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面積最高達到4000萬hm2，嚴重威脅我國的糧食安全。

因此，在水資源短缺的嚴峻形勢下，提高水資源的利用效率對指導作物生長發(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確度不高，操作較為復雜，易受環(huán)境溫度等外界因素影響，具有一定的局限性，并且應用范圍窄，難以適應大面積的農(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)，以其準確?無損?快速的技術(shù)優(yōu)點已廣泛應用于作物水分監(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?；贑GMD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)合先進預處理，特征提取和機器學習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)測的應用

雖然當前高光譜遙感技術(shù)應用于水分監(jiān)測的作物類型已經(jīng)有很多種，但是在監(jiān)測作物水分指標和方法上面也會有所不同，這些水分指標包括植株含水量(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)測指標和研究方法方面更具全面性和系統(tǒng)性。已有許多學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