全 文 ：第 16 卷 第 5 期
Vol. 16 No . 5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2008 年 9 月
Sep. 2008
以高光谱植被指数研究草坪色泽
张 文 , 张建利, 陈 功*
(云南农业大学动科院草业科学系, 云南 昆明 650201)
摘要: 色泽是草坪外观质量重要的评价指标之一, 叶绿素密度是影响色泽的重要因素。对警犬高羊茅( Festuca
arundinacea Schreb. cv. Watchdog)、解放者草地早熟禾( Poa p ratensis L . cv. L iberato r)、普通狗牙根( Cynodon dac-
ty lon ( L . ) Pa rs. cv. Common)和普特匍匐翦股颖( A grostis s to lonif er a L . cv. Putter)等 4 种草坪进行叶面喷施氮、
铁试验,研究反射光谱特征及植被指数与叶绿素密度的相关性。结果显示 :喷施氮肥(尿素 6 g / m2 )或氮肥+ 铁
(尿素 6 g/ m2+ 0. 6 L / m2 EDT A-Fe)能降低草坪在可见光区光谱反射率, 提高叶绿素密度,改善草坪色泽;草坪叶
绿素密度与可见光波段反射率呈负相关,其中绿波段反射率 R( 530. 94 nm)与叶绿素密度呈极显著相关; 由绿波段
及蓝绿波段组合的植被指数与草坪叶绿素密度呈显著相关; 逐步回归分析结果显示, 应用由 DVI ( 530. 94 nm,
500. 12 nm)和 ND VI ( 561. 64 nm, 520. 53 nm)构建的回归方程能够快速定量估测草坪色泽, 其结果与目测评分值
相关极显著;利用高光谱植被指数可以准确估测叶绿素密度,并对草坪色泽进行定量评价。
关键词: 高光谱反射率; 植被指数; 草坪色泽; 叶绿素密度
中图分类号: S688. 4 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2008) 05-0530-06
Turf Color Evaluation by Hyperspectral Vegetation Indices
ZHANG Wen, ZHANG Jian- li, CHEN Gong *
( Departm ent of Gras sland S cience, Yunnan Agricul tu ral Un iversi ty, Kunmin g, Yunnan Province 650201, Chin a)
Abstract: Colo r is a key component of the aesthetic quality of turf and of ten evaluated in f ield studies. Hy-
perspect ral indices could be used to measure turf canopy chlorophyll density and evaluate turf co lor based
on the co rrelat ion betw een vegetation index values and v isual r at ings. The cor relat ivity betw een hyper spec-
tral characterist ics, vegetation index and chlorophyll density of tall fescue ( Festuca arundinacea Schreb.
cv. Watchdog ) , kentucky blueg rass ( Poa p ratensi s L. cv . L iberator ) , bermudagrass ( Cynodon dacty lon
( L . ) Pars. cv. Common) and creeping bentg rass ( Ag rosti s stoloni f era L. cv. Put ter ) under leaf surface
spraying nit rogen and Fe fer tilizers w er e studied during the gr ow ing season in 2007. T he results show that
nit rog en ( ur ea 6g # m- 2 ) or nit ro gen + Fe ( ur ea 6g # m- 2 + EDT A-Fe 0. 6 L # m- 2 ) signif icant ly in-
creased chlorophyll density, decreased spectr al r ef lectance in visible w avebands, and improved the co lor of
turfgrass. T her e w as a negat ive co rrelat ion betw een turf chlor ophy ll density and the reflectance in visible
w aveband w ith an ex t reme-signif icance at g reen band ( 530. 94 nm ) and an signif icant co rrelation betw een
turf chlorophyll density and vegetat ion index derived from gr een and blue band. A signif icant relat ionship
w as established betw een vegetat ion indices of D VI ( 530. 94 nm, 500. 12 nm) and ND VI ( 561. 64 nm,
520. 53 nm) and turf chlorophy ll density and a st rong agreement ex isted betw een hyperspect ral vegetat ion
indices and visual ratings. This evaluation technique may facilitate objective and quant itat ive assessments of
turf colo r acr oss researchers, locat ions and years w hen hyperspect ral reflectance are measured and co llected
under equal condit ions.
