棉花全生长周期机载高光谱正射影像数据集构建

引言

棉花作为我国极为重要的1种大田经济作物, 其生产覆盖全国 24个省( 直辖市、自治区) ,商品率在95%以上,在国民经济中占有十分重要的地位。新疆因得天独厚的气候、光照、土地等自然资源条件,成为目前我国最大的商品棉基地,实现棉花种植生产的精准管理,对促进新疆经济发展具有重要意义。

随着遥感对地观测技术的不断发展,遥感数据在诸多领域都得到了广泛的应用,已经成为人们获取地理环境及其变化信息的重要手段。高光谱作为遥感技术中的重要一环,以其光谱分辨率高、图谱合一等独特优势,在植被参数反演、作物长势监测、产量估计、品质监测以及病虫害监测预测方面都得到了广泛应用。

本文结合当前农业遥感领域高光谱数据集较为匮乏的研究现状,利用无人机搭载高光谱成像仪对新疆塔城地区蘑菇湖村的棉花试验田进行数据采集,同步利用地物光谱仪对地面数据进行相应的采集。经数据预处理得到的机载棉花正射影像, 联合地面光谱数据使用典型光谱特征值及一阶微分,对机载棉花高光谱数据的准确性与可靠性进行验证,以期为棉花生长状况状态监测、机载高光谱图 像质量研究、棉花光谱库的构建、农作物高光谱或多光谱数据集的构建等多个应用方向提供参考和借鉴。

结资料与方法

2.1 研究区概况

山北麓中段,准噶尔盆地南缘,整体地势南高北低,北部为古尔班通特沙漠,中部为山前洪积-冲积绿洲平原,南部为天山支脉,属于典型大陆性中温带 干旱气候,夏季炎热冬季寒冷,具有降水量少、蒸发量大、气候干燥、昼夜温差大等特点,年平均气温约 为 6. 6 ℃ ,年降水量140~350mm,年蒸发量为1 500~2000 mm, 为寒旱种植区, 全年太阳实照时数为2835h左右,无霜期约为180d。研究区主要种植作物有棉花、小麦、玉米、甜菜、西葫芦和苜蓿等,其中棉花的种植期为4—10月。研究经纬度范围为44°24′29. 27″~44°24′32. 45″N,85°53′27. 35″~85°53′28. 57″E,影像获取于6、7、8、10月,地表覆盖物主要为棉花、葫芦瓜以及裸土。

2.2 数据处理

机载棉花高光谱数据分别于2019年6月4日(苗期) 、2019年6月 29日(苗后期) 、2019年7月11日(蕾期) 、2019年7月18日(花期) 、2019年8月7日(玲期) 、2019年8月27日(盛铃期) 、2021年10月8日(吐絮期)7 个时间段运用无人机高光谱及地物光谱仪采集。

图 1不同生育期棉花高光谱数据

结果与分析

3.1 机载棉花冠层光谱反射率分析

图 2 棉花冠层光谱反射率曲线和反射率曲线的一阶微分

从图 2A可以发现,6月4日到8月27日之间,棉花冠层光谱反射曲线呈现典型植被特征,反射率总体呈现先下降后上升的变化趋势。10月8日的 棉花处于收获期,主要是裸露的棉花和干枯的枝叶,无绿色植被覆盖,。在553nm (第6波段)处出现“绿峰特征” ,在673 nm(第19波段)处出现“红谷特征”,而“红边特征”主要集中在723~733nm(第24波段到第25波段)之间。“绿峰特征”主要是由于叶绿素对蓝光和红光的强吸 收引起的, 6月4日光谱反射最高,约为18%;8月7日的反射率最低,反射率值约为7%。在棉花生长的早期,棉花植株小、冠层小,无论是叶片的面积还是叶绿素的含量相对较小,对于光谱的吸收能力较弱,大量的地膜以及裸土,对棉花冠层光 谱反射率也产生了一定的影响。随着棉花的不断生长,叶绿素含量较早期明显增加,在盛铃期达到最大值,光合作用最为显著,因此对于蓝红光的吸收较强。

