全 文 ：不同草坪草冠层反射光谱特征的比较研究
徐　驰1 ,陈　功2 ,杨红丽2 ,吴文荣1 ,匡崇义1 ,薛世明1
(1.云南省草地动物科学研究院 ,云南 昆明　650212;2.云南农业大学 动物科技学院 ,云南 昆明　650201)
　　摘要:选用高羊茅 、多年生黑麦草 、草地早熟禾 、狗牙根 、匍匐翦股颖 5种草坪草的 24个品种为试验
对象 ,测定冠层反射光谱 ,比较可见光和近红外区域反射率的差异性 ,分析多种红边参数与草坪色泽目
测评分值之间的相关性。结果表明 ,高羊茅 8个品种在 450 ～ 900 nm的反射率无显著性差异;草地早熟
禾5个品种可见光450 ～ 650 nm 的反射率存在差异显著性(P<0.05);多年生黑麦草 8个品种在近红外
750 ～ 900 nm的反射率存在差异显著性(P <0.01)。高羊茅美洲虎 、多年生黑麦草威士 、草地早熟禾蓝
宝石 、狗牙根太阳城 、匍匐翦股颖普特在 550 、565 、800 、850 nm 处均表现出差异显著性(P <0.05),红边
斜率与草坪色泽目测评分值之间存在显著相关关系 。利用高光谱分析技术可以快速 、准确地反演草坪
冠层叶绿素含量 ,并且能够区分同一草坪草种品种间的反射率差异。
　　关键词:草坪冠层;光谱分析;红边斜率;草坪质量评价
　　中图分类号:S 688.4　　文献标识码:A　　文章编号:1009-5500(2010)02-0062-04
　　高光谱遥感是近 20 年来迅速发展起来的一种新
型技术 ,具有分辨率高 、波段连续性强 、光谱信息量大
等特点。与传统草坪质量评价体系相比较 ,高光谱遥
感为草坪管理者提供了一种客观 、便捷 、定量的技术手
段。近年来 ,草坪遥感技术已由定性描述进入定量分
析 ,由静态调查进入动态监测和应用管理阶段 ,现已成
为草坪科学中一个日益活跃 、成果丰硕的研究领域之
一。通过实践证明 ,用高光谱分析技术评价草坪质量
的方法是可行。国内外研究人员利用草坪冠层的高光
谱特征参数和植被指数 ,如绿峰反射率 、红边位置 、绿
光归一化植被指数(GNDVI)等 , 在草坪色泽评
价[ 1-4 ] ;水分胁迫[ 5 , 6 ] ;施肥管理[ 7-9] ;营养成分
测定及草坪质量评价[ 10-12 ] 等方面都开展了广泛的研
　　收稿日期:2009-12-17;修回日期:2010-03-11
　　基金项目:云南省应用基础研究计划面上项目“优良草坪
新品种在昆明地区的引种研究”
(2008ZC154M)和现代农业产业技术体系建设
专项资金资助
　　作者简介:徐驰(1965-),男 , 学士 , 吉林省四平市人 , 高级
畜牧师 ,研究方向为牧草品种栽培和草地建设。
E-mail:xuchi2920@126.com
陈功为通讯作者。
究 ,并建立了一系列高光谱估测模型。
　　高光谱分析技术已经在国外草坪实践管理应用中
发挥了明显作用 ,其快速 、便利 、无损伤 、连续化作业的
优点日益突出 ,基于高光谱数据评价 、监测 、养护管理
草坪已成为未来草坪业发展的一种必然趋势。利用昆
明地区常用的草坪草为试验材料 ,分析比较不同草坪
冠层反射光谱的异同性 ,为进一步开展草坪质量定量
评价提供可靠的理论和实践依据。
1　材料和方法
1.1　试验地概况及供试材料
　　试验地位于云南省草地动物科学研究院草业科学
试验地内 ,地处 N 25°21′, E 102°58′,海拔 1 962 m ,年
均温 13.4 ℃,年降水量 990 mm 。土壤为山地红壤 ,
pH 5.5 。选择 5 种草坪草 ,共 24 个品种为试验对象
(表 1),分别为高羊茅(Festuca arund inacear)8个品
种 ,多年生黑麦草(Lolium perenne)8个品种 ,草地早
熟禾(Poa pratensis)5 个品种 ,匍匐翦股颖(Agrost is
stoloni f era)2个品种 ,狗牙根(Cynodon dacty lon)1个
品种 。
　　试验于 2008年 5 月 26 日播种 ,小区采用随机区
