摘 要：葉面積指數(shù) （leaf area index，LAI） 是表征作物生長信息的重要參數(shù)，利用無人機(jī)遙感平臺(tái)獲取農(nóng)作物光譜信息定量反演 LAI 對(duì)精確監(jiān)測作物生長情況具有重要意義。本文以玉米為研究對(duì)象，利用無人機(jī) （unmanned aerial vehicle，UAV） 搭載MicaSense RedEdge-M 多光譜成像儀獲取玉米拔節(jié)期、抽雄期、成熟期等關(guān)鍵生育期內(nèi)低空遙感影像，同步采集地面 LAI，基于多光譜信息構(gòu)建植被指數(shù)并研究其與 LAI 的定量關(guān)系，進(jìn)一步建立玉米 LAI估算模型，對(duì)比分析篩選植被指數(shù)與監(jiān)測時(shí)期。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在拔節(jié)期、抽雄期、成熟期玉米 LAI與 NDVI、OSAVI、EVI、NDRE 均具有較好的相關(guān)性；在不同時(shí)期分別基于 OSAVI、NDRE、NDRE 建立了 LAI 監(jiān)測模型，模型監(jiān)測精度分別為 0.549、0.753、0.733；驗(yàn)證模型精度分別為0.907、0.932、0.926，模型估算值與田間實(shí)測值間相對(duì)誤差分別為 8.57、8.37、9.24，均方根誤差分別為0.104、0.087、0.091；基于不同生育時(shí)期LAI估算模型進(jìn)行田塊尺度的LAI空間分布制圖，估算值與實(shí)測值的決定系數(shù)分別為0.883、0.931、0.867；相對(duì)誤差分別為：9.17、8.86、9.32。結(jié)果表明基于MicaSense Red?Edge-M 多光譜成像儀能有效估算玉米關(guān)鍵生育時(shí)期 LAI，可為定量實(shí)時(shí)估算田塊尺度的玉米 LAI提供理論依據(jù)。

1 引言

葉面積指數(shù)（Leaf area index，LAI）是表征作物冠層結(jié)構(gòu)及生長信息的重要參數(shù)之一，了解LAI對(duì)掌握作物長勢動(dòng)態(tài)、水肥調(diào)控、產(chǎn)量預(yù)測等生產(chǎn)管理具有重要意義[1]。玉米是我國主要的作物之一，快速準(zhǔn)確獲取其生長信息，以便為田間施肥決策、估產(chǎn)等生產(chǎn)管理提供技術(shù)支撐[2]。傳統(tǒng) LAI 信息獲取方法僅能表示點(diǎn)位信息，而遙感技術(shù)憑借非侵入式、高通量的優(yōu)勢，能快速、無損、大尺度獲取作物生長信息，已成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容和研究熱點(diǎn)[3-5]。

目前，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)LAI的估算已經(jīng)取得了 一 些 進(jìn) 展 。 如 科 學(xué) 家 們 通 過 TM、ETM、WorldView-3、Sentinel-2、GF-1/2 等衛(wèi)星遙感影像實(shí)現(xiàn)了區(qū)域尺度的小麥、水稻、玉米、棉花等作物LAI估算[6-11]。但衛(wèi)星遙感影像容易受大氣云層、雨雪天氣、重訪周期等因素的影響，難以滿足特定區(qū)域尺度高頻次、高分辨率數(shù)據(jù)的需求[12-14]。而低空無人機(jī)（Unmannedaerial vehicle，UAV）則能根據(jù)需求搭載不同光譜波段的傳感器，有效彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感在中小尺度高精度估算研究中的不足，已逐漸成為現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的新手段[15-18]。如Berni等利用無人機(jī)多光譜影像估算橄欖樹LAI[19]；劉峰等通過無人機(jī)多光譜估算板栗冠層覆蓋度[20]；Córcoles等通過無人機(jī)多光譜數(shù)據(jù)研究了洋蔥LAI[21]；Peter等利用無人機(jī)多光譜影像估算馬鈴薯LAI [22]；孫濤等基于無人機(jī)多光譜遙感影像實(shí)現(xiàn)了水稻 LAI 估算[23]；王瑛利用無人機(jī)多光譜影像估算小麥LAI[24]；褚洪亮等研究指出基于無人機(jī)多光譜影像估算玉米 LAI的預(yù)測值與田間實(shí)測值具有較高的一致性[25]；牛慶林等基于多光譜影像估算玉米育種材料LAI精度超過0.60[26]；孫詩睿等基于無人機(jī)多光譜數(shù)據(jù)結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度與隨機(jī)森林方法反演冬小麥LAI精度達(dá)到 0.80[27]；高林等基于無人機(jī)數(shù)碼影像與多光譜遙感影像分別研究了小麥、大豆 LAI[28-29]。這些研究為無人機(jī)遙感技術(shù)服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供了新的成果，同時(shí)推動(dòng)了無人機(jī)遙感在作物生長信息定量監(jiān)測中的應(yīng)用。

