全 文 ：收稿日期:2011 － 10 － 02 接受日期:2011 － 11 － 10
基金项目:国家“973”计划项目(2009CB119206) ;国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAD08A18)
通讯作者(Author for correspondence):郭建英，E-mail:guojy@ mail． caas． net． cn;傅建伟，E-mail:fjw9238@ yahoo． com． cn
* 同等贡献作者(The two authors contributed equally to this work)。
利用多光谱扫描仪测定空心莲子草冠层光谱的影响因素
史梦竹1，2* ，傅建炜1，2* ，郭建英2，李建宇1，马明勇3
1福建省农业科学院植物保护研究所，福建 福州 350013;2中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害
生物学国家重点实验室，北京 100193;3湖南省农业科学院植物保护研究所，湖南 长沙 410125
摘要:【背景】太阳光的入射辐射是影响多光谱扫描仪测定植物冠层光谱反射率的主要因素。本研究旨在探讨不同测定条件
对空心莲子草冠层光谱特征值的影响，确定应用多光谱扫描仪测定空心莲子草冠层光谱特征的适宜环境条件。【方法】采用
多光谱扫描仪，在不同天气条件、仪器探头高度、太阳高度角、叶片湿度等外界因素条件下，测定空心莲子草冠层光谱反射率的
变化。【结果】天气条件、仪器探头高度、太阳高度角、叶片湿度 4 个因素对空心莲子草冠层在绿光区 560 nm、黄光区 660 nm
和近红外光区 810 nm 3个特征波段处的光谱反射率均有显著影响。【结论与意义】利用多光谱扫描仪测定空心莲子草冠层光
谱数据，应选择晴朗无云的天气，仪器探头距离冠层1．3 m，适宜的数据采集时间为10:00 ～14:00，以保障适度的太阳高度角和
干燥的叶面，从而保持稳定的光谱测量结果。本研究可为完善多光谱扫描评价技术提供理论依据。
关键词:多光谱扫描仪;空心莲子草;冠层光谱;反射率
Factors affecting the canopy spectrum of the alligator weed，Alternanthera philoxeroides，
measured by a canopy imaging spectrometer
Meng-zhu SHI1，2* ，Jian-wei FU1，2* ，Jian-ying GUO2，Jian-yu LI1，Ming-yong MA3
1 Institute of Plant Protection，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou，Fujian 350013，China;2State Key Laboratory for
Biology of Plant Diseases and Insect Pests，Institute of Plant Protection，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193，
China;3 Institute of Plant Protection，Hunan Academy of Agricultural Sciences，Changsha，Hunan 410125，China
Abstract:【Background】The radiation of incident solar rays is the key factor affecting the plant canopy spectral reflectance． This
study aimed to evaluate the impacts of environmental conditions on the canopy spectral reflectance by the invasive aquatic weed，Al-
ternanthera philoxeroides，thus to establish the appropriate conditions for multispectral radiometer usage．【Method】The canopy spec-
tral reflectance of A． philoxeroides under different weather condition，instrument lens heights，solar elevation angles and leaf moisture
levels were measured by a multi-spectral radiometer．【Result】All of the four factors examined affected the canopy spectral reflec-
tance significantly at 560 nm within the green light region，660 nm within the red light region and 810 nm within the near-infrared
light region．【Conclusion and significance】The results indicated that the spectral scanning experiment should be carried out during
