基于高光谱遥感水分指数的叶片与土壤含水率监测研究

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1、灌溉排水学报２０１４年８月第３３卷第４／５期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１４）０４／０５－０２１３－０５基于高光谱遥感水分指数的叶片与＊土壤含水率监测研究范梅凤，蔡焕杰，李志军（西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室／中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌７１２１００）摘要：通过冬小麦生育期的水分控制试验，利用便携式野外光谱仪（ＡＳＤＦｉｅｌｄＳｐｅｃ３）测量冬小麦的光谱，根据８个水分指数公式分别计算水分指数，并同时测定冬小麦的冠层叶片含水率和土壤含水率。结果表明，整个生育期内

2、，冠层叶片含水率及土壤含水率与各水分指数的相关性呈先增大后减小的趋势，抽穗期、灌浆期及乳熟期是冠层叶片含水率及土壤含水率的最佳监测生育期。低覆盖度情况下，植被水分指数更多反映的是土壤水分状况；随着覆盖度的增大，植被水分指数对冠层叶片含水率比对土壤含水率的监测效果更好、覆盖时间更长。在最佳监测生育期，近红外（ＮＩＲ）和波红外（ＳＷＩＲ）归一化型的水分指数对叶片含水率的监测效果较好，而近红外（ＮＩＲ）简单比值型的水分指数对植被覆盖情况下的土壤含水率监测效果较好。关键词：高光谱遥感；叶片含水率；土壤含水率；植被水分指数中图分类号：ＴＰ１２７文献标志码：

3、Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１４．０４／０５．０４６范梅凤，蔡焕杰，李志军．基于高光谱遥感水分指数的叶片与土壤含水率监测研究［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１４，３３（４／５）：２１３－２１７．准确估测叶片及土壤水分状况对指导农业生产管理具有重要的意义。传统土壤水分监测方法只能得到单点数据，费力、费时、成本高，很难高效率地获取大范围的土壤水分。随着高光谱遥感技术的发展，越来越多探测植被水分状况的方法相继被提出。研究发现，植被叶片含水率与近红外（ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ，ＮＩＲ）和短波［１］红外（ｓｈｏｒｔｗａｖｅｉｎｆｒａ

4、ｒｅｄ，ＳＷＩＲ）区域的光谱反射率相关性良好。由于光谱指数可以有效地减少单波段［３］的散射效应，因而植被水分指数常用来估算植被含水率，如简单比值水分指数法、归一化差异水分指数［４－５］法。试验发现，水分胁迫指数，归一化差异红外线指数，归一化差异水分指数，水分指数／归一化差异水分［６］指数对冬小麦冠层的可燃物含水率具有较高反演精度。目前，土壤水分高光谱遥感监测方法多集中于室［７－９］内裸土，植被覆盖情况下土壤水分监测研究鲜见。基于此，在植被覆盖情况下，基于高光谱遥感水分指数研究冠层叶片及土壤含水率，以期同步掌握植被及土壤水分情况，对于掌握植物的生长

5、发育和指导灌溉具有重要意义。１材料与方法１．１试验地概况试验于２０１２—２０１３年在西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室的灌溉试验站（１０８°２４′Ｅ，３４°１８′Ｎ，海拔５２１ｍ）进行。该站地下水埋深较大，可忽略地下水补给量。多年平均气温１２．５℃，年平均降水量５８６ｍｍ，年均蒸发量１５００ｍｍ。试验地土壤质地为中壤土，１ｍ土体田间质量持水率为３。利用移动式遮雨棚遮雨，以保证试验不２３％～２５％，凋萎质量含水率为８．５％，平均干密度为１．４４ｇ／ｃｍ＊收稿日期：２０１４－０３－１０基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７９１６２）作

6、者简介：范梅凤（１９８６－），女，河北邯郸人。硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与新技术的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｕｉｊｉａｎｆａｎｍｅｉｆｅｎｇ＠１２６．ｃｏｍ通讯作者：蔡焕杰（１９６２－），男，河北藁城人。教授，博士生导师，主要从事农业节水和水资源高效利用研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃａｉｈｊ＠ｎｗｓｕａｆ．ｅｄｕ．ｃｎ２１３受降水的影响。１．２试验设计供试冬小麦为小偃２２号。小麦于２０１２年１０月１５日人工播种，播种密度为１８０ｋｇ／ｈｍ２，于２０１３年６月３日收获。试验设冬小麦灌溉定额（４０、８０ｍｍ）和受旱时段（越冬—返青时段、返青—拔节时段、拔

7、节—抽穗时段和抽穗—灌浆时段）二因素。并分别以整表１试验处理个生育期按４０ｍｍ灌水定额灌溉、整个生育期处理越冬水返青水拔节水抽穗水灌浆水灌水定额／ｍｍ按８０ｍｍ灌水定额灌溉及整个生育期不灌水Ｔ１××√√√（即只接受自然降水）为对照，共８个处理，３个Ｔ２√××√√Ｔ３√√××√４０对照，３次重复，共３３个小区。具体试验处理见Ｔ４√√√××表１。ＣＫ１√√√√√１．３测定项目与方法Ｔ５××√√√分别于２０１３年３月４、２３日、４月１０、１７、Ｔ６√××√√２６日、５月１０、２２日测定各小区冬小麦冠层高光Ｔ７√√××√８０谱、土壤含水率及叶片含水率，覆

8、盖了冬小麦整Ｔ８√√√××ＣＫ２√√√√√个生育期的返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期、乳熟ＣＫ３×××××０期及成熟期。选取８个作物水分指