利用高光譜數(shù)據(jù)估測不同溫度脅迫下的水稻籽粒中粗蛋白和直.doc

利用高光譜數(shù)據(jù)估測不同溫度脅迫下的水稻籽粒中粗蛋白和直鏈淀粉含量基金項目：國家公益性行業(yè)科研專項項目（編號：GYHY201106027）；江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室開放基金（編號：JKLAM201204）。作者簡介：謝曉金（1979-）,女，安徽安慶人，講師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)遙感、植物生理生態(tài)等研究。收稿日期：2012-03-15； 修回日期：謝曉金1,2，李秉柏1，朱紅霞1（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，江蘇 南京210014；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，江蘇 南京 210044）摘 要：水稻籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量是評價稻米品質(zhì)的兩個主要指標(biāo)。本文以不同溫度脅迫下的水稻田間試驗為基礎(chǔ)，分析水稻成熟籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量與不同生育期冠層反射光譜的相關(guān)性。結(jié)果顯示，水稻籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量與不同生育期冠層原始光譜和一階導(dǎo)數(shù)在某些波段達(dá)到極顯著或顯著相關(guān)水平。進(jìn)一步分析比值植被指數(shù)、差值植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)和紅邊參數(shù)等光譜參數(shù)與成熟籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的相關(guān)性，用回歸分析方法對相關(guān)擬合較好的參數(shù)進(jìn)行篩選，建立了水稻成熟籽粒粗蛋白含量( GCPC)和直鏈淀粉含量( GAC)監(jiān)測模型，運用獨立觀測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行檢驗，其預(yù)測值與實測值的精確度為0.3930.683，準(zhǔn)確度為0.7080.923，RMSE值為8.706%11.296%。表明模型預(yù)測值與實測值之間具有較高的符合度，對水稻籽粒粗蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量具有較好的預(yù)測性。關(guān)鍵詞: 水稻籽粒；粗蛋白質(zhì)含量；直鏈淀粉含量；反射光譜；光譜參數(shù)冠層反射光譜能夠反映作物群體面源信息，通過對冠層光譜信息的解析，可以有效提取和突出作物目標(biāo)的實時信息。多年來，反射光譜數(shù)據(jù)已成為估測葉面積指數(shù)、地上生物量、葉綠素含量和氮素營養(yǎng)等農(nóng)作物長勢監(jiān)測和遙感估產(chǎn)的重要手段1-2。粗蛋白和直鏈淀粉含量是谷類作物營養(yǎng)品質(zhì)的兩個重要指標(biāo)，近年來，國內(nèi)外許多研究表明，利用反射光譜來預(yù)測谷類籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量也是可行的。Hansen等報道了利用冠層光譜反射率和偏最小二乘法預(yù)測小麥籽粒蛋白質(zhì)含量3。李映雪等指出， 灌漿中期冠層光譜指數(shù) RVI (1 220, 710)能預(yù)測不同小麥品種成熟期籽粒蛋白質(zhì)含量的變化4。劉蕓等利用原始光譜反射率和一階導(dǎo)數(shù)光譜來構(gòu)建植被指數(shù)來預(yù)測籽粒粗蛋白、粗淀粉和直鏈淀粉含量，其決定系數(shù)達(dá)0.7以上5。但以上研究主要偏重于氮素脅迫下的谷類籽粒品質(zhì)的光譜反演，而定量反演高溫脅迫條件下水稻籽粒品質(zhì)的研究未見報道。目前，隨著全球氣候變化的日益加劇，夏季極端高溫和持續(xù)高溫頻繁出現(xiàn)，我國長江流域水稻發(fā)生熱害的頻率與受害程度隨之加大，對水稻品質(zhì)損害的程度也越來越嚴(yán)重，而利用高光譜遙感技術(shù)進(jìn)行高溫?zé)岷﹂L勢和品質(zhì)監(jiān)測的研究必是未來農(nóng)業(yè)遙感重心之一6,7。本研究以不同年份、不同品種類型在不同溫度脅迫下的水稻試驗為基礎(chǔ)，測定不同生育期水稻冠層高光譜反射率以及成熟籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量，討論水稻籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量與冠層反射光譜參數(shù)的定量關(guān)系，為快速、低成本地檢測稻米品質(zhì)提供依據(jù)，同時也為用高光譜遙感方法在水稻高溫?zé)岷χ械钠焚|(zhì)監(jiān)測應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)。