10:00 to 14:00 am in sunny days and the height of radiometer lens to canopy should be kept at 1．3 m above canopy，thus to ensure
modest solar elevation angle and dry plant leaves，because the plant canopy spectral reflectance in these conditions can keep steady．
The research could provide a basis for improving evaluation technology of the canopy spectrum．
Key words:multispectral radiometers;Alternanthera philoxeroides;canopy spectrum;reflectance
遥感技术是一种远距离、在不直接接触目标物
体的情况下，通过接收目标物体的反射或辐射电磁
波，探测地物波谱信息并获取目标地物的光谱数据
与图像，从而实现对地物进行定位、定性或定量分
析的技术(朱述龙和张占睦，2000)。植物的反射和
辐射均来自太阳光，太阳光照的强弱影响了植物的
反射能力，而影响太阳光反射和辐射的外界条件均
可能对光谱测量产生一定影响，因而，有必要对不
同的特征波段加以分析比较，明确外界条件对光谱
测量差异的影响(Miller et al．，1991)。
空心莲子草 Alternanthera philoxeroides(Mart．)
Griseb，又名喜旱莲子草，属苋科 Amaranthaceae 莲子
草属 Alternanthera Forsk，起源于南美洲，现广泛分布
于亚洲、欧洲、美洲、大洋洲和非洲的大多数国家和
生物安全学报 2011，20(4) :291 － 294
JOURNAL OF BIOSAFETY http:∥www． jbscn． org
地区(Schooler et al．，2007)。自 20世纪 30年代传入
我国上海，现已遍布我国 20 多个省(市、自治区) ，发
生面积超过 80 万 hm2;由于其在水域和旱地均可泛
滥成灾，被列为我国最具危险性的 20 种外来入侵物
种之一(曹坳程等，2004;张桂芬，2009)。空心莲子
草生活力极强，繁殖速度快，防治困难，化学防治是
目前最主要的防治措施(马瑞燕，2005)。但由于化
学防治容易造成环境污染，因此生物防治显得尤为
重要。生物防治空心莲子草的主要方法有天敌昆虫
防治、生防菌防治、植物竞争替代和化感作用(沈国
军等，2005)。其中，天敌昆虫是最主要的生防方
法。美国和澳大利亚是开展空心莲子草生物防治
最早、取得成效最显著的国家。1964 年，首次在美
国的加利福尼亚州和南卡罗来纳州释放莲草直胸
跳甲 Agasicles hygrophila Selma ＆ Vogt，并在南卡罗
来纳州成功建立种群(Buckingham，1996;Vogt et
al．，1992)。1986 年 5 月，中国农业科学院从美国
佛罗里达州引入莲草直胸跳甲，并进行了寄主专一
性测定，确认该跳甲可在我国安全利用(王韧和王
远，1987)。目前在我国，空心莲子草的生物防治主
要以释放天敌莲草直胸跳甲为主，且已成功应用于
水生型空心莲子草的防除(李宏科和王韧，1994;
黄大兴等，1996)。
国内外已有较多关于空心莲子草生物防治的
报道，而利用冠层光谱特征评价莲草直胸跳甲对空
心莲子草控制效果的研究尚未见报道。为了更好
地利用光谱评价莲草直胸跳甲的生防效果，首先要
探讨影响试验仪器多光谱辐射仪的外界环境因素。
本研究采用多光谱扫描仪测定空心莲子草冠层的
光谱特征，探讨不同测定条件对空心莲子草冠层光
谱特征值的影响，以期确定应用多光谱扫描仪测定
空心莲子草冠层光谱特征的适宜环境条件，完善光
谱扫描的评价技术体系。
1 材料与方法
1．1 试验材料
空心莲子草选自湖南省农业科学院植物保护研
究所的野外试验田(30 m × 50 m)，覆盖度达 100%。
多波段光谱辐射仪，美国 CROPSCAN 公司生
产，型号 MSR87，8 波段设计，中心波长分别为 460、
510、560、610、660、710、760、810 nm;波段宽 10 nm;
反射率区间 0 ～ 100%;分辨率 0．06%。
1．2 试验方法
本试验选取绿光区(560 nm)、黄光区(660 nm)
和近红外光区(810 nm)3 个特征波段研究影响多光
谱辐射仪测定空心莲子草冠层光谱的外界因素。
本试验于 2008 年 8 ～ 10 月进行。参考乔红波
等(2005)研究冬小麦的冠层光谱反射率的方法，选
择未被莲草直胸跳甲取食的空心莲子草试验田，用
多波段光谱辐射仪测定在天气情况(有云和晴天)、
仪器探头高度(探头与空心莲子草冠层间距离分别
为 0．5、1．0、1．3和 1．5 m)、太阳高度角(10:00、12:00、
14:00和 16:00)、叶面干湿度(干和湿)等不同条件
下空心莲子草冠层的光谱反射率。每个处理随机设
置 5 个观测点，每点重复测定 10 次，取平均值作为
该观测样点的冠层光谱反射率。探头对准冠层中
央，垂直向下距冠层顶适当高度进行测定，并采用
小键盘操作，将数据记录在数据采集器(DLC，
CROPSCAN，Rochester，MN)中，通过 COM接口输入
计算机，再经过仪器自带软件(MSR． BAS、MSR．
CNG和 Cropscan MSR)转换为地物的光谱反射率。
1．3 数据处理
采用单因素方差分析(one-way ANOVA:Dun-
can)比较多个处理间空心莲子草冠层光谱反射率的
差异。以上数据分析采用统计软件 SAS v8进行。
