2192 光谱学与光谱分析 第29卷 氮，其中50%用作基肥，50%为拔节期追肥。各处理配施 氮含量LNC(%)叶片干物重LDW(gDW·oilm).通 150kg·hm2Pz0s和210kghm2K0,磷钾肥全部用作 过不同叶位叶片重量知权求得所有绿色叶片中氮素含量，进 基肥。试验为随机区组排列，3次重复，小区面积555 而计算出单位土地面积叶片氮素积累量。 27.5m2,基本苗1.8×10的.hm2,行距25cm。其他栽培管 L.4比值植被指数(SD的构建 理措施同一般高产麦田。田间光谱测试和采样日期分别为： 由于在3502500nm的全光谱范围内以矩阵联立的 3/30(拔节期)、411（孕穗期）、4/20（抽穗期）、4/29（开花 形式，组建所有可能两两波段形成的比值光谱指数，其内 期)、5/6（花后8d,记作8DAA)、519、524、62.该试验 超出了传统比值植被指数的定义，为此本研究给出一个更具 资料用于建立监测模型」 普适性和描述性的比值光谱指数，简称为RSI((ratio spectral 试验2(EXP2):2004~2005年在江苏省农科院（南京 index) 市孝陵卫，11878'E,3204'N进行.供试品种为宁麦9号 比值光谱指数的一般公式形式为：RSI(1,.W=R( 扬麦12号（中蛋白含量，约125%，记作Y12),豫麦34.前 W/R,m;其中，RSI(1,m为由R,和R,W构建 水稻田十右机团2.09%全氨018% 的一个比值光谱指数：R.四和R 分别为任意两个波 15020mg k1速放砖140.03m 速效钾 长的反射率的范围350一2500 的范围350一2500 113A ,试验设4个施氨水 分别为0(N0)、75 (N)、150N2)和225N3)。 纯 其中50%用作 15减量精细采样法的设计与实现 基肥，50%为拔节期追肥。各处理配施80 kg 针对本研究中的海量高光请数 ,采取降采样法和精 次 为随机区组 采样法相融合 减量精红 样 、而实现资料 h 51 15 行距25cm.其他栽培管理指施同 般高产麦田 采用降采样方法 田间光谱测试和采样日期分别为：3/19（拔节期）、4/13（孕穗 ,即在350~2 500nm范围内每 期)、4/26（开花期 、5/6、5引12、5/20,5/246/1.该试验资 食技 10nm) ,采用矩阵的 料用于建立监测模型 ，将两两组合的所有可能 波段构建的植被指数与小麦氮衫 试验3(EXP.3)：于2003年2004年在江苏省农业料 累量拟合方程（包括直线方程、指数方程和幂函数方程）， 学院进行，供试小麦品种为宁麦9号、扬麦10（中蛋白含量 算相应的决定系数，绘制浓度决定系数()图（颜色从蓝色 约130%，记作Y10)、淮麦20（中蛋白质含量，约12%，记 到红色表示决定系数由小到大，同种颜色浓度越深表示决 作H20)和徐州26（高蛋白质含量，约15%，记作X26).前 系数越大)，确定决定系数最大的波段范围。然后，采用精细 茬水稻田，土填有机质0.96%.全氢010%.速效破4029 采样法，逐个波段（波段间隔=1m)读取光谱反射率数据 mg·kg”1,速效钾10278mg·kg1。设5个施氮水平，分 两两组合构建所有可能的比值光谱指数，与小麦氨积累量拟 别为075150225和300kahm·2绅氯其中60%作基 合方程，基于决定系数(R)和标准误差(S及光谐学原理 肥.拔节肥和穗肥各占20%。各处理配施P0s150ke 确立最佳特征波段和相应的比值植被指数。其中，植被指数 hm2和KO112.5kehm2全部用作基肥。小区面积为4 阵的构建、决定系数的计算与挂序、浓度图的绘制等工作 ×4162其本为1106 均在软件MA TLAB(The MathWorks.20O0)中通过自编程 为随机区组排列，3次重复。其他管理指施同高产大田裁培 字印 用间米试和买样日期分别为·发（及速期） 、419(开花 L.6模型的检验和测试 利用试验3济料对所箭洗建立的氢素监测模型讲行测试 和检验，采用通用的均方根差(RRMSE)1进行评定，并绘 制试验观察值与模型预测值之间的1：1关系图， 波段值为350 RRMSE 00 ,4nm,光谱分辨率 2500nm光谱采样间隔 2nm,光谐分率为10nm 。层 2结果与分析 光谱测定选择在天气晴朗、无风或风速很小时进行，时间范 围为10：00~14：00，测量时传感器探头垂直向下 ,光语仪 21基于减量精细采样法的比值光谱指数（心）及监测模至 视场角为25，距冠层顶垂直高度约10m,地而视场范围直 基于上述方法，首先利用降采样法，获得全波段范围内 径为044m。