全 文 ：Vol. 30 , No. 10
pp. 1036 - 1041 　Oct. , 2004
作 　物 　学 　报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 30 卷 第 10 期
2004 年 10 月 　1036～1041 页
利用冠层反射光谱预测小麦籽粒品质指标的研究
薛利红　朱　艳　张　宪　曹卫星 3 Ξ
(南京农业大学江苏省信息农业高技术研究重点实验室 ,江苏南京 210095)
摘 　要 　以两个专用小麦品种为材料 ,系统分析了小麦花后冠层反射光谱特征和籽粒品质形成的动态变化规律以及两
者之间的关系。结果表明 ,花后冠层光谱反射率在可见光波段逐渐升高 ,而在近红外波段逐渐降低。开花期反射光谱与
籽粒品质指标相关较好 ,但用来直接预测籽粒品质还存在一定的局限性。由于反射光谱能可靠推断叶片氮素状况 ,而叶
片氮素状况与籽粒蛋白质含量、干湿面筋含量相关极显著 ,因此可以用冠层光谱指数来间接预测籽粒品质指标 ,其中籽
粒蛋白质含量的预测值和实测值之间的决定系数 ( R2)达 0188。说明通过遥感手段来预测小麦籽粒品质指标是可行的。
关键词 　普通小麦 ;冠层反射光谱 ;叶片氮素状况 ;籽粒品质
中图分类号 : S512
Predicting Wheat Grain Quality with Canopy Reflectance Spectra
XUE Li2Hong , ZHU Yan , ZHANG Xian , CAO Wei2Xing 3
( High2tech Key Laboratory of Information Agriculture , Jiangsu Province , Nanjing Agricultural University , Nanjing 210095 , Jiangsu , China)
Abstract 　Dynamic trends of canopy spectral reflectance and grain quality formation , and their relationships in two wheat
cultivars were analyzed1 The results showed that reflectance increased at visible bands while decreased at NIR bands after
flowering1 Canopy spectra at flowering were best related to grain quality index , but the prediction of grain quality index us2
ing the relationship was not satisfied1 Leaf nitrogen status was closely related to grain protein content , wet and dry gluten
content in wheat , and it could be reliably estimated from canopy spectra1 Thus , canopy spectra can be used to indirectly
predict grain quality index1 The fitness of estimated and tested grain protein content was good with R2 of 01881 This indi2
cates that it is feasible to predict grain quality index in wheat by using remote sensing technique1
Key words 　Wheat ;Canopy reflectance spectra ;Leaf nitrogen status ; Grain quality
　　小麦籽粒品质的优劣是由品种特性与栽培环境
共同决定的。国产小麦尽管不乏各种优质类型 ,但
由于缺乏品质区划及标准化栽培技术 ,造成同一品
种在不同条件和不同地块间品质差异较大 ,混合收
