论文总字数：16140字

目 录

摘要 Ⅱ

1 引 言 1

2 材料与方法 2

2.1 田间试验观测 2

2.2 光谱设备选择 2

2.3 多角度冠层光谱数据的选择 3

2.4 作物冠层光谱反射率的计算 4

2.5 植被指数的计算 4

3 结果与分析 5

3.1 晴天与阴天冠层反射光谱对比分析 5

3.2 多角度反射光谱的对比分析 6

3.2.1 同一生育期内多角度反射光谱的比较 6

3.2.2 不同生育期在相同观测条件下反射光谱的比较 8

3.3 多角度植被指数NDVI与EVI的对比分析 9

3.4 NDVI与EVI的相关性分析 10

3.4.1 同一观测角度下NDVI与EVI的相关性分析 10

3.4.2 不同观测角度下NDVI与EVI的相关性分析 11

3.5 多角度光化学植被指数PRI的对比分析 12

4 结论 13

参考文献 14

致谢 16

多角度水稻冠层反射光谱的比较研究

林子静

,China

Abstract: In order to improve the precision and sensitivity of agricultural remote sensing, it is necessary to study the characteristics of hyperspectral two directional reflectance of vegetation canopy. Using the automatic ground remote sensing platform designed in this paper, we can realize the continuous observation of crops, so as to obtain enough multi angle hyperspectral remote sensing data, so we can analyze the influence of various factors on rice canopy spectral reflectance, vegetation index and comparative analysis. In this paper, using the multi angle remote sensing data and crop growth status were analyzed, draw the following conclusions: (1) the weather conditions affect the canopy spectral reflectance increases, the reflectance increased with solar radiation, the law on a cloudy day is not very obvious; (2) reflectance spectra simultaneously by the observation angle, can use "hot spot effect" interpretation; (3) with similar spectral reflectance, vegetation index change under different viewing angles, was significantly related to NDVI and EVI, the coefficient of determination R2gt;0.8; (4) with the increase of zenith angle, PRI has a rising trend, considering its relationship with plant photosynthesis, plants can be thought of as the midday depression of photosynthesis when the PRI value is relatively reduced.

Keywords: Crops; spectral analysis; NDVI; EVI; PRI; rice;

引 言

就像大自然里存在的其他物体一样，农田作物也在每时每刻都向外发射各种不同波长的电磁波，同时对人工和太阳辐射等自然界存在的各种辐射进行吸收和反射^[1]。近几年来，随着遥感技术的日益发展以及对农作物电磁波发射和反射光谱特性研究的逐渐深入，对于农作物光谱特征的研究已经成为遥感波谱领域不可或缺的重要内容。

植物遥感技术已经成为观测植物的强有力手段之一，研究表明，当作物对近红外反射越高而对蓝紫光和红光反射越低时，它的生长发育的速度就越快；而中红外和热红外反射与作物含水量呈负相关，遥感监测就是以这些作物光谱特征为基础展开的。

植被光谱遥感技术即利用卫星对农作物生长状态进行监测，农业遥感正在发展一种非接触式的测定方法，如通过分析作物叶片和冠层的光谱反射特性^{[ 2 ]}，可以研究在不同环境条件下快速、无损伤地研究各种植物的生理特性，同时，光谱分析也可用于检测水环境等各种因素对植物生长的影响。

与传统的遥感光谱相对比，高光谱遥感波谱范围从400-2500nm，单个波段可达1纳米。如今高光谱遥感已经成为植被遥感中研究最多的一种，现阶段也是应用最广泛的技术之一，是植被遥感观测的有效工具^[3]，高光谱遥感的优点在于它可以在特定光 谱区域用高分辨率的方式获取地物 连续的光谱影像。同时还可以利用高光谱数据获取更加精确的光谱信息。

在农业领域，为了实现精细农业的目标，高光谱遥感提供了大量农田时空变化信息。例如，可以利用高光谱遥感定量分析植物冠层的化学成分、土壤的有机物含量、水分含量、或者土壤颗粒大小等信息。高光谱遥感还能有效监测由不同原因引起的植物生理功能的变化，快速识别有害外来物种的入侵，实现对植物的营养状态和大规模病虫害以及土壤污染程度等的及时监测。此外，还可以利用高光谱数据更加精细和准确的对植物进行识别和分类 ^[4-6]

基于植被的光谱特性，已经有学者研究了不同条件下作物冠层光谱的特征，以及不同生理生态条件对光谱曲线的影响^[7-10]。由于处在生长发育的不同阶段，作物的光谱特性也表现出不同的特征 ^[11-12]。除了植物自身的生理生态状况，影响植物光谱曲线的因素还包括外部环境。因此，我们需要对植物的光谱特性及其相关因素进行更为系统的研究^{[ 13 ]}。