以20个光语为一采样光语，每个小区观测点 所有RS1与叶片氮积累量直线方程、幂函数、指数函数的决 记录10个采样光谱，以其平均值作为该小区的光谱反射值， 定系数浓度图，分别确定敏感波段范围·结果发现，敏感波 1.3叶片氮积累量测定 段范围主要位于可见光区和近红外区·其敏感波段分别为 将所获取的植株上部4张绿色叶片样品分别烘干和粉碎 (560~730nm)和(9001020nm)(图1)、(375~730nm)和 后，用半微量凯氏定氮法测定叶片全氮浓度，以单位叶片干 (7101200nm)(图略)、(500-600nm)和(7501050nm) 重的百分数表示。叶片氨素积累量LNA(gN·m2)=叶片 (图略)，然后，采用精细采样方法，发现由990和720m为 2001a ronic Publishing Hous All nights 氮 , 其中 50 %用作基肥 , 50 %为拔节期追肥。各处理配施 150 kg ·hm - 2 P2O5 和 210 kg ·hm - 2 K2O , 磷钾肥全部用作 基肥。试验为随机区组排列 , 3 次重复 , 小区面积 5 ×515 = 2715 m 2 , 基本苗 118 ×10 6 1 hm - 2 , 行距 25 cm。其他栽培管 理措施同一般高产麦田。田间光谱测试和采样日期分别为 : 3/ 30 (拔节期) 、4/ 11 (孕穗期) 、4/ 20 (抽穗期) 、4/ 29 (开花 期) 、5/ 6 (花后 8 d , 记作 8DAA) 、5/ 19、5/ 24、6/ 2。该试验 资料用于建立监测模型。 试验 2 ( EXP12) : 2004～2005 年在江苏省农科院 (南京 市孝陵卫 , 118°78′E , 32°04′N) 进行。供试品种为宁麦 9 号 , 扬麦 12 号(中蛋白含量 , 约 1215 % , 记作 Y12) , 豫麦 34。前 茬水稻 田 , 土 壤 有 机质 2109 % , 全 氮 0118 % , 速 效 氮 150120 mg ·kg - 1 , 速 效 磷 140103 mg ·kg - 1 , 速 效 钾 113150 mg ·kg - 1 。试验设 4 个施氮水平 , 分别为 0 (N0) 、75 (N1) 、150 (N2) 和 225 (N3) kg ·hm - 2纯氮 , 其中 50 %用作 基肥 , 50 %为拔节期追肥。各处理配施 80 kg ·hm - 2 P2O5 和 150 kg ·hm - 2 K2O , 磷钾肥全部用作基肥。试验为随机区组 排列 , 3 次重复 , 小区面积 4 ×415 = 18 m 2 , 基本苗 115 ×10 6 ·hm - 2 , 行距 25 cm。其他栽培管理措施同一般高产麦田。 田间光谱测试和采样日期分别为 : 3/ 19 (拔节期) 、4/ 13 (孕穗 期) 、4/ 26 (开花期) 、5/ 6、5/ 12、5/ 20、5/ 24、6/ 1。该试验资 料用于建立监测模型。 试验 3 ( EXP13) : 于 2003 年～2004 年在江苏省农业科 学院进行。供试小麦品种为宁麦 9 号、扬麦 10 (中蛋白含量 , 约 1310 % , 记作 Y10) 、淮麦 20 (中蛋白质含量 , 约 12 % , 记 作 H20) 和徐州 26 (高蛋白质含量 , 约 15 % , 记作 X26) 。前 茬水稻田 , 土壤有机质 0196 % , 全氮 0110 % , 速效磷 40129 mg ·kg - 1 , 速效钾 102178 mg ·kg - 1 。设 5 个施氮水平 , 分 别为 0 , 75 , 150 , 225 和 300 kg ·hm - 2纯氮 , 其中 60 %作基 肥 , 拔节肥和孕穗肥各占 20 %。各处理配施 P2O5 150 kg · hm - 2和 K2O 11215 kg ·hm - 2 , 全部用作基肥。小区面积为 4 ×4 = 16 m 2 , 基本苗为 118 ×10 6 ·hm - 2 , 行距 25 cm。试验 为随机区组排列 , 3 次重复。其他管理措施同高产大田栽培。 田间光谱测试和采样日期分别为 : 4/ 8 (孕穗期) 、4/ 19 (开花 期) 、5/ 4。该试验资料用于测试监测模型。 112 高光谱信息获取 小麦冠层高光谱测量采用美国 analytical spectral device (ASD) 公司生产的 FieldSpec Pro FR2500 型背挂式野外高光 谱辐射仪(ASD) 。