全 文 ：第３９卷　第５期 西 南 师 范 大 学 学 报 （自然科学版） ２０１４年５月
Ｖｏｌ．３９　 Ｎｏ．５　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｍａｙ．２０１４
文章编号：１０００－５４７１（２０１４）５－００３３－０５
北碚４４７锦橙叶片农学参数与
其反射光谱的相关性研究
①
余天霞１，　罗红霞１，　邹扬庆１，　王　俊１
西南大学 地理科学学院，重庆４００７１５
摘要：以锦橙叶片为材料，采用野外光谱辐射仪测量叶片的光谱反射率，并对叶片进行水分、氮、钾、磷、叶绿素
的含量测定，计算光谱反射率一阶微分、二阶微分．采用统计学相关分析法，分析叶片农学参数与反射光谱之间的
相关关系．结果表明：农学参数中只有磷含量与叶片原始光谱反射率有显著性相关，且与反射率一阶微分、二阶微
分的相关系数大于与原始光谱反射率的相关系数．所有测定的农学参数都与叶片光谱反射率一阶微分、二阶微分
之间均有显著性相关，其中氮含量与反射率一阶微分、二阶微分相关性最强，相关系数绝对值达到０．９以上．这说明
利用微分技术可以增强叶片农学参数与光谱信息的相关性，并为高光谱遥感定量估算锦橙农学参数提供理论依据．
关　键　词：锦橙；农学参数；相关分析；一阶微分；二阶微分
中图分类号：Ｓ６６６；Ｓ１２７ 文献标志码：Ａ
高光谱遥感技术的快速发展使其快速、实时、准确、无损的监测作物长势，作物的营养状况与作物光
谱特性密切相关．至今有关农作物与光谱特性的相关研究主要集中在水稻、小麦、玉米、棉花等一年生作
物上，绝大多数是关于氮、叶绿素、类胡萝卜素与作物冠层、叶片光谱特征参数间的研究［１－７］，多年生作物
柑橘叶片光谱特征与其农学参数的研究少见报道．王锦坚［８］利用高光谱技术就柑橘树红边特征及叶绿素和
ＬＡＩ的监测研究，其中就叶片红边参数与叶绿素的相关性进行分析并得到较好结果．易时来［９］就锦橙叶片
钾含量光谱监测模型进行了研究．锦橙是我国南方地区尤其是湖北、四川、重庆地区分布广、产量高的果
树．本文结合锦橙的生长发育规律，对锦橙叶片进行光谱反射率和农学参数测量，分析遥感光谱数据和锦
橙农学参数之间的关系，利用微分技术处理锦橙叶片光谱反射率，通过相关分析方法研究锦橙叶片水分、
氮、钾、磷、叶绿素的含量与叶片光谱反射率、反射率一阶微分、二阶微分的相关关系，以促进高光谱分辨
率遥感技术在作物生长监测和产量估测中的应用．
１　材料与方法
１．１　试验材料
本实验在重庆市北碚区歇马镇人和村板力湾果园内进行，该区域锦橙品种为４４７号，果树生长良好，
多年丰产．
１．２　试验方法
１．２．１　叶片光谱反射率测定
每年１０月是锦橙果实生长发育的重要时期［１４］．２０１１年１０月９日，天气晴朗，风力小，前往实验区域
对１５棵锦橙树采集健康干净的叶片．每棵采１０片，编上编号装入保鲜袋，同天１４时，在空旷地方，地上
① 收稿日期：２０１３－０５－３０
基金项目：西南大学基本科研业务费专项资金（ＸＤＪＫ２００９１００６）．
作者简介：余天霞 （１９８５－），女，重庆永川人，硕士，主要从事高光谱遥感方面的研究．
DOI:10.13718/j.cnki.xsxb.2014.05.013
铺上反射率接近０的黑布，把叶片正面朝上铺在黑布上，采用美国ＡＳＤ公司生产的ＦｉｅｌｄＳｐｅｃ　ＨＨ 地物光
谱辐射仪测定叶片光谱反射率．光谱仪视场角２５度，波段范围３２５～１　０７５ｎｍ，输出波段数７５１，光谱采样
间隔约１．５ｎｍ，光谱分辨率为３．５ｎｍ，视场范围内太阳直接照射．叶片光谱反射率测定前以标准白板定
标，测量时每隔１５ｍｉｎ进行一次标准白板校正（标准白板反射率为１，这样所测得的目标物光谱是无量纲
的相对反射率和相对透射率［２］），距叶片２０ｃｍ上方处垂直测定，对每棵树的１０片叶子测１０次光谱反射
率，取平均值作为该棵树的叶片光谱反射率值．光谱测定后把叶片装入保鲜袋送去专门实验室测定叶片农
学参数的含量．（农学参数包括叶片的水分、氮、钾、磷、叶绿素含量）．
１．２．２　数据处理与分析
由于光谱仪本身噪声和大气水吸收影响使得可见光波段３００～４００ｎｍ，红外波段９００～１　０７５ｎｍ范围
内产生较大干扰噪音，因此对此波段进行删除处理．利用光谱仪自带的软件ＶｉｅｗＳｐｅｃ　Ｐｒｏ对光谱数据进行
剔除平滑处理，导出原始数据，获取原始光谱反射率的一阶、二阶微分数据．利用软件ＳｉｇｍａＰｌｏｔ１０．０获得
图片数据，利用数据分析软件ＳＰＳＳ１７．０进行相关性分析，分析锦橙叶片光谱反射率与叶片农学参数的定
量关系．
２　结果与分析
２．１　叶片农学参数与叶片原始光谱反射率的相关性分析
通过对农学参数与叶片原始光谱反射率的相关分析可得：只有叶片磷含量与原始光谱反射率相关性达
到显著性水平，其他农学参数与叶片原始光谱反射率均未达到显著性水平．
图１为叶片磷含量与原始光谱反射率的相关系数图．从图１可得出：叶片磷含量与叶片原始光谱反射
率呈负相关，其中５１１～６４３ｎｍ光谱范围和近红外光谱范围有较好的相关关系，达到９９％置信度下的显著
相关．在可见光波段４００～５３８ｎｍ相关系数逐渐增强，５３９～５５１ｎｍ光谱范围存在着最大的相关系数，为
－０．７５５，可认为此波段是叶片磷含量的敏感波段．５５２～６８６ｎｍ光谱范围相关系数又逐渐减弱，６８７～９００