获也使加工品质大大降低。面粉加工企业迫切需要
在收获前对小麦品质进行快速低成本检测。室内检
测分析方法虽然较为准确 ,但其破坏性的多点采样
费时、费工 ,且检测成本较高。遥感技术的发展使利
用遥感信息反演作物体内生化组分含量进而监测品
质成为可能 ,这对生产上小麦品质的监测预报、调优
栽培和分类加工的实施有重要指导作用。Humburg
等用 3 个波段组合 (500 nm、550 nm 和 830 nm) 建立
了甜菜的品质监测模型 ,能够预测糖、钠及胺态氮含
量[1 ] 。Matsunaka [2 ]等对用叶色来推断成熟期小麦籽
粒蛋白质含量的可行性进行了研究 ,发现当抽穗末
期用叶绿素仪测得的倒二叶叶色值小于 40 时 ,小麦
籽粒蛋白质含量可能低于日本面条的加工标准 ,这
一指数适用于除泥炭土地块外的北海道东部地区。
王纪华等利用冠层光谱反射率对叶片生化组分和籽
粒蛋白质及干面筋含量进行了初步的估算研究[3 ] 。
迄今为止 ,利用冠层反射光谱来全面准确地反衍小
麦籽粒品质指标的研究还不多见。为此 ,本文以两
个不同蛋白质含量的小麦品种为材料 ,系统地分析
了不同氮肥水平下小麦抽穗后冠层反射光谱特征及
籽粒品质形成的动态特征 ,并对两者之间的量化关
系进行了探讨 ,以期为小麦籽粒品质监测提供一些Ξ基金项目 :国家自然科学基金重点资助项目 (30030090) 、国家 863 计划资助项目 (2003AA209030) 、江苏省自然科学基金 (BK2003079) 和高校
博士点基金 (200307017)资助项目。
作者简介 :薛利红 (1977 - ) ,女 ,博士 ,主要从事作物遥感监测和信息农学方面的研究。3通讯作者 :曹卫星。E2mail : caow @njau1edu1cn
Received(收稿日期) :2003205226 , Accepted (接受日期) : 20032122221

理论依据。
1 　材料与方法
111 　试验设计
　　试验于 2001 - 2002 年在南京农业大学校园网
室内的水泥池中进行。土壤为黄棕壤土 ,有机质
1121 % ,全氮 0113 % ,速效氮 2912 mg·kg - 1 ,速效磷
2915 mg·kg - 1 ,速效钾 7213 mg·kg - 1。用 2 个品种 ,
徐州 26 (高蛋白)和淮麦 18 (低蛋白) ;4 个施氮水平 ,
N0 不施氮肥 ,N1 施氮 12 g N·m - 2 ,N2 施氮 21 g N·
m
- 2
,N3 施氮 30 g N·m - 2 ,小区面积 4 m2 (214 m ×
1168 m) ,两因素随机区组排列 ,重复 3 次。氮肥的
基追比为 1∶1。磷、钾肥施用量分别为 12 g P2O5·
m
- 2和 15 g K2O·m - 2 ,全部作基肥。基本苗 150 万/
hm2 ,行距 2415 cm。其他栽培管理同小麦高产栽培。
112 　冠层光谱测量及光谱参数的计算
冠层光谱数据采用美国 Cropscan 公司生产的
MSR216 型便携式多光谱辐射仪进行测量 ,测量范围
为 452～1 650 nm ,16 波段 ,仪器视场角为 3111°。在
小麦开花后每隔 5～7 d 进行一次光谱测量。测量
选择在晴朗无云的天气进行 ,观测时间为 11 :00～
14 :00之间。测量时探头垂直向下 ,距冠层顶部垂直
高度约 115 m。每小区固定测量 3 点 ,每点重复测量
5 次 ,取平均值作为该小区光谱测量值。并系统计
算从可见光波段到短波红外波段共 16 个波段的所
有比值和归一化指数。计算公式如下 :
比值指数 　 R (λ1 ,λ2) =
ρλ1
ρλ2 ; 归一化指数
ND (λ1 ,λ2) =
| ρλ1 - ρλ2 |
ρλ1 +ρλ2
其中 ,ρ表示反射率 ,λ表示波段。
113 　农学参数的测量及籽粒品质分析
与光谱测量同步 ,每小区取有代表性植株 5～8
株 ,带到室内测定分析各器官 (茎鞘、叶片、颖壳 + 穗
轴和籽粒)的干物重及氮含量 (百分含量) ,并计算各
器官的氮积累量 (干重与氮含量的乘积 ,单位为 g·
m
- 2) 。成熟时 ,每小区收取 2 份 1 m 行长的穗子 ,脱
粒 ,晒干 ,种子经 1 个月的生理后熟后 ,根据已有分