Key words: Hyperspect ral ref lectance; V egetat ion index ; T ur f colo r; Chlorophyll density
收稿日期: 2007-12-20; 修回日期: 2008-03-28
基金项目: 云南省自然科学基金项目( 2004C0038M)资助
作者简介: 张文 ( 1982- ) ,女,贵州大方人,在读硕士, E- mail : zh angw en0708@ 163. com; * 通讯作者 Auth or for correspondence, E- mail :
ch engong65@ 126. com
第 5期 张 文等:以高光谱植被指数研究草坪色泽
草坪外观质量评价指标主要有密度、质地、颜色
和均一性,其中草坪色泽评价是草坪质量评价体系
中关键的环节。草坪色泽评价使用最广泛的方法是
九级制打分法[ 1-2] , 其次还有分光光度法 [ 3]、照度计
法[ 4-5]、植物效能分析仪( PEA) [ 6]、数码照相法[ 7]等。
高光谱遥感具有精细的光谱分辨率,在定量分析植
物氮素营养、监测作物长势、估测作物产量、估测植
被叶绿素浓度等方面越来越受到众多学者的关
注[ 8-10]。草坪色泽主要由叶绿素水平决定, 一般认
为,叶绿素水平越高, 草坪颜色越深,草坪色泽就越
好,而植被和叶片的反射光谱在可见光范围内主要
由叶绿素和其它色素决定 [ 11] , 可以用植被反射光谱
来估算色素含量 [ 12-14]。吴长山等人利用高光谱数
据对水稻、玉米群体叶绿素密度进行估算研究,并得
出利用导数光谱估计叶绿素密度的线性回归方
程[ 13]。薛利红等人的研究表明, 由 660 nm 和 460
nm 两波段反射率组成的冠层植被指数可以较好地
反映小麦叶片氮含量[ 15]。朱艳等人研究不同施氮
水平下稻麦叶片氮积累量与冠层反射光谱的定量关
系得出,比值植被指数 RVI ( 870, 660)和 RVI ( 810,
660)均与稻麦叶片氮积累量具有高度的相关性 [ 16]。
A. Pina等人的研究发现草丛群体光谱与叶绿素密
度密切相关[ 17] , X. Xiong 等人利用高光谱技术对施
肥和灌溉条件下狗牙根( Cynodon d acty lon L. )的
季节变化进行了研究 [ 18]。但总体看来, 有关定量评
价草坪色泽,尤其是将高光谱技术应用于草坪色泽
评价的研究还甚少。本文以不同单播草坪和不同施
氮水平草坪反射光谱数据为基础,综合分析草坪冠
层反射光谱与草坪叶绿素水平的关系, 探讨与草坪
叶绿素水平密切相关的特征波段及光谱参数, 并确
立草坪色泽的定量评价方程, 为高光谱技术在草坪
质量评价、草坪科学管理方面提供理论基础和新的
技术途径。
1 材料与方法
1. 1 试验区自然概况
试验区设在云南农业大学草坪实验基地( 25b01c
N, 103 b11cE) ,海拔 1931 m。年均气温 14. 7 e ,年降
水量 900~ 1100 mm。土壤为红壤土, 有机质含量
1. 74%, 有效氮含量 116. 67 mg/ kg, 速效磷 33. 11
mg/ kg ,速效钾 65. 2 mg/ kg , pH6. 7。
1. 2 供试材料
试验草坪为 2006 年 8 月建植的警犬高羊茅
( F estuca arundinacea Schreb. cv. W atchdog )、草地
解放者早熟禾( Poa p r atensi s L. cv . Liberator )、普
通狗牙根 ( Cynodon d acty lon ( L. ) Par s. cv. Com-
mon)和普特匍匐翦股颖( A gr ost i s stoloni f er a L.