近年来，许多国内外专家学者利用不同的方法测定农田作物光谱信息，进而对作物生长发育进行检测和更深的研究。

通过张宏明^[1]对小麦田间的光谱测定可以看出，农田作物有它独特的反射光谱特征。即作物长势越好，它对可见光中的红光和蓝紫光反射就越低，同时对近红外反射越高；而中红外反射和热红外反射与作物含水量呈负相关。

杨峰^[14]等教授在稻麦两种作物的不同生育期利用高光谱遥感技术分析他们的冠层光谱和叶面积指数以及叶绿素密度等的变化，比较了高光谱植被指数以及两种作物的叶绿素密度和叶面积指数三者的关系，最终明确了可以估算两种作物的叶绿素密度和叶面积指数的最佳植被指数。

王珂^[15]进行盆栽试验以证明不同钾营养水平下水稻冠层光谱反射率之间差异显著，唐彦林^[16]等学者结合不同作物的生长发育规律，测量其冠层和叶片的色素含量和高光谱反射率，为遥感识别作物种类、检测作物长势和作物估产提供依据。

植被冠层反射率除了与植物自身生长状态有关，与太阳高度角，方位角和相对的观测方向有紧密联系。这方面的研究有，张雪红^[17]等学者利用各向异性指数和各向异性分子对冬小麦冠层NDVI的方向性特征和窄波段二象性反射率进行分析研究；郭建茂^[18]等使用了地面自动遥感平台连续观测冬小麦冠层，最终得到丰富的多角度高光谱遥感数据，通过分析各种不同因素对作物冠层反射光谱的影响，且进行植被指数NDVI与EVI之间的对比分析，得出了观测角度与太阳辐射强度对冬小麦冠层反射的影响；代辉^[19]等通过研究不同N营养水平下冬小麦冠层光谱的不同特性，最终发现了红边位移现象。

上个世纪八十年代通过对多种草地、农作物及森林冠层的BRDF的观测^[20-21],通过POLDER航空对大豆、裸土、棉花等作物的BRDF进行测量，最终发现了解释随观测角度不同冠层光谱反射率发生变化的镜面效应和“热点效应”等典型特征^[22]，借助PARABOLA航空对栎树的BRDF进行测量，比较了不同时期的太阳天顶角和观测天顶角发生变化时反射率的变化^[23]，采用POLDER对多种森林类型的BRDF进行航空测量，最终认为可以利用多角度信息可以实现提高遥感分类精度这一目标^[24]等。

目前遥感应用的研究大多采取垂直观测的现状，而缺乏对不同角度的观测研究，针对这一现状本文设计并开发了自动遥感平台，获取了丰富的全天候多角度水稻冠层高光谱遥感数据，针对水稻冠层高光谱数据的收集、订正和结果进行对比研究，并研究了不同角度下的植被指数NDVI和EVI并考察其相关性，最后就多角度光化学植被指数PRI在一天中的状况进行研究，并探讨其意义。

2 材料与方法

2.1 田间试验观测

试验田位于淮河中游的安徽省淮南市寿县国家气候观象台（32°26’144’’N，116°49’291’’E）,海拔高度为27m，试验场地占地20hm²，观测台站距离最近的村庄超过500m，周围皆为农田，地势平坦，附近生态环境良好，也没有高层建筑。试验区耕作制度以小麦轮作和单季水稻为主，基本可以反映我国华北平原农业生态的基本情况。

试验植被选择水稻，试验田里水稻生长状况良好，观测期间处于水稻生长的抽穗期至成熟期，作物完全覆盖地面。每天早上太阳高度角≥10°时开始观测，到太阳高度角≤10°时观测结束。观测仪器设置在试验田中央。

2.2 光谱设备选择

本文选择使用Jaz-Combo 2光 谱仪（Ocean Optics，USA）即野外光谱 在线观测系统对作物冠层光谱进行观测，不同于传统的光谱仪，该系统可以做到全天候野外观测自动测量和记录冠层反射光谱数据；能够在网上查看仪器运行状态，并且可以进行下载数据等操作。Jaz-Combo 2光谱仪可测光谱范围为350-800nm，光谱分辨率是1.5nm。光谱仪配备了两个观测探头，其中一个向上固定安装，与余弦接收器一起测量来自天空的辐射；另一个向下测量作物冠层反射，安装在PTU平台上。

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