析方法[4 ,5 ] ,对以下品质指标进行分析 ,结果见表 1。
(1)蛋白质含量 (全麦粉/ 面粉) ( %) :用凯氏微
量定氮法测定。
(2)湿面筋含量 ( %) :用 JJJM2542115 Ⅱ面筋测定
仪 ,按 GB/ T 14608293 法测定。
(3) 干面筋含量 ( %) :按 GB/ T 14607293 小麦粉
干面筋测定法测定。
(4)直链淀粉含量 ( %) :按碘比色法测定 ,以占
总淀粉含量表示。
(5)沉降值 (mL) :按 GB/ T 1568521995 法测定。
(6) 降落值 ( S) :用 JLZ2II 型降落值仪 ,按 GB
10361289 谷物降落值测定法测定。
表 1 小麦籽粒品质指标性状取值范围
Table 1 Value range of wheat grain quality traits
品种
Cultivar
蛋白质含量
Protein content ( %)
干面筋含量
Dry gluten( %)
湿面筋含量
Wet gluten( %)
直链淀粉
Amylose content ( %)
沉降值
Sedimentation value (mL)
降落值
Falling number (S)
淮麦 18 9178 - 13182 913 - 1216 26111 - 37160 22127 - 38130 3715 - 4417 32515 - 38815
Huaimai 18 (9176 %) (8174 %) (10152 %) (15180 %) (4173 %) (5196 %)
徐州 26 11136 - 15100 914 - 1411 25149 - 44184 23194 - 35121 3715 - 4413 286 - 35015
Xuzhou 26 (9172 %) (12181 %) (14160 %) (11160 %) (5134 %) (5168 %)
　　注 :括号里的数值代表变异系数。Note :Values in parentheses are coefficients of variation1
2 　结果与分析
211 　抽穗后冠层反射光谱的变化
　　小麦冠层反射率在开花后的变化规律十分明
显 ,可见光波段反射率逐渐升高 ,近红外波段反射率
逐渐降低 ,尤其是 680 nm 波段 ,由开花时的 2 上升
到成熟时的 10 (图 1) 。从图中还可看出 ,各波段反
射率的变化导致冠层反射光谱波形也出现了相应的
变化。到成熟期 ,由于植株衰老变黄 ,红光波段 (680
nm)处因反射率较低形成的吸收谷和绿光波段 (560
nm)处的反射峰已消失不见 ,近红外波段的高反射
平台也变得不再明显。这一变化趋势在两品种间表
现一致。
212 　抽穗后各器官氮含量和氮积累量的变化规律
从图 2 中可以看出 ,小麦营养体各器官开花后
氮含量与氮积累量的变化趋势基本一致 ,均以开花
期最高 ,随着籽粒的灌浆成熟 ,氮含量与积累量逐渐
下降 ,成熟时降至最低。其中 ,茎鞘中氮积累量在花
后 10 d 稍微有所提高 ,随后呈下降趋势。籽粒中氮
含量变化呈高2低2高的“V”型曲线 ,在花后 20 d 左右
7301　10 期 薛利红等 :利用冠层反射光谱预测小麦籽粒品质指标的研究 　　　

图 1 花后淮麦 18 冠层反射光谱的变化
Fig. 1 Changes of post2anthesis canopy spectral
reflectance in Huaimai 18
降至最低 ,以后至成熟又逐渐回升。而籽粒氮积累
量在开花后则逐渐增加 ,至成熟时达到最高值 ,呈
“S”型变化曲线。徐麦 26 的变化规律同淮麦 18。这
表明花后叶片和茎鞘等营养器官中贮存的氮素逐渐
向籽粒运转。其中 ,叶片的氮素转运量 (即开花时氮
积累总量与成熟时氮积累总量之差)最高 ,其次为茎
鞘的 ,穗轴 + 颖壳的最低。
213 　冠层反射光谱指数与叶片氮含量及氮积累量
的关系
　　进一步分析小麦花后不同时期叶片氮含量和氮
积累量与冠层反射光谱特征之间的关系 ,发现在任
一生育阶段 ,叶片氮含量和氮积累量与比值和归一
化指数均呈极显著的正相关关系 (表 2) ,且两个品
种表现一致 ,可以用一个方程来拟合。其中开花期