cv. Put ter)等 4种单播草坪。
1. 3 施肥试验
试验设 3个处理:氮肥(尿素 6 g / m2 )、氮肥+
铁(尿素 6 g / m2+ 0. 6 L / m2 EDTA-Fe)和对照;其
中,尿素(含 N46% )配置为浓度 2% 的溶液,铁肥为
EDT A-Fe, 用 7. 45 g 乙二胺四乙酸二钠( C10H 14
N 2Na2O 8 # 2H 2O)和 5. 57 g FeSO 4 # 7H 2O 溶于
1L 水;对照组喷施等量清水, 小区面积 1 m @ 2 m,
重复 3次,随机区组排列。于 2007年 8月 9日傍晚
进行叶面喷施。试验过程中,草坪不修剪,其它按常
规管理。
1. 4 草坪反射光谱数据采集
采用 HR2000光谱仪(美国 Ocean 公司生产) ,
光谱范围 200-1100 nm,分辨率约 1 nm。于喷肥 10
d后测定草坪光谱, 观测时间 10: 30-13: 30 h, 测量
时固定光谱仪探头垂直向下, 距离草层表面 50 cm,
每小区重复 5 ) 10次, 取平均值作为光谱反射值,测
量时及时进行标准白板校正。
1. 5 叶绿素密度测定
反射光谱测定后, 立即取样测定草坪草叶绿素
含量。准确称重 0. 300 g 叶片放入 50 mL 容量瓶,
用 95%丙酮-乙醇混合液暗中浸提[ 19] ,每小区重复3
次,待叶片发白叶绿素提取完毕,用 722分光光度计
测定浸提液叶绿素含量,并换算为叶绿素密度, 等于
叶绿素含量与单位面积鲜叶重的乘积( g/ m2 )。
1. 6 目测法评价草坪色泽
目测评价草坪色泽采用 9分制, 其中 7-9分:深
绿到墨绿; 5-7分:中绿到深绿; 3-5分:浅绿到中绿;
1-3分:浅绿。目测评价具有一定的主观性,本试验
由几位评价者相对独立作色泽评价, 充分考虑草坪
颜色从浅绿 y中绿 y深绿 y墨绿的过渡变化,取平
均值作为评价结果。
1. 7 数据分析
基于草坪可见光波段光谱反射率, 分析各波段
光谱反射率与草坪叶绿素水平的相关性, 并利用两
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草 地 学 报 第 16卷
波段反射率构建比值植被指数、差值植被指数和归
一化植被指数, 各参数计算方法见表 1。通过分析
各试验处理叶绿素密度与光谱反射率和植被指数的
关系,筛选出对草坪叶绿素密度敏感的最佳光谱参
数,建立相应的回归方程。试验数据用 SPSS 13. 0
统计分析软件处理。
表 1 光谱参数计算方法及其出处
Table 1 Algorithm and refer ences of different spectr al indices
光谱参数
Spectral index
缩写
Abbreviat ion
计算公式
Algorithm formula
参考文献
Refer ence
单波段反射率
Ref ltance
RK
比值植被指数
Rat io vegetat ion index
RVI(K1, K2 ) RK1/ RK2 Pear son, et al . ( 1972) [ 20]
差值植被指数
Different ial vegetat ion in dex
DVI (K1 ,K2) RK1- RK2 Jordan C F ( 1969) [ 21]
归一化植被指数
Norm aliz ed vegetat ion index
ND VI ( K1,
K2 )
( RK1 - RK2 ) / ( RK1 +
RK2)
Rouse, et al . ( 1974) [ 22]
注: R 和K代表反射率和波长
Note: R andK in dicate ref lectance and w avelength, respectively
2 结果与分析
2. 1 施肥对供试草坪反射光谱特征和叶绿素密度
的影响
颜色较深的高羊茅在绿波段反射率相对较低,
而颜色较浅的狗牙根反射率则较高。在/绿峰0( 555
nm 左右 ) 处反射率差异尤其明显, 高羊茅为
5. 45%,狗牙根则高达 8. 23%。这主要是由于植物
叶片叶绿素和其它色素含量的不同引起可见光区反
射率的高低之分,植被的绿峰光学参数和叶绿素含
量呈显著相关[ 23] 。在 700~ 800 nm 范围内,叶面光
谱反射特征主要受叶内细胞结构和叶冠结构控制,
供试草种因叶形、质地、修剪高度、叶倾角不同,致使
冠层结构各异, 因此在红光-短波近红外波段的反射
率也明显不同(图 1)。
图 1 供试草坪在不同波段的光谱反射率
Fig. 1 Reflectance of four turfg rass
in differ ent w aveleng ths
施肥改变了狗牙根在可见光区的光谱反射率,