2 结果与分析
2．1 天气条件对光谱测量的影响
在有云和晴天条件下，空心莲子草冠层光谱反
射率在 560、660 和 810 nm 3 个特征波段均具有显
著差异(表 1) ，可见，天气条件对光谱扫描仪的测
定结果具有较大影响。
2．2 仪器探头高度对光谱测量的影响
本试验所用多光谱扫描仪的田间观测直径约为
光谱扫描仪探头距离冠层高度的一半(参见仪器说明
书)，因此，仪器高度对空心莲子草冠层反射率也会产
生一定影响。研究结果表明，在 560 和 660 nm 波段
处，随着仪器探头高度从 0．5 m升高到 l．5 m，空心莲
子草冠层的反射率随之显著提高，但在 810 nm 波段
处，空心莲子草冠层的反射率则随之显著降低(表 2)。
除了在 560 nm波段处，探头高度为 0．5、1．0 m的 2个
处理间空心莲子草冠层光谱反射率无显著差异外，在
同一波段的其他各处理间均具有显著差异(表 2)。
·292· 生物安全学报 Journal of Biosafety 第 20 卷
表 1 天气条件对空心莲子草冠层光谱反射率的影响
Table 1 Effects of weather conditions on the canopy
reflectance spectrum of A． philoxeroides
波长
Wavelength
/nm
反射率 Reflectance /%
晴天
Sunny day
有云
Cloudy day
F，df，P
560 10．02 ± 0．04a 8．51 ± 0．03b F =930．47，df =1，8，
P ＜0．0001
660 9．76 ± 0．05a 6．57 ± 0．01b F =3475．44，df =1，8，
P ＜0．0001
810 25．15 ± 0．07b 29．33 ± 0．04a F =3000．44，df =1，8，
P ＜0．0001
表中部分数据为平均值 ±标准误;同行数据后附不同小写字母
表示差异显著(P ＜ 0．05，ANOVA:Duncan)。
The part datas are Mean ± SE in the table;Different small letters in the
same row indicate significant differences between treatments (P ＜ 0． 05，
ANOVA:Duncan)．
表 2 仪器探头高度对空心莲子草冠层光谱反射率的影响
Table 2 Effects of instrument lens height on the canopy
reflectance spectrum of A． philoxeroides
波长
Wavelength
/nm
仪器探头高度
Height of instrument
lens to canopy /m
反射率
Reflectance /% F，df，P
560 0．5 8．73 ± 0．02a F =161．45，df =3，16，
1．0 8．77 ± 0．06a P ＜ 0．0001
1．3 10．03 ± 0．14b
1．5 10．67 ± 0．02c
660 0．5 5．07 ± 0．03a F =461．25，df =3，16，
1．0 6．31 ± 0．10b P ＜ 0．0001
1．3 8．68 ± 0．20c
1．5 10．41 ± 0．03d
810 0．5 45．51 ± 0．14a F =2004．48，df =3，16，
1．0 39．97 ± 0．10b P ＜ 0．0001
1．3 37．21 ± 0．08c
1．5 34．37 ± 0．09d
表中部分数据为平均值 ±标准误;同列数据后附不同小写字母
表示差异显著(P ＜ 0．05，ANOVA:Duncan)。
The part datas are Mean ± SE in the table;Different small letters in
the same column indicate significant differences among treatments (P ＜
0．05，ANOVA:Duncan)．
2．3 叶面湿度对光谱测量的影响
叶面湿度对空心莲子草冠层在560、660和810 nm
波段处反射率的影响均较大，潮湿的空心莲子草叶面
的冠层光谱反射率均显著高于干燥的空心莲子草
叶面(表 3)。这可能是因为潮湿的叶面增加了空
心莲子草对光的反射能力，使得空心莲子草的光谱
反射率在各特征波段均发生明显变化。
2．4 太阳高度角对光谱测量的影响
太阳高度角与昼夜中的时间变化密切相关，因
此，本研究采用一天中的不同时间代表不同的太阳
高度角(吴曙雯等，2002)。在 10:00、12:00、14:00
和 16:00 4 个时段进行的空心莲子草冠层光谱测定
结果表明，太阳高度角对空心莲子草冠层在不同波
段的反射率具有较大影响(表 4)。在 560、660 和
810 nm 波段处，冠层光谱反射率在 10:00 ～ 14:00
呈显著下降趋势;在 560 和 660 nm 处，16:00 时冠
层光谱反射率回升，在 810 nm处则继续下降。
表 3 叶面湿度对空心莲子草冠层光谱反射率的影响
Table 3 Effects of leaf wetness on the canopy
reflectance spectrum of A． philoxeroides
波长
Wavelength
/nm
反射率 Reflectance /%
干叶
Dry leaves
湿叶
Wet leaves
F，df，P
560 10．02 ± 0．04b 11．10 ± 0．01a F =880．15，df =1，8，