表现最好 ( R2 > 0180) ,其次为黄熟期。研究还发现 ,
与叶片氮含量和氮积累量相关性最好的比值指数和
归一化指数具有相同的波段组成。其中 ,除了蜡熟
期与叶片氮含量相关最好的为近红外波段 (810 nm)
与近红边波段 (710 nm) 的组合外 ,其余均为中红外
波段与可见光波段的组合。
图 2 淮麦 18 花后各器官氮含量与氮积累量的动态变化
Fig. 2 Changes of N content and N accumulation in leaves , stem + sheath , hull + rachis and grains in Huaimai 18
表 2 不同生育时期小麦叶片含氮量和叶片氮积累量与比值和归一化指数的最佳回归方程( n = 24)
Table 2 The best regression equation of leaf N content ( LNC) and leaf N accumulation ( LNA) to ratio or
normalized difference ( ND) index at different growth stages of wheat
生育时期
Growth stage
比值指数
Ratio index
回归方程
Regression equation R
2 归一化指数
ND index
回归方程
Regression equation R
2
开花期 Flowering R(1650 ,560) Y = 112622 X016465 0182 ND(1650 ,560) Y = 012186 X016267 0182
叶片含氮量 乳熟期 Milky ripe R(1100 ,710) Y = 116671 X + 118819 0168 ND(1100 ,710) Y = 010561 X + 015754 0168
LNC 蜡熟期 Waxen ripe R(810 ,710) Y = 212546 X - 014994 0164 ND(810 ,710) Y = 011028 X + 014128 0162
黄熟期 Physiological ripe R(1500 ,510) Y = 018646 X + 111617 0175 ND(1500 ,510) Y = 011332 X + 012186 0175
开花期 Flowering R(1650 ,610) Y = 014152 X211971 0188 ND(1650 ,610) Y = 431121 X311277 0185
叶片氮积累量 乳熟期 Milky ripe R(1100 ,680) Y = 018716 X + 131991 0175 ND(1100 ,680) Y = 010045 X + 018727 0173
LNA 蜡熟期 Waxen ripe R(1220 ,560) Y = 013751 X + 417132 0167 ND(1220 ,560) Y = 01014 X + 016625 0165
黄熟期 Physiological ripe R(1500 ,460) Y = 311489 X01195 0175 ND(1500 ,460) Y = 015215 X011117 0174
8301 　　　作 　　物 　　学 　　报 30 卷 　

214 　小麦叶片氮素状况与籽粒品质指标的关系
小麦籽粒品质的主要指标有蛋白质含量、淀粉
含量与面筋含量等。分析这些指标与开花后叶片氮
素含量的关系 (表 3) ,发现除了淀粉与叶片氮素状
况负相关外 ,其余品质指标均呈正相关关系 ,其中蛋
白质含量、干面筋、湿面筋和沉降值等指标的相关性
较好 ,在花后几个时期都达到了极显著水平。其中 ,
蛋白质含量和湿面筋以开花期的相关性最高 ,干面
筋与沉降值则以乳熟期最高。面筋指数和叶片全氮
含量在乳熟期和蜡熟期也达到了极显著水平。图 3
列出了小麦开花期叶片氮积累量与籽粒蛋白质含
量、干面筋含量和湿面筋含量的回归方程 , X 为小麦
叶片氮积累量 , Y 为相应的籽粒品质指标 ,决定系数
分别为 0188、0183、0177。
表 3 小麦籽粒品质指标与花后叶片氮素状况的相关关系
