苹果树花期叶/冠N、P营养状况的卫星遥感反演研究

摘要

N、P营养元素是苹果树生长和果实品质形成必需的基本养分，快捷、准确地诊断N、P含量，对于科学合理施肥、优质高效管理具有重要意义。果树N、P元素含量的变化会引起叶片生理和形态结构上的变化，导致光谱反射特性亦随之发生变化，为遥感获取养分信息提供了理论依据。近年来，定量遥感的发展使实时、快捷监测植物的生化组分含量已成为可能，并一直是农业遥感应用和精准农业领域的研究热点。但目前的植物营养遥感反演主要集中在粮食和蔬菜作物，对果树的研究甚少，而且对星载遥感数据利用较少。
　　 本研究以山东省栖霞市为研究区，以红富士苹果树叶/冠为研究对象，在ErdasImage、ENVI、ARCGIS、SPSS、Libsvm、Access等软件支持下，结合地面实测高光谱数据、6S大气辐射传输模型、DEM高程模型等，基于不同分辨率的卫星遥感影像Landsat-5TM(ThematicMapper，即专题绘图仪)和ALOSAVNIR-2(AdvancedVisibleandNearIn-fraredRadiometerType2，即先进可见光与近红外辐射计-2)，从苹果树冠层反射率反演入手，构建并筛选苹果叶、花和冠层的N、P元素含量的敏感光谱指数，采用多种方法建立N、P营养元素反演模型，利用精度最高的支持向量机模型进行空间反演，继而进行空间反演效果分析。主要内容与结论如下：
　　 (1)明确了苹果树冠层反射率反演方法
　　 以6S辐射传输模型和地形校正算法为依据对苹果花期TM和ALOS影像进行地形辐射校正得到地表反演反射率，地形辐射校正有效减弱了地形和大气的影响，地表反演反射率和NDVI较表观反射率大幅提高，恢复了阴影处的地物，两种分辨率影像的解析力均明显改善。
　　 将花叶比引入到混合像元分解中，利用线性分解模型获取了近似真实的苹果冠层反演反射率，其与实测值的绝对误差最小，各波段相对误差的变动范围也最小，且所有波段的样本间变化趋势与实测值亦最一致。
　　 反演方法应用于不同分辨率影像上，表现出了相似的反射率变化特点，高分辨率影像在反演方面具有优势，但受波段数量限制。
　　 (2)筛选出N、P营养元素的敏感光谱指数
　　 基于苹果树冠层反演反射率和重采样的冠层实测反射率，构建了上百种光谱指数，分别与苹果叶、花和冠层的N、P含量进行相关分析，以相关性显著且4类反射率光谱指数相关系数均高为原则，筛选出对应的敏感光谱指数。无论是N还是P含量，整体敏感性表现为：冠层>叶>花，冠层敏感光谱指数均显著，叶敏感光谱指数只有部分显著，而花的光谱指数均不敏感；无论是冠层还是叶片，整体敏感性表现为：N含量>P含量；敏感光谱指数的波段构成上以2、3、4为主，与植被的敏感波段一致；叶片水平上ALOS敏感性略逊于TM，但冠层水平上ALOS好于TM。
　　 (3)建立了苹果树N、P元素含量反演模型
　　 基于TM和ALOS影像的苹果树冠层反演反射率，以敏感光谱指数为自变量，采用单变量回归、逐步回归和支持向量机回归方法分别构建了叶N素、冠层N素、叶P素和冠层P素反演模型。模型精度总体表现为：支持向量机>逐步回归>单变量回归，支持向量机回归模型的决定系数都在0.799以上，因此选择支持向量机模型用于N、P元素的空间反演；基于不同分辨率的影像所建立的支持向量机模型表现一致，模型精度基本表现为：冠层>叶，N素>P素。
　　 (4)进行了研究区苹果树N素状况的遥感反演
　　 利用支持向量机回归模型进行N素含量空间反演，分别获取叶N素和冠层N素反演含量。
　　 叶反演N含量的等级均以3-4等为主，TM-叶N含量平均值较ALOS高1.231g/kg，影像间反演结果比较显示，在15％、10％和5％允许误差范围内，像元比例分别为84.96％、71.32％和48.37％。
　　 冠层反演N含量指标受花叶比差异的影响差别较大，经均值差平衡后，分析区营养等级均集中于2-4等，前者仍较后者高，影像间反演结果比较显示，在15％、10％和5％允许误差范围内，像元比例分别为92.76％、78.51％和47.93％，冠层N整体反演效果好于叶N。
　　 样区花N素预测值与实测值的相关性均显著，在5％的误差允许范围内，TM和ALOS的预测精度分别为73.33％和86.67％，在10％的误差允许范围内，TM和ALOS的预测精度分别为76.67％和90.00％，ALOS预测精度略好于TM。
　　 (5)进行了研究区苹果树P素状况的遥感反演
　　 利用支持向量机回归模型进行P素含量空间反演，分别获取叶P素和冠层P素含量指标空间分布图。
　　 叶反演P含量均以3.4等级为主，TM-叶P素含量平均值较ALOS高0.394g/kg，影像间反演结果比较显示，在15％、10％和5％允许误差范围内，像元比例分别为50.80％、36.11％和18.80％。
　　 基于不同影像的冠层P含量指标经差值平衡后，结果相近，营养等级均集中于3-4等，前者仍较后者略高，影像间反演结果比较显示，在15％、10％和5％允许误差范围内，像元比例分别为76.77％、60.92％和35.69％，冠层P反演效果好于叶P。
　　 样区花P素预测值与实测值的相关性均显著，在5％的误差允许范围内，TM和ALOS的预测精度均为76.67％，在10％的误差允许范围内，TM和ALOS的预测精度分别为80.00％和76.67％。从整体预测效果看，ALOS好于TM，但ALOS个别样本误差较大。
　　 无论是叶、冠层还是样区花，N素的反演效果均好于P素，基于不同影像的冠层N和P反演结果经差值平衡后，在假定花营养水平一致的条件下，结果相近，且效果好于叶片。不论哪一类反演结果，都表现为TM均值高于ALOS。
　　 (6)明晰了研究区苹果树N、P营养状况空间分布
　　 空间布局上，N、P元素营养状况均以2～4等级为主，3个等级的比例之和可达80％以上，尤以3～4等级比例更高；无论是N还是P，无论是叶片还是冠层，高等级区相对集中分布于南部的蛇窝泊镇和观里镇、西北部的苏家店镇和松山街道、东北部的臧家庄镇和亭口镇的部分区域，与栖霞市的苹果生产重点镇的布局一致；分析区空间布局则表现为东北部高于西南部，河岸两侧营养水平相对较高；低等级区比例较小且分散，常与其他等级混杂。
　　 综上，本研究为基于卫星遥感影像的苹果树冠层反射率反演和N、P营养元素诊断提供了一种可行的反演方法和流程，对于苹果园管理基础数据获取与应用具有积极意义，也可为其他农业遥感反演研究及应用提供借鉴。