苹果花期冠层高光谱特征及营养元素含量分析

    通过对苹果花期冠层高光谱特征及营养元素含量分析,结果表明,当苹果花氮、磷、钾含量分别为(43.96±2.20)、(6.46±0.23)、(2.95±1.05)g/kg,苹果株产达到最大值;低于最小值41.76、6.14、19.90 g/kg时,苹果株产随氮、磷、钾的含量增加而增加;高于最大值46.16、6.78、22.00 g/kg时,苹果株产随着氮、磷、钾含量的增加而降低。 
  关键词 苹果;花期;高光谱特征分析;营养元素;含量 
  中图分类号 S661 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2013)19-0084-01 
  在遥感技术的发展中,高光谱技术是其重的发展方向之一,而想实现高光谱技术的应用,对光谱特征的研究就显得非常重,这一研究在一些植被遥感的研究和应用中发挥着重的作用1-2。在苹果的栽培过程中,花期是其最重的阶段,对其产量和苹果的质量有着非常重的影响。对苹果花期的高光谱特征进行分析,可以为苹果冠层信息提取、长势监测、营养诊断等相关问题的研究提供可靠的理论依据3-4。 
  1 苹果花期冠层高光谱特征分析 
  利用对不同样本容量的累加,从而获得稳定的苹果花期冠层高光谱曲线,然后对其高光谱特征进行研究。利用方差分析法,对苹果有花和无花冠层的不同波段的光谱反射率进行分析,对其中可以反映花量多少的敏感波段进行有效地筛选,最后利用对比分析的方法,对不同花期、树龄、品种的光谱曲线差异进行分析,从而得到其对光谱特征的影响。 
  1.1 不同累计样本容量对苹果花期冠层高光谱特征的影响 
  将作为样本的120株苹果的花期冠层光谱数据随机分为4组A(1~30)、B(1~60)、C(1~90)、D(1~120),然后利用以下公式进行计算 
  ■=■■Ri 
  其中,■表示n个样本的平均反射率,n表示样本的累积个数,Ri表示第i个光谱反射率,然后对各组数据进行平均值R的求解,最终得到不同累积样本容量条件下,苹果花期冠层高光谱R随着波长变化的相应曲线。从这一曲线可以看出,不同样本容量的R随波长变化而得到的光谱曲线形状及变化趋势非常相近。随着累积样本容量的不断增加,相应的光谱曲线逐渐朝着中间靠拢,说明随着样品容量的增加,光谱曲线的变化越来越稳定,而且整个光谱曲线变得越来越平滑。为了更进一步地研究光谱曲线间的定量关系,可以充分利用各种分析方法,对上述4组光谱曲线在350~2 500 nm间的反射率进行相应的分析,通过计算可以得到相应的系数矩阵ρ。从ρ中可以发现其相关系数全部在0.989以上,这表明不同累积样本容量的光谱曲线彼此之间存在非常高的相似性。 
  1.2 不同花量对苹果花期冠层高光谱特征的差异性 
  苹果花期的冠层高光谱与其他植物的明显区别是花量的多少。在进行苹果冠层反射光谱的测定时,利用相机对苹果树进行拍照,利用Photoshop软件对照片进行必的处理,然后利用Erdas遥感图像处理软件对处理后的照片进行监督分类,最终对苹果树的花、叶面积进行相应的统计,得到相应的花叶比。根据花叶比的具体数值可以将120株样本分为3类花叶比小于0.2的为a类,其花量较少;花叶比在0.2~0.3的为b类,其花量处于中等水平;花叶比大于0.3的为c类,其花量最大。 
  在可见光波段中,绿峰处的反射率随着花量的增加而减少,而在红峰处,反射率随着花量的增加而逐渐变大,在近红外波段,反射率随着花量的增加而逐渐减少,在短波红外波段,反射率光谱曲线出现了一定的交叉,此时不同样品容量的光谱曲线差异并不是十分明显。 
  1.3 不同花量苹果花期量层高光谱的红边特征 
  红边指的是从680~760 nm的红光区外叶绿素吸收减少部位到近红外高反射区之间的范围,在范围内植物的光谱会出现相应的突然增加,这也是植物所特有的一种光谱特征,这一区域包含着大量的植被信息。一般用来对红边进行描述的主参数有红边位置λr、红边斜率Dr以及红边面积Sr。 
  在680~760 nm这一阶段的光谱曲线中,反射率随着波长的增加快速的增长,在700 nm处出现了1个峰值,然后逐渐变小,在700~720 nm的范围内出现了一个相对平缓的下降趋势,在720 nm后出现快速的下降。随着苹果树花量的增加,红边位置λr、红边斜率Dr及红边面积Sr都出现了逐渐减小的趋势,但是红边位置在699~702 nm的范围内变化较小,但是红边斜率Dr及红边面积Sr的变化却非常大。造成这种现象的主原因是随着花量的增加,苹果树色素含量出现相对减小的缘故5-6。 
  2 苹果花期冠层营养元素含量分析 
  研究表明,当苹果花氮、磷、钾含量分别为(43.96±2.20)、(6.46±0.32)、(20.95±1.05)g/kg时,苹果株产达到最大值;低于最小值41.76、6.14、19.90 g/kg时,苹果株产随着氮、磷、钾素含量的增加而增加;高于最大值46.16、6.78、22.00 g/kg时,苹果株产随着氮、磷、钾素含量的增加而降低。 
  3 结语 
  针对苹果花期,探讨了苹果花期冠层高光谱探测的规范化方法、苹果花与冠层的高光谱特征,建立了基于苹果花与冠层高光谱特征的氮、磷、钾估测模型。但是全面摸清苹果树的高光谱特征,还需对苹果的整个生长期进行深入研究。 
  4 参考文献 
  1 张金恒.基于鲜叶光谱估测氮素营养的新植被指数J.农业工程学报,2008,24(3)158-161. 
  2 张喜杰.基于反射光谱的温室黄瓜叶片磷素含量分析与预测J.光谱学光谱分析,2008,28(10)10-14. 
  3 朱西存,赵庚星,雷彤,等.苹果花期的冠层高光谱特征研究J.光谱学与光谱分析,2009(10)2708-2712. 
  4 朱西存,姜远茂,赵庚星,等.基于模糊识别的苹果花期冠层钾素含量高光谱估测J.光谱学与光谱分析,2013(4)1023-1027. 
  5 王凌,赵庚星,朱西存,等.苹果盛果期冠层高光谱与其组分特征的定量模型研究J.光谱学与光谱分析,2010,30(10)2719-2723. 
  6 潘蓓,赵庚星,朱西存,等.基于高光谱的苹果树冠层磷素状况估测模型研究J.红外,2012,33(6)27-31.