Table 3 Correlation between grain quality traits and post2anthesis leaf nitrogen content ( LNC) and leaf nitrogen accumulation ( LNA) in wheat
籽粒品质指标
Grain quality index
叶片含氮量
Leaf N content
叶片氮积累量
Leaf N accumulation
开花期
Flowering
乳熟期
Milky ripe
蜡熟期
Waxen ripe
开花期
Flowering
乳熟期
Milky ripe
蜡熟期
Waxen ripe
蛋白质含量 Protein content ( %) 0188 3 3 0175 3 3 0152 3 3 0195 3 3 0192 3 3 0191 3 3
直链淀粉　Amylose content ( %) - 0121 0100 - 0126 - 0117 - 0118 - 0117
干面筋含量 Dry gluten content ( %) 0188 3 3 0187 3 3 0170 3 3 0186 3 3 0189 3 3 0187 3 3
湿面筋含量 Wet gluten content ( %) 0184 3 3 0174 3 3 0156 3 3 0187 3 3 0187 3 3 0183 3 3
沉降值　　Sedimentation value 0175 3 3 0183 3 3 0166 3 3 0161 3 3 0172 3 3 0165 3 3
　　Note : n = 24 , α0105 = 01404 , α0101 = 015151
215 　小麦籽粒品质指标的间接预测
小麦花后的光谱反射特征与小麦叶片氮素状况
密切相关 ,而花后叶片氮素状况对最终的籽粒品质
有显著的影响 ,因此可以通过花后冠层光谱反射特
征来反演小麦的叶片氮积累量 ,进而间接预测小麦
籽粒品质指标 ,如图 3 方程所示。估算结果表明 ,籽
粒蛋白质含量、干面筋含量和湿面筋含量实测值和
预测值之间存在着较好的 1∶1 关系 (图 3) ,两者之
间的 RMSE 分别为 01500、01555 和 21474 ,说明利用
冠层反射光谱来预测籽粒品质指标不仅在理论上是
可行的 ,而且实际结果也比较可靠。
216 　冠层反射光谱与小麦籽粒品质指标的关系
21611 　单波段反射率与籽粒品质指标的相关性 　
　籽粒中的氮大部分来源于花后光合产物的再运
转 ,而作物冠层光谱是作物长势的综合体现 ,因此 ,
冠层光谱在一定程度上也能反映最终的籽粒品质信
息。成熟时小麦籽粒主要品质指标 (蛋白质含量、直
链淀粉含量等)与花后冠层反射光谱的分析表明 ,蛋
白质含量与成熟期近红外波段反射率极显著相关 ,
相关系数在 0154～0165 之间 ( n = 24 , α0105 = 01404 ,
α0101 = 01515) ,两个品种关系较为一致 ,而在其他生
育时期的关系不明显。籽粒直链淀粉与开花期的
660 nm、乳熟期的 460 nm 及蜡熟期的 460 和 510 nm
相关显著 ( r > 0140) 。湿面筋含量与蜡熟期的个别
波段 (560 nm、660 nm、680 nm 及 950 nm、1 100 nm)的
相关达到显著水平 ( r > 0141) ,而与开花期和黄熟期
的近红外和中红外波段相关达到极显著水平 ( r >
0171) 。
图 3 小麦籽粒蛋白质含量、干(湿)面筋含量实测值与预测值的关系
Fig. 3 Relationships between estimated and tested values of protein content , wet gluten content and dry gluten content in wheat grains
9301　10 期 薛利红等 :利用冠层反射光谱预测小麦籽粒品质指标的研究 　　　

21612 　两波段的比值指数和归一化指数与籽粒品
质指标的相关性 　　小麦籽粒蛋白质含量与开花和
蜡熟两个时期的植被指数相关较好 ,开花期以 1 650
nm波段与可见光波段的组合较好 ,1 650 nm 和 510
nm 的组合最佳 ,蜡熟期最好的为 1 500 nm 与 460 nm