组排列 ,3次重复 ,面积 1 m ×2 m ,间距 50 cm ,区组间
62 　　　　　　GRASSLAND AND T URF(2010)　　　　　　　　　　　　Vol.30 No.2DOI :10.13817/j.cnki.cyycp.2010.02.012
隔 50 cm 。播种时各小区施复合肥 60 g 、钙镁磷肥
100 g ,草坪前期精心管理 ,成坪后进行常规管理 。
　　采用美国 Ocean 公司的 HR2000光谱仪为主机 ,
波长 200 ～ 1 100 nm ,分辨率约为 1 nm 。由 SMA905
接口 、P600-2-UV-V IS 光纤 、74-UV 探头 、标准白板和
笔记本电脑组成。
表 1　5 种草坪草 24 个品种名录
Table 1　The species and cultivars used for field test
草种 品种
高羊茅 火龙(Fire Dragon), 美洲虎(Jaguar), 守护神 21(Gua rdian21),新秀(Starlet)红象(Red elephant), 美洲虎 3
(Jagua r 3),护坡卫士(Soil Defender),家园(Planta tion)
多年生黑麦草 威士(Whisk), 热销(Caliente),新速 2 号(Nuspeed Ⅱ), 德比极品(Derby Xtr eme),焦点(Zoom),
冬景(Winter Game), 球道(Fairw ay),夜景(Evening Shade)
草地早熟禾 蓝宝石(Sapphire),爱美(Aimyth), 优美(Euromy th),兰肯(Kenblue)帝国(Kingdom)
匍匐翦股颖 普特(Putter),高地(Highland)
狗牙根 太阳城(Sun City)
1.2　反射光谱测定
　　草坪光谱测定选择天气晴朗 、无风天气 , 10:30 ～
13:30测定。测时采用自制观测架 ,探头垂直向下 ,距
草坪平面高度为 50 cm 。每个小区重复测量 5 ～ 10次 ,
取平均值作为该小区的光谱反射值 ,测量时及时进行
标准白板校正。
1.3　草坪色泽目测评分及数据分析
　　草坪冠层光谱测定完成后 ,由 5位评价者相对独
立对所有光谱测试点草坪进行草坪色泽评价 ,采用
NTEP9分制评价草坪质量。色泽评价 ,取平均值作为
评价结果 。通过草坪反射光谱数据得到红边位置(680
～ 760 nm 最大的一阶微分值所对应的波长),红谷位
置(640 ～ 680 nm 最小的反射率所对应的波长),红边
斜率(680 ～ 760 nm 最大的一阶微分值)。利用
S PSS13.0软件统计分析试验数据 。
2　结果与分析
2.1　草坪草品种间反射光谱比较
　　高羊茅 8个品种 、匍匐翦股颖 2个品种在 450 ～
900 nm的反射率均无显著性差异;草地早熟禾 5个品
种的反射光谱曲线(表2),在450 ～ 650 nm 反射率存在
显著性差异(P<0.05),其中 ,帝国 、优美的反射率达到
5%,显著高于其余 3个品种。在 750 ～ 900 nm ,5个品
种之间反射率无显著差异;多年生黑麦草 8 个品种的
反射光谱曲线反射率(表 3),在 450 ～ 650 nm 无显著差
异 ,在 750 ～ 900 nm ,品种热销 、新速2号的反射率达到
45%以上 ,显著高于其余 6个品种(P<0.01)。
2.2　草坪草种间反射光谱比较
　　在 5种草坪草中分别选择 1 个品种 ,比较其反射
光谱变化趋势。450 ～ 700 nm , 5种草坪草的“绿峰”均
出现在 565 nm 附近 ,多年生黑麦草威士反射率最高 ,
而高羊茅美洲虎最低 ,其余 3 个品种的反射率处于两
者之间 。分别以 550 nm 和 565 nm 为例 ,高羊茅美洲
虎 、草地早熟禾蓝宝石 、狗牙根太阳城三者之间无显著
差异 ,但均显著低于匍匐翦股颖普特(P<0.05)和多年
生黑麦草威士(P<0.01 ,表 4)。
表 2　草地早熟禾 5 个品种在可见光区域部分波段的反射率比较