1材料與方法1.1試驗設(shè)計試驗1：試驗于2007、2008年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗站進(jìn)行，供試水稻品種為揚稻6號（常規(guī)秈稻，全生育期約138d）和南粳43（常規(guī)粳稻，全生育期約160d）。5月15日育秧，6月18日移栽，揚稻6號于8月18日開始抽穗，南粳43于9月1日開始抽穗。采用浙江余姚生產(chǎn)的遠(yuǎn)紅外加熱燈管（長1.5m，額定功率1000W）和自動控溫系統(tǒng)，自行設(shè)計高1.7m，長、寬各1.5m的柱型鋼管支架，安置在水稻試驗田中，遠(yuǎn)紅外加熱管離地1.5m高。在溫控和通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)控下，使加熱區(qū)（離地面0.81.2m高的空間）的溫度變幅控制在0.2左右。在兩個水稻品種處于孕穗期時，隨機選取10箱水稻進(jìn)行高溫處理，另外10箱為常溫對照（CK），加熱設(shè)施提前30min通電預(yù)熱，以確保09:00-14:00時段內(nèi)穗層溫度為35、38與41，處理時間為3d，每天高溫處理5h后停止增溫。在處理時段內(nèi)，常溫對照的氣溫為3031，相對濕度為65%，高溫處理的相對濕度為68%。試驗2：在以上兩個水稻品種處于孕穗期時，隨機選取5箱水稻移入RXZ型人工氣候光照培養(yǎng)箱中，進(jìn)行35、38與41 3個溫度梯度處理，處理時間為3d，每天處理5h（09:00-14:00），每天高溫處理結(jié)束之后放置于網(wǎng)室內(nèi)。以自然環(huán)境條件下溫度為對照。試驗資料用于檢驗預(yù)測模型。1.2試驗測定1.2.1光譜測定于水稻開花期、灌漿期及蠟熟期采用美國Analytical Spectral Device(ASD)公司生產(chǎn)的FieldSpec Pro FR2500型背掛式野外高光譜輻射儀測定冠層光譜反射率，光譜儀的波段范圍為3502 500 nm，其中，3501 000 nm光譜采樣間隔為1.4 nm，光譜分辨率為3nm； 1 0002 500 nm光譜采樣間隔為2 nm，光譜分辨率為10 nm。冠層光譜測定選擇在天氣晴朗、無風(fēng)或風(fēng)速很小時進(jìn)行，時間范圍為10: 0014: 00，傳感器探頭垂直向下，距冠層頂垂直高度約1. 0m，光譜儀視場角為25，地面視場范圍直徑為0.44m。每個小區(qū)記錄10個采樣光譜，取平均值作為該處理的高光譜反射值。測量過程中及時進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正。用ASD ViewSpec Programs 軟件讀取反射光譜原始數(shù)據(jù)。1.2.2 粗蛋白和直鏈淀粉測定將光譜測量區(qū)域的水稻收獲后碾磨去殼，得大米。大米直鏈淀粉的提取參照文獻(xiàn)8方法。用凱氏定氮法測全氮含量，根據(jù)一般大米蛋白質(zhì)含約16.80%氮的原理，將所得的全氮含量乘以換算因子K=5.95，推算為粗蛋白含量。1.3數(shù)據(jù)分析參照已有的植物光譜參數(shù)計算方法9-12，基于所有波段的反射率、一階導(dǎo)數(shù)構(gòu)建兩波段組合的比值、差值和歸一化植被指數(shù)以及紅邊幅值等特征光譜參數(shù)，以試驗1為基礎(chǔ)，對水稻冠層各項光譜參數(shù)與成熟籽粒粗蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量進(jìn)行相關(guān)分析，選擇與籽粒粗蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量顯著相關(guān)的波段及植被指數(shù)進(jìn)行回歸擬合，并通過回歸分析確定監(jiān)測水稻籽粒蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量的最佳光譜參數(shù)，建立預(yù)測模型。利用試驗2的觀測數(shù)據(jù)對以上模型進(jìn)行測試和檢驗。采用國際上常用的根均方差法(RMSE , root mean square error ) 對模型進(jìn)行檢驗。RMSE以模擬值與觀測值的一致性來反映模型的預(yù)測能力，RMSE值小于10 %，表明預(yù)測性強；RMSE值大于30 %，則表明預(yù)測性差。并引用Massart 等13提出的精確度(Precision)和準(zhǔn)確度(Accuracy)概念對模型的預(yù)測精度進(jìn)行評價，精確度即實測值與預(yù)測值之間的決定系數(shù)，準(zhǔn)確度即實測值與預(yù)測值擬合方程的斜率。2 結(jié)果與分析2.1高溫脅迫下籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的變化圖1 高溫脅迫下水稻籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的變化圖1展示出不同溫度脅迫條件下?lián)P稻6號和南粳43的粗蛋白和直鏈淀粉含量的變化特點?？