主動(dòng)遙感光譜儀在滴灌棉花上的應(yīng)用

司福四，任秋菊

（兵團(tuán)第八師一四二團(tuán)，新疆 石河子 832003）

主動(dòng)遙感光譜儀在滴灌棉花上的應(yīng)用

司福四，任秋菊

（兵團(tuán)第八師一四二團(tuán)，新疆 石河子 832003）

本文利用主動(dòng)遙感光譜儀GreenSeeker監(jiān)測(cè)滴灌棉花的生長(zhǎng)情況，從不同氮營(yíng)養(yǎng)條件下NDVI隨生育期的動(dòng)態(tài)變化、各生育時(shí)期的不同氮營(yíng)養(yǎng)NDVI值動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了全面分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同氮營(yíng)養(yǎng)條件下，NDVI值變化呈“低-高-低”變化趨勢(shì)，在棉花出苗后 100 d出現(xiàn)最大值，總體上高氮處理?xiàng)l件下NDVI值高于低氮處理的NDVI值；棉花盛鈴期冠層NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明顯。在棉花各生育，隨著施氮量的增加，冠層NDVI值呈逐漸增加趨勢(shì)。表明使用主動(dòng)遙感光譜儀獲得的NDVI值能夠真實(shí)反映作物的生長(zhǎng)狀況，有利于提高棉花的田間精準(zhǔn)管理。

棉花，GreenSeeker，NDVI，氮素

主動(dòng)遙感指從遙感臺(tái)上的人工輻射源向目標(biāo)物發(fā)射一定形式的電磁波，再由傳感器接收和記錄其反射波的遙感系統(tǒng)。它是一種新興研究方法，采用自身光源，不依賴太陽輻射，且不受太陽高度角及云層等干擾，可以晝夜工作，而且可以根據(jù)探測(cè)目的的不同，主動(dòng)選擇電磁波的波長(zhǎng)和發(fā)射方式。目前研究比較多的主動(dòng)遙感光譜有GreenSeeker主動(dòng)遙感光譜儀和MSII-16型多光譜便攜式福射計(jì)，由于此類儀器操作方便、獲取數(shù)據(jù)便捷、靈活性強(qiáng)、環(huán)境干擾小、成本低等，被廣泛應(yīng)用在作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、氮素營(yíng)養(yǎng)診斷、產(chǎn)量估測(cè)和追肥推薦上[1-3]。

20世紀(jì)末，美國俄克拉荷馬州州立大學(xué)開發(fā)了主動(dòng)遙感高光譜儀器GreenSeeker。它采用主動(dòng)遙感方式，自身攜帶的高強(qiáng)度發(fā)光二極管發(fā)射Red（紅光）與NIR（近紅外光），經(jīng)過作物反射后再被二極管接受并轉(zhuǎn)換測(cè)量，從而獲得兩波段反射率，將數(shù)據(jù)信息記錄在掌上電腦，換算出光譜植被指數(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)，并依據(jù)所獲取的NDVI分析作物生長(zhǎng)信息[4]。NDVI作為遙感植被遙感技術(shù)中最常用的植被指數(shù)之一，它是便攜式主動(dòng)遙感光譜儀所獲取的重要植被指數(shù)之一，也是運(yùn)用最為廣泛的植被指數(shù)之一。NDVI更適用于高植被覆蓋下的區(qū)域植被生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)，在眾多植被光指數(shù)中應(yīng)用非常廣泛，綠色作物反射光譜的突出特點(diǎn)是對(duì)紅光（Red）的高吸收率和對(duì)近紅外光（NIR）的高反射率，NDVI值能夠很好的反應(yīng)綠色植物的生長(zhǎng)狀況[5-7]。

GreenSeeker儀器在國外多個(gè)國家被應(yīng)用，其中美國在氮素利用效率和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理方面研究較多，并成功在小麥、玉米、棉花、大豆等作物上進(jìn)行監(jiān)測(cè)長(zhǎng)勢(shì)、估測(cè)產(chǎn)量和施肥推薦研究[8]。GreenSeeker法避免了常規(guī)光譜儀器必須接觸測(cè)定、工作量大的缺點(diǎn)，擺脫了被動(dòng)高光譜遙感對(duì)外界光源的依賴。GreenSeeker光譜儀不用接觸目標(biāo)、不受外界環(huán)境干擾、能提供高解析度、獲取數(shù)據(jù)量大、操作簡(jiǎn)單靈活，可將作物植被信息直接轉(zhuǎn)換為NDVI值，因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)狀況、作物氮素營(yíng)養(yǎng)、產(chǎn)量和追肥的實(shí)時(shí)推薦[9]。GreenSeeker是比較理想的作物生長(zhǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工具，而且隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，它將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[10]。本文利用GreenSeeker光譜儀對(duì)新疆滴灌常規(guī)棉田進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)時(shí)掌握棉花的生長(zhǎng)狀況，按需施肥，以期實(shí)現(xiàn)降低勞動(dòng)力和生產(chǎn)成本，提高棉花的精準(zhǔn)田間管理能力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地情況

