高光谱遥感精准农业应用示范——南非约翰内斯堡大学鉴别玉米品种

摘要：

近期高光谱技术的进步以及遥感技术在精准农业中越来越多的应用使其在植被研究领域备受瞩目。本文的目的是证明利用高光谱遥感技术对玉米品种在叶面水平进行鉴别的潜力。研究人员使用野外便携式地物光谱仪（PSR+3500），在户外条件下对八个不同品种的玉米叶片进行反射光谱数据的采集，然后从这些测量得到的光谱数据得到反射率曲线，通过统计分析相关波段的反射率曲线，利用高光谱数据和Tukey-Kramer HSD检验方法，结果表明75％的玉米品种被成功鉴别并且p值小于0.0001。

引言：

南非是全球玉米十大生产国之一，也是非洲南部地区最大的玉米生产国，在本地区的耕地面积和粮食总产量中都占有极大的比重。面对不断增长的粮食需求，南非地区乃至全世界都在寻求提供其产量的方法，其中一种方法就是培育优质的玉米品种。

高光谱遥感技术在全球范围内提高作为产量方面一直发挥着重要的作用，并在该领域仍具有很大的潜力。可见（400-700nm）和近红外（700-1100nm）区域是进行大多数植被研究至关重要的波段，这是因为该波长区域具有检测植物的许多生理和生物学特征的能力。健康植被表面具有特定的光谱特性。以往的相关研究证实，这一技术可以准确识别茶类植株、巴西的甘蔗品种、计算小麦和甘蔗中氮的含量等等。

本文的研究试图利用高光谱技术，测试不同玉米叶片的光谱数据，从而鉴别南非自由州东北部的玉米试验田中的玉米品种。

材料与方法：

本研究通过美国Spectral Evolution公司的PSR+3500便携式地物波谱仪（如图1）进行光谱数据采集的，PSR+3500便携式地物波谱仪性能稳定、分辨率高、便于携带、操作简单、，可快速实现紫外、可见光、近红外（350-2500nm）全谱段波谱稳定测量，因此为本研究工作的开展提供了极大的方便。

图 1  PSR+3500便携式地物波谱仪

本研究的玉米样品来自2013/2014生长季度南非自由州东北部的玉米试验田，实验品种包括DKC 78-79 BRGEN、BT 1 YGI Mon 810、8216 BR、KKS 8301、PAN 3Q-222、Imp 51-92 R、SC 602 Kuilvoer、P31 M 05R和一些其他的试验品种。图2为PSR+3500采集的八个品种玉米叶片的反射率光谱曲线，图谱中去掉了890-990nm、1355-1450nm和1800-1950nm的水分吸收显著的区域和350-399nm噪声干扰较明显的区域。

 图 2  不同玉米品种的反射率光谱曲线

J·W·图凯（Tukey）于1953年提出一种能将所有各对平均值同时比较的方法，这种方法现在已被广泛采用，一般称之为“HSD检验法”，或称“W法”。

采用图凯检验法时，只要计算一个数值，就能借以完成所有各对平均值之差的比较。这个数值称为HSD，由以下公式给出：

其中的q值与显著性水平α，实验中平均值的个数k以及误差自由度n-k有关，可由附表H查出。任何一对平均值之差只要超过HSD值，就表明这一对平均值之间的差别是显著的。注意，统计量HSD要求所有样本的容量都相等，即要求n1 = n2 = Λ = nj

采用Tukey-Kramer HSD检验方法，将对近红外波段的反射率数据进行分析比较（如表1所示），结果表明八种品种中的六种（75%）的p值小于0.0001。

表 1 不同品种的玉米间数据分析对比结果

结论：

本研究成功利用近红外波段的高光谱数据对一些玉米品种进行了鉴别，该研究工作对生长期的玉米分类提供了方法和参考，对特定季节生长的玉米产量估计具有重要的指导意义。然而，还需要更进一步的研究来对所有的玉米品种进行分辨。