玉米倒伏后冠层光谱变化特征分析

王 猛，张 杰，梁守真，侯学会，姚慧敏，隋学艳，王 勇

(山东省农业可持续发展研究所，山东济南250100)

遥感技术具有大面积同步观测、时效性、经济性等特点，农业是其最重要和最广泛的研究应用领域之一。遥感技术能够快速准确地收集植被、土壤、水分等农业资源和农业生产的重要信息［1］。目前遥感在农作物病虫害方面研究较多，但是在作物倒伏方面的研究较少。作物倒伏后植株群体结构有较大的改变，从而影响和改变作物群体冠层光谱特征，这为大面积遥感监测提供了可能性。

2010年5月中旬，山东省自西向东出现了大面积降雨过程，7月份山东省多地普降暴雨。2010年入夏以来的几次降雨，造成了农作物的大面积受损、倒伏。为此，笔者以山东省临沂市费县地区倒伏玉米为研究材料，对玉米倒伏后的冠层光谱进行采集、分析，以期为利用遥感进行大面积监测提供一定的理论依据。

实地调查发现，受灾严重的玉米是春玉米，夏玉米也受到了影响，但在随后的几天时间里又恢复了正常生长，对产量影响不大。春玉米则发生了根倒伏的现象［2］，对玉米产量影响较大。研究区域内，春玉米并不是大面积种植，而是小块地种植，其中穿插着夏玉米、花生等农作物。

1 玉米倒伏的类型、原因和影响

1.1 玉米倒伏的类型和原因 一般玉米倒伏分为根倒伏、茎倒伏、茎倒折，而田间发生倒伏的情况比较复杂，有时整个地块发生同一类型的倒伏，有时则3种类型混合发生［2］。而影响倒伏的因素又有几种，一般多雨、大风天气是诱发玉米倒伏的直接因素，其次品质抗倒伏能力的弱、种植密度过大、肥水运筹不合理、病害与虫害也是造成玉米倒伏的原因［3］。如患有茎腐病的玉米茎秆硬度、茎秆解剖学特征以及韧皮组织的化学组分都发生了改变，茎秆脆弱易倒伏［4］。

1.2 玉米倒伏后的影响 玉米倒伏后，对于倒伏较轻的5～7 d基本可以恢复正常生长，对产量影响不大;倒伏严重的会造成玉米自身的生理构造严重破坏，进而影响玉米的产量，在抽雄前后倒伏的玉米对产量影响尤其严重;倒伏的玉米还容易发生病虫害使得田间管理复杂化［2］。

2 玉米倒伏后冠层光谱变化

实地测量光谱的地点位于临沂市费县方城镇，在调查过程中发现玉米发生了不同程度的倒伏，倒伏为根倒伏。研究区内玉米倒伏严重，植株几乎全扑倒在地上，叶片相互郁闭，通风透光不良，容易形成恶劣的田间环境，严重影响玉米叶片的光合作用，造成雌穗发育较小，雄穗分枝和花粉量减少，授粉质量差，最终造成产量下降，给当地种植春玉米的农户造成的损失也是不可忽略的。

2.1 光谱测量方法 选取5块玉米种植区域作为测量小区，其中3个区域中的玉米倒伏率分别为70%、80%、90%，另外2个区域为正常生长的春玉米与夏玉米。所用光谱测量仪器为野外便携式光谱仪(ASD FieldSpec HandHeld)，其波段范围是350～1 050 nm，光谱分辨率3 nm(350～1 000 nm)，采样间隔(波段宽)为1.41 nm(350 ～1 000 nm)，测量速度固定扫描时间为3 s，裸光纤25°前视场角。

光谱采集具有一定的要求，首先是天气晴朗且无云、风力较小，其次时间为北京时间10:00～14:00［5］。测量人员身着深色衣服，阴影不能落在视场范围内，探头垂直向下，高度始终保持离地面2 m。根据玉米倒伏面积的大小，确定每个小区采集5个样本点，每个样本点在视场范围内重复5次取平均，取样本点的平均值作为小区光谱反射率，各小区测量前后均用标准的参考板进行校正。

2.2 倒伏玉米的光谱信息 利用光谱仪分别测量倒伏程度为70%、80%、90%的玉米的光谱信息，以及正常生长的春玉米和夏玉米的光谱信息，结果如图1所示，其中:S1.mn为倒伏面积为70%的小区玉米光谱;S2.mn为倒伏面积为80%的小区玉米光谱;S3.mn为倒伏面积为90%的小区玉米光谱;SZC.mn为正常生长的春玉米光谱;SZX.mn为正常生长的夏玉米光谱。