Table 2　Comparison in canopy reflectance of 5 Kentucky
bluegrass cultivars at some special wavelengths within visible range
波长/ nm 蓝宝石 爱美 兰肯 优美 帝国
550 3.32a 3.54a 2.89a 5.53b 6.08b
569 3.55a 3.73a 3.14a 5.89b 6.46b
600 3.08a 3.29a 2.79a 5.43b 5.92b
　　注:同行中不同小写字母表示(P<0.05), 同行中不同大写
字母表示差异极显著(P<0.01),下表同
　　在 750 ～ 900 nm ,匍匐翦股颖普特反射率最高 ,超
过 52%;高羊茅美洲虎反射率最低 ,在 30%。分别以
800 nm 和 850 nm 为例 ,高羊茅美洲虎 、草地早熟禾蓝
宝石 、普通狗牙根和多年生黑麦草威士之间无显著差
异 ,但均显著低于匍匐翦股颖普特(P<0.01 ,表 4)。
2.3　红边参数及其与草坪色泽目测值之间的关系
　　高羊茅美洲虎的色泽目测评分值最高(6.78),匍
匐翦股颖普特色泽目测评分值最低(4.51),多年生黑
麦草威士 、草地早熟禾蓝宝石和狗牙根太阳城介于两
者之间(表 5)。5种草坪草的红边位置出现在 730 ～
758 nm ,红谷位置在 653 ～ 657 nm 。从表 5 中可以看
出 ,5种草坪草红边斜率的上限值 、下限值 、平均值均随
着色泽目测值的降低而逐渐升高。分析结果表明 ,红
边斜率(X)与色泽目测值(Y)之间呈显著负相关关系 ,
63第 30卷　第 2期　　　　　　　　　　　草 原 与 草 坪 2010年
回归方程:Y =-0.705 2X +9.501 3(R2 =0.784 5 , P<0.05 , n=25)
表 3　多年生黑麦草 8 个品种在近红外区部分波段的反射率比较
Table 3　Comparison in canopy reflectance of 8 perennial ryegrass cultivars at some special wavelengths within near infrared range
波长/nm 冬景 焦点 球道 威士 德比极品 e 夜景 新速 2 号 热销
750 20.23ab 18.77b 23.22ab 26.91ab 26.47ab 26.95ab 32.72ab 36.67a
800 27.13ab 26.76b 31.49ab 35.65ab 36.63ab 37.00ab 45.10ab 50.86a
850 26.13b 28.15b 31.22b 36.19ab 38.58ab 35.95ab 46.43ab 52.61a
900 20.75cB 26.99cAB 25.62bcAB 35.11abcAB 39.37abcAB 28.86bcAB 45.34abAB 52.21aA
表 4　5 种草坪草在 550 、565 、800 和 850 nm处反射率的多重比较
Table 4　Multicomparison in canopy ref lectance of 5 turfgrasses at 550 , 565 , 800 and 850 nm
波长/ nm 高羊茅美洲虎 多年生黑麦草威士 草地早熟禾蓝宝石 狗牙根太阳城 匍匐翦股颖普特
550 2.25aA 6.14bB 3.32aA 3.70aA 5.21bA
565 2.32aA 6.32bB 3.53aA 3.83aA 5.39 bAB
800 31.89aA 35.65aA 43.26aAB 41.61abAB 52.21bB
850 33.41aA 36.19aA 43.36aAB 40.64aAB 53.05bB
表 5　5 个草坪草品种的红边参数和色泽目测值比较
Table 5　Comparison in some red-edge parameters and visual rating of 5 cultivars