雖然基于無人機(jī)多光譜的作物參數(shù)遙感估算已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但這些研究多通過不同傳感器構(gòu)建某一生育時(shí)期或多生育時(shí)期累加植被指數(shù)建立模型，而植被指數(shù)則隨著作物生育時(shí)期及冠層結(jié)構(gòu)等因素的變化，在時(shí)間尺度上存在一定差異性，導(dǎo)致估算模型估算精度及應(yīng)用尺度受到局限。因此，本文以無人機(jī)搭載 MicaSense RedEdge-M 多光譜成像系統(tǒng)獲取玉米拔節(jié)期、抽雄期、成熟期等多光譜影像，綜合考慮在不同生育時(shí)期多光譜影像特征，同時(shí)結(jié)合MicaSense RedEdge-M 的紅邊波段，進(jìn)一步優(yōu)化篩選植被指數(shù)，建立 LAI 估算模型及估算時(shí)期，改善 LAI估算模型的穩(wěn)定性與適用性；并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行田塊尺度的LAI空間差異性制圖，為田塊尺度的作物生長信息監(jiān)測診斷提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)基地地處 113°46'08.10"E，35°08'03.67"N，海拔78.9 m，溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，年平均溫度 14.2℃，無霜期 210 d，年日照時(shí)數(shù)約 2400.0 h，年蒸發(fā)量約2000.0 mm，年平均降水量 585.0 mm。土壤為黃河沖積物發(fā)育潮土，0~20 cm 堿解氮 68 .65 mg/kg，速效磷9.21 mg/kg，速 效 鉀 71.12 mg/kg，有 機(jī) 質(zhì) 含 量10.21mg/kg。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

小區(qū)實(shí)驗(yàn)于 2019—2020 年進(jìn)行，采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置 2個(gè)玉米品種，5個(gè)氮肥水平，3組重復(fù)。2個(gè)玉米品種分別為“鄭單 958（ZD958）”，“登海 605（DH605）”；5個(gè)氮肥（46.00% N 尿素）水平分別為 N0（0 kg/hm2），N1（75 kg/ hm2），N2（150 kg/ hm2），N3（225 kg/ hm2），N4（300 kg/ hm2），總氮肥 60% 作為基肥，40% 作為追肥，磷鉀肥施用量分別為 120 kg/ hm2和 120 kg/ hm2；“ZD958”種植密度為 67500 株/hm2，“DH605”種植密度為 82500 株/hm2；其他管理方式按照豫北平原高產(chǎn)玉米措施管理。

2.3 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.3.1 無人機(jī)多光譜遙感影像采集及預(yù)處理

無人機(jī)多光譜數(shù)據(jù)采集是利用自主搭建低空無人機(jī)遙感監(jiān)測平臺(tái)，主要由大疆六旋翼無人機(jī)（Matrice 600Pro，M-600）與MicaSense RedEdge-M多光譜成像儀構(gòu)成，主要參數(shù)見表 1。MicaSense RedEdgeM 多光譜成像儀同時(shí)收集藍(lán)（Blue）、綠（Green）、紅（Red）、近紅外（Nir）、紅邊（Rededge）5 個(gè)不連續(xù)的光譜波段，相機(jī)焦距為 5.5 mm，視場角為 47.2°，圖像分辨率為 1280×960。飛行前后以相機(jī)配備的 0.3 m×0.3 m灰板反射率進(jìn)行校正。實(shí)驗(yàn)在晴朗無云無風(fēng)或微風(fēng)時(shí)進(jìn)行，時(shí)間在 11:00—14:00，無人機(jī)飛行高度為 70 m，飛行方向?yàn)槟媳狈较?，航向重疊度為 70%，旁向重疊度為 70%。影像空間分辨率為獲取到的0.035 m。MicaSense RedEdge-M 多光譜成像儀參數(shù)見表 2。同步獲取 RGB 高清數(shù)碼影像，空間分辨率0.028m，為幾何校正基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將航拍獲取的多光譜照片以時(shí)間序列為索引，選取有效照片導(dǎo)入瑞士Pix4D公司Pix4D mapper軟件，根據(jù)照片信息對(duì)進(jìn)行（1）初始化處理；（2）點(diǎn)云和紋理處理；（3）DSM、正射影像等處理；（4）利用各通道反射板校正，輸出拼接后影像；（5）拼接后的多光譜圖像以同期獲取的高清數(shù)碼圖像為參考進(jìn)行幾何校正，誤差小于0.5個(gè)像元；（6）根據(jù)研究區(qū)域地理坐標(biāo)對(duì)拼接后的圖像進(jìn)行裁剪，形成研究區(qū)多光譜影像。