“红谷特征”主要是由于植物进行光合作用时 对红光的强吸收引起的,红谷的深度直接表征植物的光合作用强弱。6月4日到8月27日之间光谱反射率也呈现出先下降后上升的趋势,6月4日的光谱反射率最高,约为13%。8月7日的光谱反射率最低,约为3%。其主要原因仍是裸露的土壤 对棉花冠层的光谱反射率产生了一定的影响,使得6月4日的棉花冠层光谱反射率较高。随着棉花的不断生长,地面的植被覆盖度大大增加,对红光的吸收在盛铃期达到最大。“红边特征”主要集中在723~733nm(第24波段到第25波段)之间,在672~762nm(第19波段到第28波段)光谱范围中有叶绿素强吸收的红光波段和 强散射的近红外波段。由图2B一阶微分反射率曲线可以看到,从6月4日开始,反射率曲线斜率不断增大,在8月7日达到最大值后,增长速度放缓。棉花生长前期,叶绿素密度较小,红边斜率较小,红边位置靠短波方向。随着生育期的推进,植株逐渐长大,冠层的叶绿素含量逐渐增加,红边斜率缓慢增加,红边的位置向近红外波段移动。到棉花的铃期,冠层的叶绿素也达到最大,叶绿素对红光波段的吸收加宽、加深,此时红边斜率达到最大值,红边位置更靠近红外波段。随着物候期的推进,冠层下部叶片逐渐衰老、死亡,在吐絮阶段,冠层叶绿素缓慢下降,致使红边斜率降低,红边的位置向短波方向移动,这与前人研究结果相一致。在752~903nm (第27波段到第42波段)之间,棉花的冠层光谱反射率 维持在一个固定的反射率区间,基本保持不变。

不同生长时期,近红外波段反射率差异显著,主要和生物量大小、棉花冠层叶片叶绿素含量、细胞结 构以及冠层结构改变密切相关,有研究表明,植物在近红外波段的反射率与叶片的层数有一定的关系,叶片的层数越多反射越高。与单片叶子相比,多片叶子能够在光谱的近红外波段产生更高的反射率,主要是因为辐射能量透过最上层的叶子后,将被第二层的叶子反射,结果在形式上增强了第一 层叶子的反射能量。与此同时细胞的含水量也有一定的影响,随着含水量 的增加,在近红外波段,棉花冠层光谱反射率呈上升趋势。因此不同生育期棉花冠层光谱反射率在近红外波段显现一定差异性,符合实际情况。通过对不同生长周期,相同波段区间的光谱特征表现的一致分析基本相同,说明了无人机载高光谱棉花数据的准确性和可靠性。

3.2 棉花冠层光谱反射率对比

通过对采集的3期反射率光谱数据进行比对,发现在波长503~850nm范围内,对同种地物2种仪器有着相同反射光谱特征,反射率曲线具有良好的一致性,且棉花的光谱特征值也无显著差异;表明在此波段范围所获取高光 谱影像中包含的地物光谱信息是准确可靠的;而在862~903nm(第38波段到第42波段)之间,植物的光谱反射率出现明显下降,与地面采集光谱数据差异较大。造成这种现象原因可能为以下3点:

(1)地物光谱曲线波动明显,这是由于传感器在探测范围边界噪声增大;

( 2) 2种数据的太阳-目标-传感器的几何位置差异造成二向性分布函数 影像;

(3)传感器的通道响应函数造成的这种影响。

通过二者数据对比发现,棉花冠层光谱反射率曲线变化趋势基本一致,进一步验证了无人机载高光谱棉花数据的准确性和可靠性。

3.3 讨论与结论

本数据集为机载高光谱棉花的正射影像数据, 较其他类型遥感数据相比,有以下特点: 空间与光谱分辨率高。本数据集为无人机遥感数据,数据的空间分辨率较高,空间分辨率达6. 2cm;光谱信息丰富( 42个波段成像, 平均波宽10nm) ,较常见的可见光遥感数据相比,窄波段成像能更好的反应地物的光谱特征,有利于表现地物之间细微差别。长周期观测。本数据集由7个典型生育期的棉花高光谱数据组成,数据的时序性强,能够提供不同生育期的棉花光谱特征,此外,数据观测对象为新疆塔城地区的机采棉花 ,该品种在新疆地区具有一定的代表性。

通过对比分析2种不同仪器采集的相同地物的光谱数据,验证了无人机载高光谱棉花数据的可靠性和准确性。通过对不同生育期,相同波段区间内的光谱特征表现的一致性分析,说明了数据的可靠性和准确性。数据集反映了棉花不同生长周期的光谱特征变化规律,可为棉花的低空遥感精细监测提供高质量数据,同时为作物高光谱(多光谱) 数据集的构建提供参考。

推荐：

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一款基于小型多旋翼无人机高光谱成像系统，该系统由高光谱成像相机、稳定云台、机载控制与数据采集模块、机载供电模块等部分组成。无人机机载高光谱成像系统通过独特的内置式或外部扫描和稳定控制，有效地解决了在微型无人机搭载推扫式高光谱照相机时，由于振动引起的图像质量较差的问题，并具备较高的光谱分辨率和良好的成像性能。

审核编辑 黄宇