项目 高羊茅美洲虎 多年生黑麦草威士 草地早熟禾蓝宝石 狗牙根太阳城 匍匐翦股颖普特
红边位置/nm 754 730 743 758 743
红谷位置 653 653 653 657 653
红边斜率平均值 0.40 0.42 0.55 0.56 0.65
红边斜率最小值 0.29 0.37 0.457 0.47 0.48
红边斜率最大值 0.43 0.54 0.73 0.74 0.80
色泽目测平均值 6.78 6.06 5.95 5.98 4.51
3　讨论与结论
　　(1)5种草坪草在可见光 、近红外大部分波段的反
射率均表现出显著性差异 ,且红边斜率与草坪色泽目
测评分之间存在显著相关关系。Pinar[ 13] 同样也报道
了叶绿素与红边位置之间的相关关系;张文等[ 2] 报道
了高羊茅 、多年生黑麦草 、匍匐翦股颖草坪冠层反射率
存在明显的差异性 ,并证明草坪叶绿素水平与其冠层
反射率之间存在显著的相关性 ,目测评分与绿波段反
射率 、多种高光谱参数之间存在显著相关关系;陈功
等[ 18]试验证明 , 4 个不同草坪草种(高羊茅 ,多年生黑
麦草 ,狗牙根 ,匍匐翦股颖)的冠层反射光谱存在显著
差异(P<0.05);在可见光区 550 nm 处 ,高羊茅贝克
的反射率最低(2.5%),而匍匐翦股颖普特的反射率最
高(8.3%);同样在 550 nm 处 ,普通狗牙根百慕大的反
射率显著低于匍匐翦股颖普特(P <0.05),而显著高于
7个高羊茅品种;在 500 ～ 675 nm ,普通狗牙根百慕大
的反射率显著高于多年生黑麦草的 2 个品种(P <
0.05)[ 14] 。依据试验结果与报道可以推断 ,不同草坪草
在可见光或近红外区的反射率存在显著差异 ,利用反
射光谱分析技术可以快速 、准确地反演草坪冠层叶绿
素水平 。
　　(2)叶绿素和细胞结构分别是可见光和近红外区
绿色植物反射光谱特征的控制因素 。试验结果表明 ,
草地早熟禾 5个品种在可见光区的反射率出现显著差
异(P<0.05);多年生黑麦草 8个品种在近红外区的反
射率存在明显差异 ,并且在 900 nm 处达到极显著水平
(P<0.01)。张文等[ 7] 通过试验也证明 ,高羊茅 7个品
种的色泽目测评分值无显著差异 ,但光谱反射率在 500
～ 700 nm 存在明显差异(P <0.05),品种火凤凰(Fire
phoenix)的反射率显著高于贝克(Pixie)[ 14] 。可以推
测 ,属于同一草种的部分品种之间在叶绿素水平或细
胞结构方面存在明显差异 ,虽然目测无法识别 ,但足以
导致反射光谱出现显著性变化 。因此 ,利用高光谱分
析技术 ,不仅可以区分草种间的色泽差异 ,而且 ,发现
了 3个草种的部分品种之间也存在的反射率差异 。其
他草坪草种是否存在有类似现象 ,有待于进一步试验
研究。
参考文献:
[ 1] 　Karche r D E , Richardson M D.Quantify ing Turfg ra ss Co l-
64 　　　　　　GRASSLAND AND T URF(2010)　　　　　　　　　　　　Vol.30 No.2
or Using Dig ital Image Ana ly sis[ J] .Crop Science, 2003 ,
43:943-951.
[ 2] 　张文 ,陈功 , 龙光强 ,等.利用高光谱参数评价单播草坪色
泽[ J] .草原与草坪 , 2007(5):6-10.
[ 3] 　张文 , 张建利 , 陈功.以高光谱植被指数研究草坪色泽
[ J] .草地学报 , 2008 ,(16)5:530-535.
[ 4] 　Landschoot , P J , Mancino C F.A comparison o f visual vs.
instrumental measurement of co lo r difference s in bentgr ass
turf [ J] .Hort Science , 2000 , 35:914-916.
