影像;

(3)傳感器的通道響應函數造成的這種影響。

通過二者數據對比發現,棉花冠層光譜反射率曲線變化趨勢基本一致,進一步驗證了無人機載高光譜棉花數據的準確性和可靠性。

3.3 討論與結論

本數據集為機載高光譜棉花的正射影像數據, 較其他類型遙感數據相比,有以下特點: 空間與光譜分辨率高。本數據集為無人機遙感數據,數據的空間分辨率較高,空間分辨率達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據相比,窄波段成像能更好的反應地物的光譜特征,有利于表現地物之間細微差別。長周期觀測。本數據集由7個典型生育期的棉花高光譜數據組成,數據的時序性強,能夠提供不同生育期的棉花光譜特征,此外,數據觀測對象為新疆塔城地區的機采棉花 ,該品種在新疆地區具有一定的代表性。

通過對比分析2種不同儀器采集的相同地物的光譜數據,驗證了無人機載高光譜棉花數據的可靠性和準確性。通過對不同生育期,相同波段區間內的光譜特征表現的一致性分析,說明了數據的可靠性和準確性。數據集反映了棉花不同生長周期的光譜特征變化規律,可為棉花的低空遙感精細監測提供高質量數據,同時為作物高光譜(多光譜) 數據集的構建提供參考。

推薦：

無人機高光譜成像系統iSpecHyper-VM100

一款基于小型多旋翼無人機高光譜成像系統，該系統由高光譜成像相機、穩定云臺、機載控制與數據采集模塊、機載供電模塊等部分組成。無人機機載高光譜成像系統通過獨特的內置式或外部掃描和穩定控制，有效地解決了在微型無人機搭載推掃式高光譜照相機時，由于振動引起的圖像質量較差的問題，并具備較高的光譜分辨率和良好的成像性能。

審核編輯 黃宇