高光譜遙感在監測植被生理參數的應用綜述

0引   言

傳統的獲取植物生理參數方法是在實驗室進行生理生化實驗，但是這種傳統方法時間長，效率低，成本高，因此如 何及時、快速、高效并且可靠地獲取植物生理參數已成為當前面臨的重要問題。高光譜遙感技術具有非接觸、對植物不造成傷害、操作 簡單、時間成本低等優點可以獲取植被光譜特征信息，因此該項技術的應用相比傳統方法能夠發揮更大的優勢。葉片中的氮素、水等含量不僅會影響植物的生長，也能 夠影響光譜對植物葉片的反射率。因此，探究是否可以用光 譜反射率來反映葉片中氮素、水的含量，如何高效、快速、 實時提取植物生理參數，進而利用高光譜遙感技術檢測植物 生長發育、保證植物產量具有重要意義。

1 高光譜遙感簡介

高光譜分辨率遙感技術是近幾十年來出現和發展的對地觀測的新技術，也是當前和未來對人類社會進步具有重大意 義的前沿技術。由于其具有光譜分辨率高、數據豐富等獨特 性能，因而在環境保護、地質找礦、植物生長監測等許多方 面有著廣泛的應用。經過20世紀80年代和90年代的發展，在 國際層面上已經有了較多的高光譜成像系統，尤其是在航空 系統中，已經有了航空系統運作的成功經驗，現在正往航天領域應用。美國、加拿大、澳大利亞因資金、人才、技術等方面的優勢，在航空、航天領域取得了較高的成就。除此之 外，高光譜遙感技術在資源、環境、農業、災害防治、水利、 林業、礦產開采等領域也越來越受到歡迎。由于技術、資金、 人才的限制，我國1980年代才開始發展高光譜遙感技術，隨 著我國經濟、技術和教育的發展，高光譜遙感的應用正在進入快車道。相信隨著技術的積累，必將實現更大的發展。高光譜分辨率遙感技術具有光譜分辨率高、提取的數據信息豐富等特點，在地物識別、管道泄漏信息的檢測、海洋信息監測等方面有著廣泛的應用。

2 監測植被生理參數

2.1 氮素的測定

氮素是植物生長所需的蛋白質、核酸、葉綠素及酶等其 他必不可少的營養元素的構成成分，它是能夠直接影響作物的生長發育、保證植物品質和產量的重要生理生化參數。 氮素是對植物施肥過程中最難以掌握的肥料，施肥過量既增加成本，又破壞環境，因此探究如何精確定量地施加氮肥對植物生長和環境保護都有重要的意義。 借助萊森WNIR便攜式地物光譜儀，采集棉花冠層高光譜數據，應用一階微分光譜模型，反衍出基于光譜位置變量的分析方法，以紅邊積分面積(SDr)和冠層全氮(TN)含量為變量進行相關性分析。結果表明：紅邊積分面積變量與冠層TN含量呈顯著的相關性，相關系數是0.7394(n=40)，反演模型可以較為精確地估測棉花兩個品種新陸早6號與8號冠層葉片的全氮含量，均方差(RMSE)分別為0.3859和0.4272。此項實驗證明高光譜技術能夠應用于棉花的參數預測上。沈掌泉等在前人研究的基礎上，利用作物缺氮時下部葉片氮素向上部葉片轉運的植物營養原理，率先提出利用上下部葉片光譜特性比值來診斷作物氮素營養的方法。結果表明，兩個葉色差異較大品種的上下部葉片葉綠素計讀數的比值，在水稻施肥適量時接近1，施肥不足時小于1，施肥過量時大于1。施肥越少比值越小，但施肥過量比值越大的趨勢不明顯。但是，通過上下部葉片葉綠素計讀數比值的方法，建立適合不同品種、不同生育期等不同生長條件的診斷標準是可能的，值得進一步深入研究。馬亞琴等在不同灌水量條件下，利用地物光譜儀對棉花進行高光譜掃描，獲取光譜反射特征，接著對棉花單葉葉綠素含量和單葉全氮含量做相關性分析，建立一階微分光譜模型，反衍出基于光譜位置變量的分析方法，以紅邊積分 面積(SDr)和冠層全氮(TN)含量變量，做相關性分析。結果表明：葉綠素含量與TN含量呈顯著的正相關(R=0.8723**，n=39)，葉綠素含量能高效的估計棉花單葉中TN含量。田永超等根據多年不同施氮水平和不同水稻品種的對比實驗，獲取冠層高光譜數據，系統分析了水稻的紅邊區域光譜、面積形狀特征及其與葉層氮濃度的定量關系。結果表明，水稻冠層紅邊區域微分光譜隨不同氮素水平變化出現“三峰”現象， 峰值分別出現在700nm、720nm和730nm附近，且3個波段的峰值高低發生交替變化。同時，以3個峰值波段為中心與x坐標軸組成的微分光譜面積和形狀相應發生變化，發現基于任意兩個峰值波段獲得的紅邊子面積所構成的比值(雙峰對稱度)、歸一化差值(歸一化對稱度)參數與葉層氮濃度具有密切的定量關系，可應用紅邊面積形狀作為估測水稻葉層氮濃度的參數。由以上結果可知，利用高光譜的反射特征以及建立的相關的反射特征參數能夠作為預測植物氮含量的參數。