ｎｍ光谱范围相关性加强．这是因为在绿波波段５４０～５６０ｎｍ光谱范围锦橙叶片有个反射峰，而在近红外
波段锦橙叶片有较强的反射率．
２．２　叶片农学参数与反射率一阶微分之间的相关性分析
通过对农学参数与叶片光谱反射率的一阶微分进行相关分析可得：所有的农学参数与叶片光谱反射率
的一阶微分均存在显著相关，并呈正负相关，相关性随波长的增加波动起伏，如图２－图６所示．这说明如
果目标物的光谱由不同成分的贡献构成，则使用微分技术能部分消除低频光谱成分的影响，叶片的光谱信
息能得到较好的保留［７］．微分技术增强了叶片农学参数与光谱信息的相关性．
图１　叶片磷含量与叶片
原始光谱反射率相关系数图
图２　叶片水含量与叶片
反射率一阶微分的相关关系图
　　从图２－图６可看出：农学参数不仅与叶片原始光谱反射率的一阶微分有较好的相关性，而且可得出，
不同的农学参数相关性具有差异，整体上说，水分含量和磷含量与叶片反射率一阶微分的相关性在可见光
波段强于近红外波段，而氮、钾、叶绿素含量总体上在近红外波段相关性强于可见光波段．其中氮含量与
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叶片光谱反射率的一阶微分相关系数最高，氮含量与７６５ｎｍ，７６６ｎｍ反射率的一阶微分相关系数分别为
０．９５４和０．９５２，其次是磷含量与６５９ｎｍ，６６０ｎｍ的反射率一阶微分相关系数达到０．８８２，水分含量与４８８
ｎｍ，４８９ｎｍ的反射率一阶微分相关系数分别为０．７４２和０．７３７，相关系数也较高，叶绿素与７６５ｎｍ，７６６
ｎｍ反射率一阶微分相关系数分别为０．６９０，０．６７０；最差的是钾含量与６３１ｎｍ，８１６ｎｍ反射率一阶微分相
关系数分别为０．５５０，０．５４０．本研究结果与很多研究一年生包括多年生作物的农学参数与植物光谱反射率
一阶微分存在显著相关的结果是一致的．
图３　叶片氮含量与叶片
反射率一阶微分的相关关系图
图４　叶片钾含量与叶片
反射率一阶微分的相关关系图
图５　叶片磷含量与叶片
反射率一阶微分的相关关系图
图６　叶片叶绿素与叶片
反射率一阶微分的相关关系图
２．３　叶片农学参数与反射率二阶微分之间的相关性分析
通过对农学参数与叶片光谱反射率的二阶微分进行相关分析可得，所有的农学参数与叶片原始光谱反
图７　叶片水分含量与叶片
反射率二阶微分相关关系图
射率的二阶微分均存在显著相关，呈正负相关，随波长
的增加相关性波动起伏．如图７－图１１所示．
从图７－图１１可看出：与一阶微分相比，农学参数
与叶片原始光谱反射率的二阶微分具有较强的负相关，
相关系数的绝对值大部分大于一阶微分，相关系数波动
起伏频率大于一阶微分，还可得出氮含量与叶片原始光
谱反射率的二阶微分相关系数最高，其与７５７ｎｍ，７６８
ｎｍ反射率二阶微分相关系数达到－０．９５２和－０．９５４；
其次是磷含量，其与５２６ｎｍ，６８１ｎｍ反射率二阶微分相
关系数分别为０．８１９，－０．８４５；水分含量与－０．８０６ｎｍ
和－０．８１８ｎｍ反射率二阶微分相关系数分别为－０．８０６，
－０．８１８，叶绿素与７０８ｎｍ，８１９ｎｍ反射率二阶微分相
５３第５期　　　　　　余天霞，等：北碚４４７锦橙叶片农学参数与其反射光谱的相关性研究
关系数分别为０．７２９和－０．７４１，最差的是钾含量，其与７７７ｎｍ反射率二阶微分相关系数只达到－０．６６７．
图８　叶片氮含量与叶片
反射率二阶微分的相关关系图
图９　叶片钾含量与叶片
反射率二阶微分的相关关系图
图１０　叶片磷含量与叶片
反射率二阶微分的相关关系图
图１１　叶片叶绿素与叶片
反射率二阶微分的相关关系图
３　结　　论
１）叶片农学参数与其原始光谱反射率相关性较差，其中只有磷含量与原始光谱反射率有显著相关性．
这与实验样本数及采集树叶的光谱信息时的天气及操作过程可能有关．磷含量与原始光谱反射率的相关系
数低于与叶片反射率一阶微分、二阶微分的相关系数，这说明微分技术可提高叶片磷含量与叶片光谱信息
的相关性．
２）叶片的农学参数与反射率一阶微分、二阶微分均具有显著相关，相关系数大，农学参数与一阶微分
最大相关系数为正数，而与二阶微分最大相关系数绝大部分是负数，总体上农学参数与二阶微分相关性较
一阶微分强．不同的农学参数在不同的波段相关系数存在差异，其中氮含量相关系数最高，绝对值达到
０．９以上，其次是磷含量绝对值达到０．８以上．最差的是钾含量，相关系数绝对值最高达到０．６６７．
本实验受实验样本数量的限制，利用高光谱遥感数据来估测锦橙叶片农学参数还需要进一步的研究，
但通过以上结论可为进一步建立模型利用叶片光谱信息反演农学参数提供可能，这也为精准农业中实时、
快速、无损、准确地获取作物营养信息提供重要理论依据．
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Ｏｎ　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　Ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｌｅａｆ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ
ａｎｄ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　Ｂｅｉｂｅｉ　４４７Ｊｉｎｃｈｅｎｇ　Ｏｒａｎｇｅ　Ｌｅａｖｅｓ
ＹＵ　Ｔｉａｎ－ｘｉａ１，　ＬＵＯ　Ｈｏｎｇ－ｘｉａ１，　ＺＯＵ　Ｙａｎｇ－ｑｉｎｇ１，　ＷＡＮＧ　Ｊｕｎ１
Ｃｏｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４００７１５，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｅａｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｊｉｎｃｈｅｎｇ　ｏｒａｎｇｅ　ｔｒｅｅ　ａｓ　ａｎ　ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅａｖｅｓ
ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　Ｈａｎｄｈｅｌｄ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅａｖｅｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ
ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｂ．Ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｌａ－
ｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅａｖｅｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ
ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｏｎｌｙ　ａ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ
ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ
ｆｉｒｓｔ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ　ｏｆ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ　ｏｆ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ．
Ａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ，ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ　ｏｆ　ｌｅａｆ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ
ａｒｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ，ｗｈｉｃｈ　ｒｅａｃｈｅｓ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ
０．９．Ｔｈｉｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｔｒａ　ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ　ｃａｎ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｐｒｏ－
ｖｉｄｅ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｈｙｐｅｒ－ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｏ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｔｈｅ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅａｖｅｓ　ｏｆ　Ｊｉｎｃｈｅｎｇ　ｏｒａｎｇｅ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｊｉｎｃｈｅｎｇ　ｏｒａｎｇｅ；ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｉｒｓｔ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ　ｏｆ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｓｅｃ－
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责任编辑　陈绍兰　　　　
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