梢钥闯觯c對照相比，兩個水稻品種的籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量均達(dá)到顯著或極顯著水平（p0.05或P0.01），并且隨脅迫溫度的增加，兩個品種的籽粒粗蛋白含量呈下降趨勢，而直鏈淀粉含量呈上升趨勢。2.2冠層反射光譜與水稻籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的關(guān)系2.2.1冠層單波段反射率與籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的相關(guān)性圖2不同生育期冠層光譜反射率與水稻籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的相關(guān)系數(shù)A:開花期B:灌漿期C:蠟熟期從圖2可以看出，水稻籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量與3個生育期冠層光譜反射率的相關(guān)性具有相反的趨勢，其中粗蛋白與開花期和灌漿期冠層光譜反射率在整個光譜區(qū)域都達(dá)從圖2可以看出，水稻籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量與3個生育期冠層光譜反射率的相關(guān)性具有相反的趨勢，其中粗蛋白與開花期和灌漿期冠層光譜反射率在整個光譜區(qū)域都達(dá)到正相關(guān)，直鏈淀粉含量與開花期冠層光譜反射率僅在紅光（642-691nm）范圍內(nèi)呈正相關(guān)，在其他光譜范圍內(nèi)均呈負(fù)相關(guān)，而與灌漿期冠層光譜反射率在整個光譜區(qū)域都達(dá)到正相關(guān)。對于蠟熟期，粗蛋白在350-532 nm、575-695 nm以及1 760 nm以上光譜區(qū)域呈負(fù)相關(guān)，在其他光譜范圍內(nèi)均呈正相關(guān)。直鏈淀粉含量在350-706 nm光譜區(qū)域呈正相關(guān)，而706 nm以上可見光和紅外區(qū)域光譜為負(fù)相關(guān)。另外，水稻籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量與不同生育期葉片冠層光譜一階導(dǎo)數(shù)在某些波段（如376、416、628和715 nm等）也達(dá)到了顯著或極顯著相關(guān)水平（p0.05或p0.01）。這表明，可以通過冠層原始高光譜反射率和一階導(dǎo)數(shù)來估測籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉的相對含量。本試驗還顯示，籽粒的粗蛋白與直鏈淀粉含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.356，表明水稻籽粒粗蛋白含量越高，其直鏈淀粉含量相對就越低。2.2.2各類光譜變量與籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的相關(guān)性將水稻冠層原始光譜反射率、一階導(dǎo)數(shù)以及組合成的光譜變量與粗蛋白和直鏈淀粉含量進(jìn)行相關(guān)性分析，并將相關(guān)系數(shù)較大的光譜變量列于表1，部分估算方程列于表2。結(jié)果顯示：3個生育期冠層光譜變量對粗蛋白和直鏈淀粉含量預(yù)測性都較好，均達(dá)到顯著或極顯著水平（p0.05或p0.01），但開花期的冠層光譜變量對粗蛋白和直鏈淀粉含量的預(yù)測性優(yōu)于灌漿期，而灌漿期的預(yù)測性又優(yōu)于蠟熟期，光譜變量中的差值植被指數(shù)DVI(810,450)、DVI(810,680)和670-755nm面積可以同時預(yù)測籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量。表1不同生育期冠層光譜參數(shù)與水稻籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的相關(guān)性(n=40)開花期 灌漿期 蠟熟期光譜參數(shù)相關(guān)系數(shù)光譜參數(shù)相關(guān)系數(shù)光譜參數(shù)相關(guān)系數(shù)粗蛋白DVI(810,450)0.812*DVI(810,450)0.753*DVI(810,450)0.567*DVI(810,560)0.722*DVI(810,560)0.656*DVI(810,560)0.459*DVI(810,680)0.771*DVI(810,680)0.746*DVI(810,680)0.398*PVI(810,680)0.848*DVI(560,450)0.383*PVI(810,680)0.380*Area 670-7550.850*DVI(560,680)0.466*PVI0.397*R7430.842*Area 670-755 0.757*Area 670-7550.371*Dr0.661*Dr0.644*r 