2.3.2 LAI數(shù)據(jù)采集

在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取長勢均勻一致的 1 m×1m固定樣方內(nèi)采集 LAI，與無人機(jī)多光譜數(shù)據(jù)同步采集。LAI采集以美國 Decagon公司植物冠層分析儀采集，在平行于玉米壟間、垂直壟間各測3次，取算數(shù)平均值為該測量點(diǎn)LAI。

2.4 植被指數(shù)選取

通過多光譜信息構(gòu)建植被指數(shù)來反演LAI，可有效凸顯作物群體結(jié)構(gòu)信息，降低干擾因素的影響[30]。本文在前人對(duì)LAI遙感估算精度研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮遙感估算精度不確定性因素的主要來源，同時(shí)結(jié)合 MicaSense RedEdge-M多光譜影像數(shù)據(jù)特點(diǎn)，篩選了歸一化差值植被指（NDVI）、控制土壤背景因素的優(yōu)化土壤調(diào)整植被指數(shù)（OSAVI）、控制大氣噪聲因素的增強(qiáng)植被指數(shù)（EVI）、同時(shí)結(jié)合多光譜傳感器對(duì)紅邊波段優(yōu)化歸一化紅邊植被指數(shù)（NDRE）等具有明確物理意義且與LAI具有較好相關(guān)性的植被指數(shù)，建立 LAI估算模型。不同植被指數(shù)計(jì)算公式及來源見表2。

2.5 數(shù)據(jù)分析

將連續(xù)2年數(shù)據(jù)按照處理進(jìn)行分組，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄟM(jìn)行 LAI 估算。在對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)采集數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)性統(tǒng)計(jì)描述的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)、回歸分析，建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并以?dú)立數(shù)據(jù)對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證；在建模過程中，對(duì)比分析植被指數(shù)與估算時(shí)期；在此基礎(chǔ)上利用模型進(jìn)行大田尺度的LAI空間制圖，結(jié)合空間分布圖，進(jìn)行田間實(shí)測值取樣，分析反演制圖精度；進(jìn)一步分析多光譜數(shù)據(jù)估算玉米LAI的潛力。

2.6 精度評(píng)價(jià)

本文以相關(guān)系數(shù)（Correlation coefficient，r）來衡量LAI與植被指數(shù)的相關(guān)程度；以決定系數(shù)（Determi‐nation coefficient，R2）與標(biāo)準(zhǔn)誤差（Standard error，SE）評(píng)價(jià) LAI 的估算效果 ；以均方根誤差（Root meansquare error，RMSE）與相對(duì)誤差（Relative error，RE）分析模型估算值與田間實(shí)測值的擬合程度，評(píng)價(jià)模型的驗(yàn)證精度。

x 表示估計(jì)值；xˉ 表示估計(jì)值的平均值；y 表示實(shí)測值；yˉ表示實(shí)測值的平均值 ;n表示樣本數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 玉米LAI與植被指數(shù)的定量關(guān)系

通過對(duì)無人機(jī)多光譜遙感影像進(jìn)行解譯分析，提取 5個(gè)波段下玉米冠層反射率值，根據(jù)表 2公式計(jì)算植被指數(shù)，通過統(tǒng)計(jì)分析（n=60）計(jì)算不同生育時(shí)期LAI與相應(yīng)植被指數(shù)的定量關(guān)系（表 3）。由表可知，在不同生育時(shí)期，NDVI、OSAVI、EVI、NDRE 與 LAI呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為：0.713~0.868。按照統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)定，相關(guān)系數(shù) 0.50≤|r|≤0.80，表明變量之間中度相關(guān)；|r|≥0.80，變量之間則高度相。通過相關(guān)分析表明所選植被指數(shù)均能用來估算玉米LAI，可作為構(gòu)建LAI估算模型的參數(shù)。

3.2 基于植被指數(shù)的LAI估算模型精度與驗(yàn)證

在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，以 LAI 為因變量，植被指數(shù)為自變量，建立不同生育時(shí)期 LAI估算模型（n=60），不同生育時(shí)期玉米 LAI 估算模型見表 4。由表可知：基于4種植被指數(shù)的不同生育時(shí)期LAI估算模型決定系數(shù)（R2）分別為 0.508~0.666、0.667~0.753、0.630~0.733；標(biāo) 準(zhǔn) 誤 差（SE）分 別 為 ：0.026~0.133、0.027~0.121、0.047~0.141。表明模型具有較好的估測精度。以獨(dú)立數(shù)據(jù)對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證（n=60），結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同生育時(shí)期模型估算值與田間實(shí)測值間相對(duì)誤差（RE）分別為：8.57~11.31、8.34~10.84、9.24~13.41；均 方 根 誤 差（RMSE）分 別 為 ：0.104~0.147、0.087~0.121、0.091~0.156；說明估算模型具有較好的穩(wěn)定性。不同生育時(shí)期 LAI模型估算值與田間實(shí)測值間對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