試驗(yàn)于2013—2014年在八師一四二團(tuán)常規(guī)棉田進(jìn)行，土壤質(zhì)地為中壤土，前茬作物為棉花，棉花全生育期灌水和其它管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锕芾硪恢隆Ａ住⑩浄首鳛榛试诓シN前一次性施入。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)氮肥處理，分別施純氮0（N0）、120（N1）、240（N2）、360（N3）和480 kg/hm2（N4）。采用膜下滴灌栽培，1膜2管4行栽培模式，株行距配置為（10 cm+66 cm+10 cm）×10 cm，供試棉花品種為新陸早48號(hào)。試驗(yàn)棉花于2013年4月28日出苗，7月8日打頂，9月10測(cè)產(chǎn)量；2014年5月1日出苗，7月10日打頂，9月15日測(cè)產(chǎn)量。留苗密度均為21萬株/hm2；小區(qū)面積為51 m2，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。NDVI值采用GreenSeeker便攜式主動(dòng)遙感光譜儀測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

GreenSeeker手持便攜式主動(dòng)遙感光譜儀紅光波段為（671±6）nm，近紅外光波段（780±6）nm，光譜寬幅為0.6 m。光譜信號(hào)通過系統(tǒng)自帶的軟件處理，可以直接得到NDVI數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)將光譜探照頭平行于棉花植被冠層，行端各留2 m緩沖區(qū)。行進(jìn)速度1.25 m/s，高度0.5 m，長(zhǎng)度10 m，每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3個(gè)點(diǎn)，重復(fù)測(cè)量3次。測(cè)定時(shí)間為10：00～12：00，于無風(fēng)晴朗的天氣測(cè)定。具體測(cè)定時(shí)間：2014年分別在棉花蕾期（19/6，1/7）、花期（11/7，25/7）、鈴期（6/8，18/8）和吐絮期（26/8、10/9）測(cè)定；2013年分別在在棉花蕾期（25/6、3/7）、花期（13/7、24/7）、鈴期（4/8、16/8）和吐絮期（28/8、8/9）測(cè)定。測(cè)定獲得的數(shù)據(jù)在GreenSeeker掌上電腦上進(jìn)行編號(hào)，選擇NDVI的平均值利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和處理。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)輸入與整理采用Excel 2010；統(tǒng)計(jì)、方差分析和LSD多重比較用SPSS 17.0軟件進(jìn)行；作圖采用Origin8.5軟件。

圖1 2013（a）和2014（b）年不同氮營(yíng)養(yǎng)棉花冠層NDVI值變化

圖2 2013（a）和2014（b）年棉花各生育時(shí)期冠層NDVI值變化

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花冠層NDVI值的變化特征分析

在2013年和2014年棉花的2個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)，從2年的NDVI值動(dòng)態(tài)變化可以看出，NDVI值在棉花整個(gè)生育期總體上呈現(xiàn)“低-高-低”的變化趨勢(shì)（圖1）。在棉花的生長(zhǎng)初期，由于葉面積指數(shù)和生物量相對(duì)較少，所以前期棉花冠層的NDVI值相對(duì)較小；隨著生育期的推進(jìn)，地上部分生長(zhǎng)速度加快，葉片葉綠素含量和冠層蓋度度迅速增大，使得NDVI值上升幅度大；在棉花出苗后100 d，NDVI值達(dá)到峰值，此后由于棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)逐漸衰退，棉花對(duì)紅光波段反射率增加，吸收率降低，NDVI值開始緩慢下降。棉花整個(gè)生育期內(nèi)的NDVI值變化與棉花生長(zhǎng)狀況及養(yǎng)分積累特征變化規(guī)律一致，說明NDVI能夠反應(yīng)棉花養(yǎng)分狀況和生長(zhǎng)規(guī)律。

從不同氮處理間NDVI值的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)可以看出，隨著施氮量的增加，棉花冠層NDVI值逐漸增大。但在2013年棉花出苗后85～110 d和2014年棉花出苗后93～105 d，NDVI值增加不明顯，即在盛鈴期生殖生長(zhǎng)大于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)，光譜吸收值接近飽和。總體上，高氮處理?xiàng)l件下NDVI值高于低氮處理的NDVI值，表現(xiàn)為N4＞N3＞N2＞N1＞N0。

2.2 不同生育期棉花冠層NDVI值變化特征分析

從棉花盛蕾期、花期、盛鈴期和初絮期的NDVI值變化可以看出，棉花盛鈴期冠層NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明顯（見圖2）。在各生育時(shí)期，隨著施氮量的增加，棉花冠層NDVI值呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，年際間比較，2013年與2014年結(jié)果基本一致。從NDVI值誤差上看，低氮處理的標(biāo)準(zhǔn)誤差大于高氮處理的誤差，這可能是由于土壤肥力差異和棉花長(zhǎng)勢(shì)不均勻所致。

3 小結(jié)

本試驗(yàn)使用主動(dòng)遙感光譜儀GreenSeeker獲取棉花NDVI值，對(duì)不同氮營(yíng)養(yǎng)條件下棉花NDVI值動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了全面分析。結(jié)果表明：不同氮營(yíng)養(yǎng)條件下NDVI值變化呈“低-高-低”的變化趨勢(shì)，在棉花出苗后100 d出現(xiàn)峰值，總體上高氮處理?xiàng)l件下NDVI值高于低氮處理的NDVI值；從棉花盛蕾期、花期、盛鈴期和初絮期的NDVI值變化可以看出，棉花盛鈴期冠層NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明顯。使用GreenSeeker能夠快速實(shí)時(shí)的對(duì)棉花進(jìn)行生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，NDVI值能夠真實(shí)反映棉花的生長(zhǎng)狀況，也為使用GreenSeeker對(duì)棉花養(yǎng)分估測(cè)、產(chǎn)量估測(cè)及施肥推薦等一系列研究奠定了基礎(chǔ)。

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2015—05—16