水分是作物進行生命活動和生長代謝的重要物質(zhì)，水分虧缺能直接影響作物的生理生化過程和形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而對其生長?產(chǎn)量和品質(zhì)造成影響。同時，我國農(nóng)業(yè)用水占全國用水總量已經(jīng)達到70%，且水資源分布不均，每年因為干旱而使作物受災(zāi)面積最高達到4000萬hm2，嚴(yán)重威脅我國的糧食安全。

因此，在水資源短缺的嚴(yán)峻形勢下，提高水資源的利用效率對指導(dǎo)作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量，節(jié)約水資源具有重要意義。利用傳統(tǒng)烘干法測量作物水分耗時費力，多光譜?近地非成像遙感光束分離的成像質(zhì)量差，光譜重疊度高，易受環(huán)境等背景因素影響，難以滿足對作物水分的高效?精準(zhǔn)實時監(jiān)測。而高光譜遙感技術(shù)具有空間分辨率高，光譜信息豐富，波段窄而連續(xù)，時效性好的特點，近年來已被廣泛應(yīng)用于作物水分含量監(jiān)測領(lǐng)域。

1、作物水分的常見測試方法

作物水分的測試有直接法和間接法2種，其中直接法是通過物理或化學(xué)測試直接獲取作物水分含量的方法，而間接法通過測量作物或其相關(guān)指標(biāo)屬性，以推斷或估計作物水分信息。

但常見的作物水分測量方法準(zhǔn)確度不高，操作較為復(fù)雜，易受環(huán)境溫度等外界因素影響，具有一定的局限性，并且應(yīng)用范圍窄，難以適應(yīng)大面積的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。隨著各項技術(shù)的深入研究，高光譜遙感技術(shù)以其超多波段?圖譜合一和光譜信息豐富的技術(shù)優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)作物水分含量準(zhǔn)確?快速?無損地實時監(jiān)測。

表1作物水分的常見測試方法

各方法的優(yōu)缺點比較

直接法測量過程簡單，結(jié)果較為準(zhǔn)確，但測量過程冗長繁瑣，增加了實驗難度和周期，同時容易破壞待測樣品，并產(chǎn)生對環(huán)境有害的化學(xué)試劑和藥品。間接法相較于直接測定法有所提升，測量速度快，易實現(xiàn)在線批量檢測，但容易受噪聲?物體形狀及大小?環(huán)境溫度等因素影響，難以適用大面積作物水分監(jiān)測和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著各項技術(shù)的深入研究，為能夠更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，高光譜成像技術(shù)作為一種發(fā)展較為成熟的遙感監(jiān)測技術(shù)，以其準(zhǔn)確?無損?快速的技術(shù)優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于作物水分監(jiān)測領(lǐng)域。

2、常見高光譜遙感分類

高光譜遙感按照作用空間尺度可劃分為衛(wèi)星遙感?機載高光譜儀?地物光譜遙感以及手持式光譜儀等。基于CGMD便攜式光譜儀和地物高光譜探測器對冬小麥冠層生長指標(biāo)對比研究發(fā)現(xiàn)，CGMD光譜儀操作簡單，便于攜帶，精度可靠，而地物高光譜探測器采集信息量大，結(jié)合先進預(yù)處理，特征提取和機器學(xué)習(xí)算法可以有效提高模型反演精度。

基于便攜式地物光譜儀結(jié)合手持式光譜探測器獲取冬小麥葉片反射率，并結(jié)合推掃式光譜儀波段寬，光譜分辨率高的特點獲得冠層反射率，但是受天氣條件或野外環(huán)境因素，如云層?大氣濕度?光線條件和地面高程差等都會影響數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測結(jié)果。

3、光譜遙感在典型作物水分監(jiān)測的應(yīng)用

雖然當(dāng)前高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于水分監(jiān)測的作物類型已經(jīng)有很多種，但是在監(jiān)測作物水分指標(biāo)和方法上面也會有所不同，這些水分指標(biāo)包括植株含水量(PWC)，葉片含水量(LWC)，冠層含水量(CWC)，葉片等效水厚度(LEWT)和相對含水量(RWC)，而研究方法包括單波段光譜反射率法，光譜植被指數(shù)法，全波段光譜分析法和光譜輻射傳輸模型等。而水稻?小麥和玉米作為典型作物，在水分監(jiān)測指標(biāo)和研究方法方面更具全面性和系統(tǒng)性。已有許多學(xué)者對此作了細致而深入的研究，并取得了豐富的研究成果和技術(shù)創(chuàng)新，也為高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測其它作物水分含量提供技術(shù)參考。因此，下面對高光譜遙感作用于典型作物水稻，小麥，玉米的水分監(jiān)測作詳細闡述。

3.1小麥

高光譜遙感通過敏感波段提取以及新型植被指數(shù)構(gòu)建可以顯著提高光譜反射率與水分含量的相關(guān)性。目前用高光譜監(jiān)測小麥水分的研究主要集中在濕潤和半濕潤地區(qū)，而干旱和半干旱區(qū)域的研究還相對較少。隨著高分辨率遙感儀器的發(fā)展以及新型植被指數(shù)出現(xiàn)，高光譜遙感技術(shù)在干旱和半干旱區(qū)域的應(yīng)用潛力十分廣泛。同時，小麥在不同生長時期LWC的敏感波段存在差異，在開花期，小麥的LWC敏感波段主要集中在可見光和近紅外波段;而在孕穗期和乳熟期，則分布在近紅外和短波紅外波段。

表2 高光譜遙感估算小麥含水量的典型研究

3.2水稻

水稻的葉片水分敏感波段主要分布在近紅外和短波紅外波段，當(dāng)前對水稻水分監(jiān)測的研究主要集中在生長中后期以及濕潤和半濕潤地區(qū)。

水稻在不同生長時期的敏感波段主要分布在NIR(710~970nm)和SWIR(1450nm?1750nm和1830nm附近)，并且未來應(yīng)克服植被覆蓋度?氣象條件和資源限制等不利因素，更多關(guān)注作物在生長前期和干旱?半干旱地區(qū)的研究。水稻是一種生長環(huán)境受地形和氣候變化影響較大的作物，其生長階段受到葉片水分變化的影響非常顯著。研究發(fā)現(xiàn)，基于新的水分指數(shù)可以適應(yīng)不同地域?氣候以及葉綠素?基因型變異等動態(tài)變化帶來的影響。

表3 高光譜遙感估算水稻含水量的典型研究

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審核編輯 黃宇