且叶绿素密度越高,光谱反射率越低。对照区、氮肥
区、氮肥+ 铁区的叶绿素密度分别为 1. 2078、2. 003
和2. 628 g / m2。与对照区比较, 后者均显著提高了
狗牙根的叶绿素密度,同时氮肥+ 铁区的效果显著
高于氮肥区;氮和铁的共同作用使狗牙根的色泽优
于氮肥区,从而降低了可见光范围内的光谱反射率。
氮是草坪需求量最多的营养元素, 能够促进草坪草
的生长, 加速其叶绿素的合成。铁作为多种酶的重
要组分参与氧化还原反应,是形成原叶绿素酸酯的
必需因子,适量与氮素配合使用可明显改善草坪色
泽。武小钢等试验结果也证明, 叶面喷施铁制剂能
提高高羊茅叶绿素含量[ 24]。因此, 混合喷施铁+ 氮
肥是提高叶绿素密度、改善草坪色泽的有效途径之
一(图 2)。
图 2 施肥后狗牙根光谱反射率
Fig . 2 Reflectance of bermudag rass under
different fertilization rates
532
第 5期 张 文等:以高光谱植被指数研究草坪色泽
2. 2 单波段光谱反射率与草坪叶绿素密度的关系
基于施肥后草坪反射光谱的变化,将叶绿素 a、
叶绿素 b、叶绿素含量、叶绿素密度与光谱反射率分
别进行相关分析。结果表明, 叶绿素密度与光谱反
射率之间相关性均高于前三者。叶绿素密度是反映
植被群体光合作用强弱、植被长势的重要参量,表征
单位面积草坪色泽群体的特征。因此, 采用叶面喷
施氮肥和铁来改善草坪叶绿素密度来研究其色泽变
化与植被指数的关系。
将可见光范围内光谱反射率与叶绿素密度进行
相关分析,结果表明:叶绿素密度与光谱反射率呈负
相关,并随着波长的增加而增大,其中最大值出现在
绿波段 530. 94 nm, 呈极显著负相关(图 3)。蓝波
段、红波段光谱反射率与叶绿素密度相关程度不如
绿波段,这可能是因为较高的叶绿素密度很容易使
红光吸收区达到饱和所致(图 4, 5)。
2. 3 植被指数与草坪叶绿素密度的关系
将与叶绿素密度相关性较高的波段进行组合,
计算比值、差值、归一化植被指数, 并与草坪叶绿素
密度进行相关分析,结果表明,与叶绿素密度相关性
达到 0. 75以上的光谱参数主要是绿波段及绿波段
与蓝边( 490-530 nm )组合的植被指数 (表 2)。其
中,尤以绿波段与蓝边组合的差值植被指数 D VI
( 530. 94 nm, 500. 12 nm)与叶绿素密度相关性最显
著。叶绿素与光谱反射率的相关研究大多集中于红
光区和近红外,忽略了绿光波段和蓝光波段的作用。
有大量的研究证明, 绿光波段和叶绿素密度相关密
切,如光反射指数 PR I 使用了绿光波段 [ 25] ;陈君颖
等人研究水稻叶片光谱不同变化形式与叶绿素含量
相关性,反演方程的最佳波段也主要是绿波段及蓝
波段[ 26] ; Gitelson等分析可见光反射率对于叶绿素
含量的敏感性,认为绿光波段对叶绿素的敏感范围
远远大于红光波段 [ 27]。
图 5 供试草坪草叶绿素密度与 715. 88 nm反射率的关系
Fig. 5 Relationship betw een reflectance at 715. 88 nm
and chlo rophyll densit y in turfg rass
表 2中所列出的植被指数与叶绿素密度相关性
高于原始光谱反射率, 主要是植被指数包括不同光
谱位置的综合信息,将植被指数作为多个 x 变量进
行逐步回归分析, 得出回归方程:
y = 2. 107- 0. 611 X 1+ 8. 559 X 2
( R
2
= 0. 832, P< 0. 01, n= 36) ( 1)
式中 y 为叶绿素密度, X 1 为 D VI ( 530. 94、
500. 12)、X 2 为 ND VI ( 561. 64, 520. 53)
由此可以看出,利用 DVI (530. 94, 500. 12)、NDVI
( 561. 64, 520. 53)植被指数来共同推算叶绿素密度,
可以明显提高估测的准确度,决定系数达到0. 832。
2. 4 目测法对草坪色泽光谱评价模型的检验
目测法评价草坪色泽简单易行,与光谱测量同
533
草 地 学 报 第 16卷
步,多位专家用 9分制对各小区草坪颜色进行目测
评价,将评价得分与叶绿素密度进行相关性分析, 结
果表明,目测色泽评分与叶绿素密度呈极显著线性
相关关系,回归方程为:
y= 1. 4332X + 2. 356
( R2= 0. 921, P< 0. 01, n= 36) ( 2)
式中 y 为草坪色泽评分, X 为叶绿素密度
将方程( 1)与方程( 2)联系起来建立光谱反射率
与草坪色泽评价值之间的回归方程:
y= 1. 4332 @ ( 2. 107-0. 611 X 1 + 8. 559 X 2 ) + 2. 356