波段值为 350～2 500 nm , 其中 350～1 000 nm 光谱采样间隔为 114 nm , 光谱分辨率为 3 nm ; 1 000～ 2 500 nm 光谱采样间隔为 2 nm , 光谱分辨率为 10 nm。冠层 光谱测定选择在天气晴朗、无风或风速很小时进行 , 时间范 围为 10 : 00～14 : 00。测量时传感器探头垂直向下 , 光谱仪 视场角为 25°, 距冠层顶垂直高度约 110 m , 地面视场范围直 径为 0144 m。以 20 个光谱为一采样光谱 , 每个小区观测点 记录 10 个采样光谱 , 以其平均值作为该小区的光谱反射值。 113 叶片氮积累量测定 将所获取的植株上部 4 张绿色叶片样品分别烘干和粉碎 后 , 用半微量凯氏定氮法测定叶片全氮浓度 , 以单位叶片干 重的百分数表示。叶片氮素积累量 LNA (g N ·m - 2 ) = 叶片 氮含量 LNC( %) ×叶片干物重 LDW(g DW ·soil m - 2 ) 。通 过不同叶位叶片重量加权求得所有绿色叶片中氮素含量 , 进 而计算出单位土地面积叶片氮素积累量。 114 比值植被指数( RSI)的构建 由于在 350～2 500 nm 的全光谱范围内 , 以矩阵联立的 形式 , 组建所有可能两两波段形成的比值光谱指数 , 其内涵 超出了传统比值植被指数的定义 , 为此本研究给出一个更具 普适性和描述性的比值光谱指数 , 简称为 RSI(ratio spectral index) 。 比值光谱指数的一般公式形式为 : RSI( i , j , n) = R ( i , n) / R( j , n) ; 其中 , RSI(i , j , n) 为由 R( i , n) 和 R( j , n) 构建 的一个比值光谱指数; R( i , n) 和 R( j , n) 分别为任意两个波 长的反射率 , i 的范围 350～2 500 nm , j 的范围 350～2 500 nm。 115 减量精细采样法的设计与实现 针对本研究中的海量高光谱数据 , 采取降采样法和精细 采样法相融合 , 设计形成减量精细采样法 , 从而实现资料的 快速分析与特征提取。减量精细采样法的具体步骤可分成 2 个模块。首先 , 采用降采样方法构建估算小麦氮积累量的比 值光谱指数(RSI) , 即在 350～2 500 nm 范围内每隔 10 个波 段读取光谱反射率数据 (波段间隔 = 10 nm) , 采用矩阵的形 式 , 将两两组合的所有可能波段构建的植被指数与小麦氮积 累量拟合方程(包括直线方程、指数方程和幂函数方程) , 计 算相应的决定系数 , 绘制浓度决定系数 ( R 2 ) 图(颜色从蓝色 到红色表示决定系数由小到大 , 同种颜色浓度越深表示决定 系数越大) , 确定决定系数最大的波段范围。然后 , 采用精细 采样法 , 逐个波段(波段间隔 = 1 nm) 读取光谱反射率数据 , 两两组合构建所有可能的比值光谱指数 , 与小麦氮积累量拟 合方程 , 基于决定系数( R 2 ) 和标准误差 (SE) 及光谱学原理 , 确立最佳特征波段和相应的比值植被指数。其中 , 植被指数 矩阵的构建、决定系数的计算与排序、浓度图的绘制等工作 均在软件 MA TLAB ( The MathWorks , 2000) 中通过自编程 序实现。 116 模型的检验和测试 利用试验 3 资料对所筛选建立的氮素监测模型进行测试 和检验 , 采用通用的均方根差 (RRMSE) [16 ] 进行评定 , 并绘 制试验观察值与模型预测值之间的 1 ∶1 关系图。 RRMSE = 1 n × ∑ n i =1 ( Pi - Oi) 2 × 100 OŠi 2 结果与分析 211 基于减量精细采样法的比值光谱指数( RSI) 及监测模型 基于上述方法 , 首先利用降采样法 , 获得全波段范围内 所有 RSI 与叶片氮积累量直线方程、幂函数、指数函数的决 定系数浓度图 , 分别确定敏感波段范围。结果发现 , 敏感波 段范围主要位于可见光区和近红外区。其敏感波段分别为 : (560～730 nm) 和(900～1 020 nm) (图 1) 、(375～730 nm) 和 (710～1 200 nm) (图略) 、(500～600 nm) 和(750～1 050 nm) (图略) 。然后 , 采用精细采样方法 , 发现由 990 和 720 nm 为 2192 光谱学与光谱分析 第 29 卷