高光谱成像在有效农业领域应用

高光谱遥感是高光谱分辨率遥感(Hyperspectral Remote Sensing)的简称，它是20世纪末迅速发展起来的一种全新遥感技术，是指利用遥感仪器在特定光谱域以高光谱分辨率(光谱分辨率在10nm以下)获取连续的地物光谱图像的遥感技术。成像光谱仪(Imaging Sepctrometer)为每个像元提供数十至数百个窄波段(通常波段宽度小于10nm）。

有效农业是按照田间每一操作单元(区域、部位)的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，较大限度地优化使用各项农业投入，以获取单位面积上的较高产量和较大经济效益，同时保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源。它是从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫草害防治的专家们在进行作物生长模拟、栽培管理、测土配方施肥等专家应用系统研究中，为进一步了解农田内小区作物产量和生长环境条件的时空差异，从而实现定位、定量投入而发展起来的。有效农业的基础是地块内的空间变异。有效农业要求生产和资源利用上的“精”和管理发展上的“准”，包含遥感技术在内的3S技术是它的一个重要组成部分。

从地面遥感传感器到测视雷达，从田间养分速测仪到星载的成像光谱仪，遥感技术在农业领域的应用有了很大发展，同时取得了巨大的经济和社会效益。高光谱成像技术的发展为遥感信息定量应用开辟了新的领域，并逐渐成为新兴的有效农业较重要的技术手段之一。

一、农作物高光谱遥感识别和分类

农作物遥感识别是遥感技术在农业领域应用的重要内容，也是资源遥感的重要组成部分。植被光谱不仅具有高度相似性和空间变异性，而且具有时间动态性强等特点。不同植被的光谱随时间的变化规律也具有明显的区别，因此充分发挥高光谱遥感的少有性能，特别是其在区分地表细微差别方面的优势，同时结合植被的时间动态特征，将大大提高土地覆盖类型的识别与分类精度。

研究结果表明，高光谱成像技术能有效地对作物进行分类和识别，且分类精度较高，这对于大比例尺度研究地表作物覆盖、入侵植物监测等提取较加细致的信息提供了有力保障。

二、高光谱遥感监测作物叶面积指数、生物量和叶绿素含量

叶面积指数(LAI)通常是指单位面积土地上所有叶片表面积的总和，或单位面积上植物叶片的垂直投影面积总和。它是生态系统的一个重要结构参数，可用来反映植物叶面数量、冠层结构变化、植物群落生命活力及其环境效应，为植物冠层表面物质和能量交换的描述提供结构化的定量信息。叶面积指数与生物量(干重、鲜重)和叶绿素是衡量作物生长状况的重要指标。如何利用遥感技术实时监测植株叶面积、生物量和叶绿素，对于作物的管理调控及估产具有重要意义。

利用高光谱数据可以及时估算及预测作物的生物量、叶面积指数、叶绿素等生理参数。目前，光谱特征正成为实时、快速监测作物长势的有效手段。

三、高光谱遥感监测作物养分及水分状况

在农作物生产中，水肥是影响作物生长的较主要因素之一。氮磷钾肥是作物生长和产量形成所必需的重要元素;水分是作物的主要组成成分，水分亏缺将直接影响作物的生理生化过程和形态结构，从而影响作物生长。因此，及时准确地监测作物的水分状况对提高作物水分管理水平、指导节水农业生产具有重要意义。利用高光谱成像技术对作物矿质营养和水分胁迫进行监测，进而估算作物的营养和需水状况，从而指导施肥灌溉，是近年来发展起来的一门新技术。

例如氮、磷、钾等元素的缺乏可导致小麦叶绿素含量降低和可见光(400～700nm)及近红外波段(700～1100nm)光谱反射率增加。利用高光谱成像技术可以对作物的营养状况和水分含量进行比较准确的分析和检测，为变量施肥和灌溉提供参考，从而节省农业资源的投入。高光谱养分和水分诊断模型在农业生产中具有较高的应用价值和广阔的应用前景。

四、农作物长势监测和估产

高光谱遥感的较多波段(几十、上百个)和高分辨率(1～20nm)使其可用于探测植被的精细光谱信息(特别是植被各种生化组分的吸收光谱信息)，反演植被各生化组分的含量，监测植被的生长状况。

另外，还可通过高光谱信息监测植物病虫害。植物病虫害监测是通过监测叶片的生物化学成分来实现的，病虫害感染导致叶片叶肉细胞的结构发生变化，进而使叶片的光谱反射率发生变化。同种健康小麦和发生条锈病的小麦植株(包括病害处于潜伏期的植株)的光谱特征存在明显差异，而这些差异主要体现在某个或某几个光的光谱吸收带上。通过对不同病情指数下小麦冠层的光谱进行研究，发现小麦条锈病冠层反射率随小麦病情指数的变化呈明显而有规律的变化。不同严重度小麦白粉病冠层光谱反射率及病情指数表明，灌浆期地面光谱测量冠层光谱反射率和低空遥感数字图像反射率与小麦白粉病病情指数存在显著的相关关系。

利用遥感信息进行作物估产是利用某种植被指数在作物生长发育关键期内的和与产量的实测或统计数据间建立的各种形式的相关方程来实现的。

利用高光谱成像技术可以快速、简便、大面积、无破坏、客观地监测作物的长势并对作物进行估产，高光谱成像技术在生产中具有良好的应用前景，是农作物长势监测和估产的主要发展方向。