式中 y 为草坪色泽评分, X 1 为 D VI ( 530. 94,
500. 12)、X 2 为 ND VI ( 561. 64, 520. 53)
表 2 供试草坪叶绿素与植被指数相关性分析(n= 36)
T able 2 Cor relation analy sis betw een vegetation indices and chlo rophyll( n= 36)
生化指标
Biochemical index
植被指数 Vegetat ion index
D VI D VI DVI R VI R VI ND VI N D VI N D VI
( 530. 94, ( 539. 98, ( 552. 17, ( 552. 17, ( 561. 64, ( 530. 94, ( 539. 98, ( 561. 64,
500. 12) 486. 02) 500. 12) 520. 53) 520. 53) 486. 02) 486. 02) 520. 53)
叶绿素 a Ch la - 0. 767* * - 0. 694* * - 0. 704* * 0. 683* * 0. 714* * 0. 617* * 0. 628* *0. 725* *
叶绿素 b Ch lb - 0. 595* * - 0. 707* * - 0. 642* * 0. 646* * 0. 647* * 0. 610* * 0. 617* * 0. 653* *
叶绿素含量 CH L. C - 0. 735* * - 0. 717* * - 0. 704* * 0. 690* * 0. 713* * 0. 632* * 0. 642* * 0. 722* *
叶绿素密度 CH L. D - 0. 827* * - 0. 769* * - 0. 785* * 0. 773* * 0. 807* * 0. 764* * 0. 774* * 0. 814* *
注: * * 极显著相关( P< 0. 01 )
Note: * * indicates the ext reme signif icant at th e 0. 01 level
将单播草坪光谱反射率代入模型, 计算出草坪
色泽评价得分, 并与专家打分法评价得分进行相关
分析,模型估测草坪色泽得分与目测评分的相关性
达极显著水平, 决定系数为 0. 6359(图 6)。
图 6 回归模型估测草坪色泽评分与目测
评分之间的相关性
Fig. 6 Cor relation between visual sco res and
reg ression model sco res
3 讨论与结论
3. 1 叶绿素作为光合作用的主要色素,既可以表征
植物的生长状况, 又反映草坪的外观质量。叶绿素
密度较叶绿素含量能够更好地反映草坪色泽、覆盖
度等综合信息。因此,本试验通过不同草种、不同施
肥处理研究不同色泽草坪其反射光谱特征及植被指
数与叶绿素密度之间的相关性。
3. 2 四种单播草坪光谱反射特征具有明显差异,叶
绿素密度越高, 可见光区域反射率越低。施用氮肥
或氮肥+ 铁显著提高叶绿素密度, 降低可见光区域
光谱反射率,改善其草坪色泽。近年来,对于蓝光波
段和绿光波段的研究受到许多学者的关注[ 28]。本
试验结果表明:四种单播草坪绿波段光谱反射率与
叶绿素密度相关性高于其它波段,呈极显著水平,其
中以 530. 94 nm 最高; 绿波段及绿波段与蓝边组合
的比值植被指数、差值植被指数和归一化植被指数
与叶绿素密度之间均存在极显著相关关系;由植被
指数 D VI ( 530. 94 nm, 500. 12 nm )、ND VI
( 561. 64 nm, 520. 53 nm)构建的回归方程能够对草
坪叶绿素密度进行准确的定量估测。基于高光谱植
被指数得出的色泽评分值与目测评分值之间存在的
显著相关性,高光谱技术可以作为一种客观而先进
的手段对草坪色泽进行定量评价。
3. 3 草坪是覆盖度较高,低矮、致密、整齐、均一的
人工植被,土壤背景、枯叶等因素对其影响较小, 研
究高光谱遥感技术在草坪上的应用比天然植被、农
作物具有更高的精确度。本研究仅涉及几种单播草
坪,对于混播草坪色泽评价的适用性有待进一步验
证。同时,草坪色泽在不同管理水平、不同物候期是
动态过程,草坪在水分、养分及病虫害等胁迫条件下
反射光谱的响应及其与色泽动态变化的关系也有待
于进一步研究和探讨。
534
第 5期 张 文等:以高光谱植被指数研究草坪色泽
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(责任编辑 孟昭仪)
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