8970.791*FD7220.722*FD7230.624*FD715-0.471*直鏈淀粉DVI(810,450)-0.853*DVI(810,450)-0.771*DVI(810,450)-0.595*DVI(810,560)-0.783*DVI(560,680)-0.485*DVI(810,560)-0.490*DVI(810,680)-0.832*DVI(810,560)-0.647*DVI(810,680)-0.457*PVI-0.815*PVI(810,680)-0.683*Dr-0.361*Dr0.732*PVI-0.686*Area 670-755-0.448*Area 670-755 -0.834*Area 550-5820.468*R1077-0.671*R800-0.854*Area 670-755-0.749*R1106-0.652*FD722-0.804*FD723-0.663*Fd715-0.521*和*分別表示0.05和0.01顯著水平。表2不同生育期冠層光譜參數(shù)與水稻籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的回歸方程(n=40)開花期 灌漿期 蠟熟期 光譜參數(shù)回歸方程光譜參數(shù)回歸方程光譜參數(shù)回歸方程 粗蛋白DVI(810,450)y = 0.010x + 4.386PVIy =0.144x0.750DVI(810,450)y = 1.152e0.011xPVI(810,680)y = 1.021Ln(x) -1.963R901y =1.467Ln(x) +2.902R1076y = 1.077Ln(x) + 2.812R880y = 1.002Ln(x) +2.191FD723y =0.951x0.711FD997y = 1.55x0.694直鏈淀粉DVI(810,450)y =74.586x-0.334DVI(810,450)y = 31.171e-0.011xDVI(810,450)y = 24.170e-0.006xPVI(810,680)y = -7.022Ln(x) + 44.601DVI(810,680)y = 29.700e-0.010xFD715y = 21.882e-0.223xR750y =15.797x-0.334R929y = 26.9701e-0.415xR897y = 13.483 x-0.3522.3籽粒粗蛋白與直鏈淀粉含量的監(jiān)測模型及檢驗基于單波段反射率、一階導(dǎo)數(shù)以及表1所列的光譜參數(shù)，對籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量進(jìn)行回歸分析，篩選DVI(810,450) 作為最佳光譜參數(shù)，并且開花期的DVI(810,450)對籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的預(yù)測優(yōu)于灌漿期和蠟熟期。圖3展示了開花期DVI(810,450)與成熟籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的關(guān)系，并得出基于開花期冠層反射光譜的籽粒粗蛋白含量（GCPC）和直鏈淀粉含量(GAC)的預(yù)測方程：GCPC=0.010 DVI(810,450) + 4.386 R2=0.662 n=40 (1)GAC=74.586 DVI(810,450)-0.334 R2=0.754 n=40 (2)圖3 水稻籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量與開花期DVI(810,450)的關(guān)系利用試驗2開花到蠟熟期的數(shù)據(jù)對水稻成熟籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量預(yù)測方程進(jìn)行測試和檢驗（見表3），結(jié)果顯示，預(yù)測值與實際值的精確度為0.3930.683，均達(dá)到極顯著水平；準(zhǔn)確度為0.7080.923，RMSE值為8.706%11.296%。說明粗蛋白和直鏈淀粉含量預(yù)測模型對不同時期水稻的估測效果具有一定的可靠性。表3籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量預(yù)測模型的預(yù)測表現(xiàn)生育時期開花期灌漿期蠟熟期粗蛋白精確度0.6780.6830.547準(zhǔn)確度0.7080.7080.743均方根差9.23610.1079.576直鏈淀粉精確度0.3930.4780.640準(zhǔn)確度0.7610.9230.763均方根差8.70611.46311.2963結(jié)論與討論3.1結(jié)論與常溫對照相比，兩個水稻品種的籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量均達(dá)到顯著或極顯著水平，并且隨脅迫溫度的增加，兩個水稻品種的籽粒粗蛋白含量呈上升趨勢，而直鏈淀粉含量呈下降趨勢。