P ＜0．0001
660 9．76 ± 0．05b 10．75 ± 0．03a F =275．78，df =1，8，
P ＜0．0001
810 25．15 ± 0．07b 27．59 ± 0．12a F =316．33，df =1，8，
P ＜0．0001
表中部分数据为平均值 ±标准误;同行数据后附不同小写字母
表示差异显著(P ＜ 0．05，ANOVA:Duncan)。
The part datas are Mean ± SE in the table;Different small letters in the
same row indicate significant differences between treatments (P ＜ 0． 05，
ANOVA:Duncan)．
表 4 太阳高度角对空心莲子草冠层光谱反射率的影响
Table 4 Effects of solar elevation angle on the canopy
reflectance spectrum of A． philoxeroides
波长
Wavelength
/nm
测定时间
Measure time
反射率
Reflectance /% F，df，P
560 10:00 10．02 ± 0．01a F =854．96，df =3，16，
12:00 8．82 ± 0．03b P ＜ 0．0001
14:00 7．45 ± 0．04d
16:00 7．91 ± 0．06c
660 10:00 8．80 ± 0．02a F =581．60，df =3，16，
12:00 7．03 ± 0．04b P ＜ 0．0001
14:00 5．99 ± 0．07c
16:00 7．01 ± 0．05b
810 10:00 36．48 ± 0．03a F =22852．4，df =3，16，
12:00 30．31 ± 0．03b P ＜ 0．0001
14:00 23．35 ± 0．04c
16:00 22．40 ± 0．07d
表中部分数据为平均值 ±标准误;同列数据后附不同小写字母
表示差异显著(P ＜ 0．05，ANOVA:Duncan)。
The part datas are Mean ± SE in the table;Different small letters in
the same column indicate significant differences among treatments (P ＜
0．05，ANOVA:Duncan)．
3 结论与讨论
不同植物在光谱反射和辐射特性等方面会表
现出一定的差异，从而在光谱曲线上形成对该物体
具有诊断意义的光谱特征。利用多光谱遥感技术
监测作物生长状况和病虫害发生情况，进行作物产
量估计、植被覆盖度估算、地表植被分类、森林灾害
·392·第 4 期 史梦竹等:利用多光谱扫描仪测定空心莲子草冠层光谱的影响因素
监测等，已得到越来越广泛的应用(陈程鹏等，
2006;方红亮和田庆久，1998)。
由于多光谱扫描仪采集的光谱数据主要是植
物冠层的光谱反射率，因此，太阳光的入射与辐射
是影响数据采集的主要因素。已有研究表明，天气
条件、叶片湿度和太阳高度角也是影响植物冠层反
射率的重要因素。如 Adcock et al．(1990)认为，有
云的情况对作物冠层光谱反射率有很大影响;为减
少大气条件对光谱测量的影响，光谱采集应该在相
对稳定的大气条件下进行，并在最短时间内完成，
以降低太阳入射与辐射的变化对作物冠层反射率
的影响。乔红波等(2005)研究证实，光谱数据采集
最好在接近中午时分进行。Pinter(1986)研究发
现，叶片湿度对可见光波段的光谱反射率影响较
大，对近红外波段的影响则不显著。Guan ＆ Nutter
(2001)研究发现，叶面湿度能显著增加紫花苜蓿
Medicago sativa L．冠层光谱的反射率。
绿色植物的光谱反射曲线具有较好的一致性:
560 nm附近绿光区具有较高的光谱反射率，660 nm
红光区的光谱反射率较低，而在进入近红外区 720 nm
波段光谱反射率开始急剧上升，并在近红外区维持很
高的光谱反射率(乔红波等，2005)。前人的研究多选
取绿光区560 nm、红光区660 nm和近红外区810 nm 3
个特征波段进行光谱分析(乔红波等，2005;吴曙雯
等，2002;张俊华和张佳宝，2008)，因此，本研究也选取
这 3个特征波段来探讨影响多光谱辐射仪测定空心莲
子草冠层光谱的外界因素。
本研究发现，在有云阴天和晴天条件下，空心
莲子草冠层的光谱反射率在 3 个特征波段均具有
显著差异，表明天气条件对光谱测量的影响较大。
由于多光谱扫描仪的田间观测直径是仪器探头距
离冠层高度的一半，仪器探头高度对空心莲子草冠
层光谱反射率也具有显著影响;在 560 和 660 nm
波段，随着仪器探头升高，空心莲子草冠层的反射
率也随之提高;但在 810 nm 波段的结果却与之相
反。叶片湿度对空心莲子草冠层在各个波段的反
射率也有显著影响，冠层反射率在叶片潮湿时显著
高于叶片干燥时的处理。通过在不同时间测定空
心莲子草冠层光谱，发现太阳高度角对空心莲子草
冠层在各个波段的反射率影响也较大。因此，在使
用多光谱扫描仪(8 波段)测定空心莲子草冠层光
谱数据时，应尽量选择晴朗无云的天气，适宜的数
据采集时间为 10:00 ～ 14:00，以保障适度的太阳高
度角，且在此时间段植物叶片上的露水已经蒸发，
从而降低了叶片湿度对光谱测量的影响。
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(责任编辑:彭露)
·492· 生物安全学报 Journal of Biosafety 第 20 卷