[ 5] 　龙光强 ,陈功 , 郭滨 ,等.干旱胁迫下草坪植物马蹄金反射
光谱研究[ J] .云南农业大学学报 , 2008 , (23)4:468 -
473.
[ 6] 　Elvidge C D.Visible and near infrared reflectance cha rac-
teristics o f dry plant ma te rials[ J] .International Journal of
Remo te Sensing , 1990 , 11:1775-l795.
[ 7] 　张文 , 陈功等.叶面施肥对草坪高光谱反射率及色泽的影
响[ J] .草业学报 , 2009 , 18(2):115-121.
[ 8] 　Xiong X , Bell G E , So lieJ B.et al.Bermudag ra ss Seasonal
Responses to N itr ogen Fer tiliza tion and Ir rig ation Detected
Using Optical Sensing[ J] .Crop Science , 2007 , 47:1603-
1610.
[ 9] 　T renholm L E , Car row R N , Duncan R R.Relationship of
multispectral r adiometry data to qualitative da ta in turf-
g ra ss re sear ch[ J] .Crop Science , 1999 , 39:763-769.
[ 10] 　Richa rdson M D , Karcher D E , Purcell L C.Quantifying
Tur fgr ass Cover Using Digital Image Analysis[ J] .Crop
Science , 2001 , 41:1884-1890.
[ 11] 　Tho rogood D , Bow ling P J , Jones R M.Assessment of
turf colour change in Lolium perenne L.cultiv ars and
line s[ J] .Turfg rass Soc Res J , 1993 , 7:729-735.
[ 12] 　T renho lm L E , Carr ow R N , Duncan R R.Re lationship
o f multispectral radiome try data to qualitative data in
turf gr ass research[ J] .Crop Science , 1999 , 39:763-769.
[ 13] 　Pinar A.Grass chlo rophy ll and the reflectance red edge
[ J] .International Journal o f Remo te Sensing , 1996 , 17
(2):351-357.
[ 14] 　陈功 , 车伟光 , 姜华 , 等.草坪高光谱分析技术及其应用
[ M] .昆明:云南科技出版社 , 2009.
Comparison study on canopy reflection spectrum
characters of different turfgrasses
XU Chi1 ,CHEN Gong2 , YANG Hong-li2 ,WU Wen-rong1 ,
KUANG Chong-yi1 ,XUE Shi-ming1
(1.Academy o f Grassland and Animal S ciences , K unm ing 650212 ,China;2.College o f Animal S cience and
Technology ,Yunnan Agricultural Universi ty ,K unming 650201 ,China)
　　Abstract:Tw enty four cultivar s of five turfgrass species , which w ere commonly used to establish go lf or
sports f ield in southern China ,were selected to study the ref lection difference of visible light and near inf rared by
dete rmining the canopy ref lection spectrum in September ,2009.Results show ed that no signi ficant di ffe rence in
canopy ref lectance between 8 tall fescue cult ivars , but signif icant dif ferences w ere de tected between 5 Kentucky
bluegrass cultiv ars(P <0.05)and betw een 8 perennial ry egrass cultivars(P <0.01).There were significant
dif ferences in canopy ref lectance betw een 5 turfgrass species in most parts of visible range and near inf rared
range , both perennial ryeg rass(Whisk)and creeping bentgrass(Putter)had significantly highe r canopy ref lec-
tance at 550 nm and 565 nm compared wi th Kentucky blueg rass(Sapphire),bermuda grass(Sun Ci ty), and tall
fescue(Jaguar).A t 800 nm and 850 nm , creeping bentg rass(Putter)had the highest reflectance , and the differ-
ences betw een 5 turfgrass species reached significant(P<0.05 o r P<0.01).A close correlation relationship w as
detected between red-edge slope of 5 cult ivars and thei r colo r visual rating.Hyperspect ral analy sis technolog y
can be used to estimate the chlorophy ll content o f turf canopy as w ell as to detect the spect ral differences be-
tw een cultiv ars.
　　Key words:turf canopy;spect ral analy sis;slope of red-edge;turf quality estimat ion
65第 30卷　第 2期　　　　　　　　　　　草 原 与 草 坪 2010年