图1 倒伏玉米光谱反射率曲线图

从图1可以看出，玉米倒伏后其冠层光谱发生了明显的变化，在可见光和近红外波段其光谱曲线整体下降，尤其在近红外波段下降了20%。由于3个小区的倒伏程度都很严重，它们之间的光谱反射率差别不大，近红外波段都维持在40%左右;而未倒伏的春玉米其光谱反射率为58%，夏玉米则比其低8%。5个小区冠层光谱在可见光和近红外波段相对变化的幅度不是很大，可见光500 nm及以上其减少幅度为10%～30%，近红外波段的减少幅度为30%左右相对稳定一些。

3 光谱分析

3.1 光谱反射率值和倒伏指数的相关性分析 将倒伏春玉米3个调查小区5个测量点共15组冠层光谱数据和相应小区的倒伏指数做相关性分析(n=15)。其冠层光谱数据选取的波长范围是350～900 nm，共451个光谱反射率值，每个波段的冠层光谱反射值和其对应的倒伏指数分别做相关性分析得出相关性系数，将所有的相关性系数按照对应的波长值组合成一条相关性曲线，如图2所示。

图2 倒伏春玉米冠层光谱反射率值和倒伏指数的相关系数曲线(n=15)

在350～400nm波段，冠层光谱反射率值和倒伏指数的相关系数是1，即完全相关。随着倒伏指数的增大，这个波段范围内的各个波长反射率值也相应增大。而在700～830 nm波段，冠层光谱反射率值和倒伏指数的相关系数是－1，即完全负相关。随着倒伏指数的增大，这个波段范围内的各个波长反射率值也相应减小。在400～520、610～700 nm波段，其相关性为正相关，即随着倒伏指数的增大，这两个波段范围内的各个波长反射率值也相应增大，只是增大的程度不同。在520～610 nm波段，其相关性为负相关，随着倒伏指数的增大，这个波段范围内的各个波长反射率值也相应减小。

3.2 玉米倒伏后其植被指数变化分析 植被指数是监测作物长势水平的有效方法［1］。根据植被指数公式以及利用光谱反射率值推算植被指数公式，将玉米倒伏后的红光波段反射率平均值和近红外波段反射率平均值代入公式得4种植被指数数据［6］。从表1可以看出，玉米倒伏后其比值植被指数、归一化植被指数、差值植被指数值都降低了。由于在测量倒伏指数为0.8的小区时，云量发生了变化导致其值有些异常。各监测小区的倒伏指数相差不大，其植被指数变化也不大;但与正常生长的玉米相比较，各个植被指数值都降低了，只是降低的幅度不同。

表1 倒伏玉米植被指数

正常生长的玉米和倒伏玉米其冠层结构发生了明显变化，正常生长时玉米叶片和天穗是直立的，倒伏后其叶片和天穗变为平铺的方式，茎秆的贡献增加了，如图3所示。

随着倒伏玉米冠层结构的改变，其冠层光谱反射率曲线也随之发生相应的变化，在可见光和近红外波段光谱曲线整体下降。反映作物长势的植被指数是依据作物在红光波段和近红外波段的光谱反射率值进行计算的，各植被指数也随着光谱反射率曲线的变化发生了不同程度的降低。

图3 倒伏玉米现场

4 结论

玉米倒伏后植株冠层结构发生改变，倒伏前的冠层光谱主要是由玉米叶片和天穗贡献的，倒伏后其冠层光谱由叶片、天穗、茎秆共同贡献，增加了茎秆对冠层光谱的贡献。倒伏玉米发生了明显的光谱变化:监测范围内的光谱曲线与正常生长的玉米光谱曲线相比整体下降，尤其在近红外波段下降了20个百分点;其光谱曲线也整体低于夏玉米的光谱曲线。倒伏玉米的比值植被指数、归一化植被指数、差值植被指数值也随着光谱反射率曲线的降低发生了不同程度的降低。

地面通过光谱仪测定倒伏作物光谱，为遥感图像的光谱判断提供理论上的依据，使得利用遥感图像大面积监测作物倒伏灾害成为现实，以期为农业部门提供信息，缩短农业生产受损的调查时间。

［1］梅新安，彭望琭，秦其明，等.遥感导论［M］.北京:高等教育出版社，2001:246，274 －279.

［2］宋朝玉，张继余，张清霞，等.玉米倒伏的类型、原因及预防、治理措施［J］.作物杂志，2006(1):36 －38.

［3］金岳鹏.玉米倒伏的原因及其防治措施［J］.青海农业技术推广，2007(2):18 －19.

［4］丰光，黄长玲，邢锦丰.玉米倒伏的研究进展［J］.作物杂志，2008(4):12－15.

［5］刘东升，李淑敏.北京地区冬小麦冠层光谱数据与叶面积植株统计关系研究［J］.国土资源遥感，2008(4):32 －34.

［6］张永强.玉米受玉米弯孢菌叶斑病和亚洲玉米螟危害后的冠层光谱特征和产量损失研究［D］.北京:中国农业科学院研究生院植物保护研究所，2007:19.