將水稻冠層原始光譜反射率、一階導(dǎo)數(shù)以及組合成的光譜變量與粗蛋白與直鏈淀粉含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：三個生育期冠層光譜變量對粗蛋白與直鏈淀粉含量預(yù)測性都較好，但開花期的預(yù)測性優(yōu)于灌漿期與蠟熟期，其中光譜變量中的DVI(810,450)、DVI(810,680)和670-755nm面積三個參數(shù)可以同時預(yù)測籽粒的粗蛋白與直鏈淀粉含量。3.2討論前人研究表明，在氮素和干旱脅迫下，谷類籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量都有顯著變化14,15，本研究發(fā)現(xiàn)，與常溫對照相比，高溫脅迫下水稻籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量均達(dá)到顯著或極顯著水平。冠層反射光譜能夠反映作物群體面源信息，在一定程度上能反映籽粒的品質(zhì)信息，因此利用反射光譜預(yù)測籽粒的粗蛋白和直鏈淀粉含量具有一定的可行性。本研究發(fā)現(xiàn)，基于開花期的冠層光譜參數(shù)對籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的預(yù)測均優(yōu)于灌漿期和蠟熟期，原因可能由于水稻籽粒營養(yǎng)成分的形成大部分來自抽穗前莖、葉營養(yǎng)貯存的轉(zhuǎn)移，即主要取決于灌漿前期，而蠟熟期水稻葉、穗大部分變黃，葉面積與葉片葉綠素含量明顯降低，這與粗蛋白和淀粉正相關(guān)的葉片葉綠素對整個冠層光譜的貢獻(xiàn)相對減弱，因此，相比之下，灌漿期和蠟熟期冠層光譜預(yù)測水稻籽粒的粗蛋白和淀粉的精度降低。本研究基于開花期的冠層反射光譜參數(shù)DVI(810,450)構(gòu)建了成熟期籽粒粗蛋白和直鏈淀粉含量的預(yù)測模型，通過檢驗表明，其估測效果較好，因此該模型具有一定得的準(zhǔn)確性，此模型為高光譜遙感方法在水稻高溫?zé)岷ζ焚|(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用提供了方法和依據(jù)。另外，由于水稻籽粒粗蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量的形成是一個動態(tài)過程,因此要利用遙感手段進(jìn)行水稻籽粒粗蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量的精確監(jiān)測預(yù)報，還必須深入探明稻穗的特征光譜及不同葉位葉片和莖稈對冠層反射光譜的影響及其與籽粒蛋白質(zhì)形成的機理關(guān)系。參考文獻(xiàn)1馮偉,朱艷,田永超,等.基于高光譜遙感的小麥葉片氮積累量J.生態(tài)學(xué)報,2008,28(1):23-322Huang Z, Turner B J, Dury S J, et al. Estimating foliage nitrogen concentration from HYMAP data usingcontinuum removal analysis. Remote Sens Environ,2004,93:18-29.3Hansen P M, Jorgensen J R , Thomsen A. Predicting grain yield and protein content in winter wheat and spring barley using repeated canopy reflectance measurements and partial least squares regressionJ. J Agri Sci, 2002,139(3):307-318.4李映雪,朱艷,田永超,等.小麥冠層反射光譜與籽粒蛋白質(zhì)含量及相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)的定量關(guān)系J.中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2005,38(7):1332-1338.5劉蕓,唐延林,黃敬峰,等.利用高光譜法估測稻穗稻谷的粗蛋白質(zhì)和粗淀粉含量J.中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,41(9):2617-2623.6雷東陽,陳立云,李穩(wěn)香,等.雜交水稻抽穗揚花期高溫對結(jié)實率及相關(guān)生理特陛的影響J雜交水稻,2006,21(3):68-77程高峰,張佳華,李秉柏,等.不同溫度處理下水稻高光譜及紅邊特征分析J.江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報,2008,24(5):573-5808洪 雁,顧正彪,劉曉欣.直鏈淀粉和支鏈淀粉純品的提取及其鑒定J.食品工業(yè)科技, 2004,25(4):86-88.9 Rouse J W, Haas R H, Schell J A. Monitoring the vernal advancement of retrogradation of natural vegetationJ. NASA/GSFC,Type III, Final Report, Greenbelt,