2.2 水含量

葉片水含量是植物生理生化參數中一個非常重要的參數， 含水量的多少能夠影響植物對其他營養元素的吸收和利用、 營養的植物光合作用，進而影響植物的生長和發育，從而影響作物的產量。因此，如何對缺水植物或者含水量過多的植 物進行水的調節、應用高光譜技術檢測植物的水含量，對植 物的生長發育具有重要的作用。

方美紅等采用小波分析方法，驗證葉片含水量對光譜反射率的影響特征，bior1.5小波函數在尺度為200nm、波段位置為1405nm和1488nm的小波系數具有用來反演葉片含水量的能力。基于以上研究，建立了葉片含水量與葉片反射率光譜 bior1.5 小波系數的反演模型。模型精度驗證結果表明，反演模型不僅比傳統反演模型有更高的反演精度，而且模型對其他植物更是具有更高的普遍適用性。

王紀華等采用高光譜技術探索了小麥光譜反射特征近紅外(NIR)波段與葉片含水量之間的關系。研究結果表明：該波段在大氣窗口之內受大氣層水的干擾較小，1165~1185Lm間的特征光譜反射率與小麥葉片的含水量呈顯著的負相關。根據數據建立了小麥葉片含水量與吸收深度、吸收面積之間的線性關系和線性回歸表達式，也就是建立了一種反演模型， 其模型驗證精度達到滿意的程度，表明可以利用光譜反射率來預測小麥葉片的水含量的方法。

3 結  論

與以往傳統的提取植物生理生化參數的方法相比，高光 譜遙感技術具有其獨特的優勢，能夠實現快速、高效且可靠 的獲取植物生理參數；與傳統的多光譜遙感或寬波段遙感相 比，高光譜遙感不僅能真實全面地反映各類植被的光譜特征及相關的差異，而且還能定性地描述植物生理生化參數的狀 況，定量地預測植物生理生化參數的含量，對預測植物生長 發育和保證植物產量具有重要意義。因此，可以應用高光譜 遙感技術對植物的生長狀況和產量進行實時的監測和評估。

3.1 強化施工技術管理

俗話說，沒有規矩不成方圓。對于煤礦井巷工程管理而言，要充分發揮快速掘進技術的價值作用，企業及相關管理 人員必須根據實際情況及組織結構建立科學合理、切實可行的規章制度，并且創設專門的管理部門對整個工程流程進行監督管理，規范并約束施工人員，使整個過程更為流暢快捷。與此同時，在具體的快速掘進技術使用過程中，企業還應當注重人員的合理配置，選擇最符合現場施工環境的技術及標 準規范，這樣才能發揮出快速掘進技術的價值，推動整體工作的有序開展。

一方面，當煤礦井巷工程遇到巷道兩端被破壞時，技術人員可以及時采用支護方式進行有效的控制，減輕巷道內部的整體壓力，提高工作進度；另一方面，在實踐工作過程中，為了確保安全性和規范性，要求技術人員必須在具體的工作面上放置支護頂板，通過這樣的方式實現二次支護，有效避 免安全事故的發生。

3.2 積極運用光爆錨噴支護新興技術手段

光爆錨噴支護技術是近年來興起的一種新型技術手段， 從本質上來講，該手段提高了工作效率，使整個工程更為順暢，提高成品質量，使整個煤面光潔平整，也避免了掘進過度或不足等現象的發生。與此同時，現場施工人員及負責人還應當深入分析井巷的實際特征及情況，設置相應的支護參數。

4 結束語

綜上所述，為了切實提高快速掘進技術的效率、質量，技術人員及管理人員必須完善并優化井巷的運輸管理系統， 強化施工技術的管理效率，積極運用光爆錨噴支護新型技術手段。