3.3 基于多光譜的玉米 LAI 空間分布與精度驗(yàn)證

將LAI估算模型應(yīng)用于多光譜遙感影像，得到研究區(qū)不同生育時(shí)期玉米 LAI 空間分布，如圖 3 所示，由圖可知，拔節(jié)期玉米LAI相對(duì)較小，抽雄期較高，成熟期又略有降低。為驗(yàn)證空間LAI分布圖估算精度，在圖中隨機(jī)選取 30 個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)比實(shí)測值與空間分布圖估算值的一致性，如圖 4 所示，在不同生育時(shí)期估算值與實(shí)測值間的決定系數(shù)（R2）分別為 0.883、0.931、0.867；相對(duì)誤差（RE）分別為：9.17、8.86、9.32；均方根誤差（RMSE）分別為 0.115、0.074、0.133。說明估算值與實(shí)測值間具有較高的一致性。表明了基于 MicaSense RedEdge-M 多光譜成像系統(tǒng)能較好的估算玉米不同生育時(shí)期LAI。

4 結(jié)論與討論

無人機(jī)作為一種新的遙感技術(shù)手段，在彌補(bǔ)現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測診斷研究應(yīng)用中具有重要意義[35]。本文研究了拔節(jié)期、抽雄期、成熟期等關(guān)鍵生育時(shí)期玉米LAI與NDVI、OSAVI、EVI、NDRE等植被指數(shù)的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在不同生育時(shí)期所選植被指數(shù)與LAI的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.713~0.868，說明了所選植被指數(shù)可作為LAI建模的參數(shù)；這是由于本文中所篩選的植被指數(shù)，綜合考慮不同生育階段冠層光譜信息噪聲來源，選取了消除土壤背景、大氣噪聲等因素的植被指數(shù)，改善了植被指數(shù)與LAI的相關(guān)性。

在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，建立了不同生育時(shí)期LAI 估算模型，并以獨(dú)立數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。拔節(jié)期、抽雄期、成熟期分別基于 OSAVI、NDRE、NDRE 建立的LAI模型估算精度分別為 0.549、0.753、0.733；驗(yàn)證模型精度分別為0.907、0.932、0.926；說明抽雄期能更好地估算玉米LAI，不同植被指數(shù)尤以NDRE在生育后期能較好的表征LAI。這是由于在生育后期，群體冠層覆蓋度較高，而本文中采用多光譜紅邊中心波段為717nm，波 寬 為 10nm，波 寬 相 對(duì) 較 窄 ，噪 聲 較 小 ，NDRE經(jīng)過進(jìn)一步歸一化處理，提高了紅邊與近紅外波段反射率的對(duì)比度[36]，增強(qiáng)了光譜信息對(duì)LAI的敏感性，改善了LAI估算精度。這一結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致[25-29]。

將不同生育時(shí)期 LAI 估算模型應(yīng)用于田塊尺度的玉米 LAI 空間差異性制圖，不同氮肥水平下，LAI隨著施肥量的增加呈增加趨勢，過量施肥則LAI不再增加；從拔節(jié)期至成熟期，LAI 呈“低—高—低”的拋物線趨勢。根據(jù)空間差異性制圖結(jié)果，隨機(jī)選取采樣點(diǎn)的實(shí)測值對(duì)空間分布估測值進(jìn)行驗(yàn)證，不同生育時(shí)期模型估算值與田間實(shí)測值的決定系數(shù)分別為0.883、0.931、0.867；相對(duì)誤差分別為 9.17、8.86、9.32，說明模型估算值與田間實(shí)測值間具有較好的一致性，表明該模型具有較好的穩(wěn)定性與適應(yīng)性，該結(jié)果可應(yīng)用于田塊尺度的作物LAI監(jiān)測，為農(nóng)田生產(chǎn)管理提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

由于 LAI 是表征作物冠層結(jié)構(gòu)與長勢信息的參數(shù)，在作物全生育時(shí)期存在較大差異，而本文僅研究了拔節(jié)期、抽雄期、成熟期等關(guān)鍵生育時(shí)期，有必要對(duì)全生育時(shí)期進(jìn)一步研究。另外，本文雖然考慮了不同玉米品種的株型、密度、肥力水平等因素，但由于栽培環(huán)境的異質(zhì)性限制，模型在不同生態(tài)環(huán)境條件下的適用性仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證完善。

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