和 510 nm 的比值和归一化组合 ,相关系数均在 0160
以上。籽粒直链淀粉仅与开花期个别指数相关显
著 ,相关系数在 0140 左右 ,其余时期的指数大多不
显著。湿面筋含量与任一时期的绝大多数比值或归
一化组合相关显著 ,其中开花期最佳的指数为 1 480
nm与 510 nm 的组合 , r = 0175 ,达极显著水平 ;乳熟
期为 950 nm 与 510 nm 的组合 , r = 0165 ,达极显著水
平 ;蜡熟期为 1 220 nm 与 560 nm 的组合 ,黄熟期为 1
500 nm 与 460 nm 和 510 nm 的组合及 1 480 nm 与
460 nm 的组合。
217 　小麦籽粒品质指标的直接预测
为了通过冠层反射光谱直接预测小麦籽粒品质
指标 ,获取了开花期最佳光谱指数与蛋白质含量、干
(湿)面筋含量的回归方程 ( Y 为籽粒品质指标 , X 为
光谱指数) ,并计算了预测值与实测值之间的符合程
度 (表 4) 。结果表明 ,开花期冠层反射光谱能被用
来直接预测籽粒品质指标 ,但预测精度低于间接预
测的。干 (湿)面筋含量实测值与预测值的回归斜率
远偏离于 1 ,回归截距也远大于 0 ,说明尽管干 (湿)
面筋含量与开花期反射光谱存在着较好的相关性 ,
但用来直接预测还存在着一定的局限。
表 4 籽粒品质指标与开花期最佳光谱指数的回归方程及实测值与预测值的符合度
Table 4 The best regression equation between protein content , dry ( wet) gluten content and best spectral index at
anthesis , and the fitness between measured and predicted values
品质指标
Grain quality index
最佳指数
Best Index
回归方程
Regression equation R
2
实测值与预测值的符合度
The fitness between measured and predicted values
回归斜率
Slope
回归截距
Intercept R
2 均方根差
RMSE
蛋白质含量 Protein content ( %) R(1650 ,510) Y = 117117 X + 410729 017042 1 6E205 017057 01773
干面筋含量 Dry gluten content ( %) R(1650 ,560) Y = 417277e013388 X 016303 01612 415424 016065 01801
湿面筋含量 Wet gluten content ( %) R(1480 ,510) Y = 101433 X + 817634 016376 016376 131123 016376 31115
3 　小结与讨论
随着经济发展和人们生活水平的提高 ,优质专
用小麦的需求量越来越大。在长江下游地区 ,适合
于做饼干、糕点等食品的优质弱筋小麦在国内占有
绝对优势[6 ] ,在淮北地区 ,小麦生产上已出现了一批
优质的专用面包小麦。然而 ,专用小麦的生产仅有
优质品种是不够的 ,还需要适宜的生态条件和栽培
措施。研究表明 ,同一地区的同一品种 ,不同的氮肥
运筹方式可引起小麦籽粒蛋白质含量相差 4 个百分
点以上[6 ,7 ] ,对湿面筋含量和沉降值等也有显著影
响[8 ] 。因此 ,实时无损监测小麦的生长状况进而及
时对籽粒品质进行监测预报 ,从而指导小麦生产管
理和品质分级是当务之急。
本研究表明 ,通过某一个生育时期的光谱特征
来直接预测小麦籽粒品质指标还存在着一定的局限
性。但利用冠层反射光谱特征可以较可靠快速地反
演作物叶片氮素状况[9～15 ] ,而小麦花后叶片氮素状
况与籽粒品质指标尤其是蛋白质含量关系极其密
切[16 ] ,因此可以间接地对籽粒蛋白质含量进行监测
预报。王纪华等发现开花期叶片含氮量与籽粒品质
指标相关显著 ,并基于此关系建立了小麦籽粒蛋白
质含量等品质指标的回归预测方程[3 ] ,然而 ,本研究
却发现 ,叶片氮积累量与籽粒品质指标的相关性要
优于叶片含氮量的 ,这可能是因为叶片氮积累量还
考虑了叶片干重的影响。但具体用哪一个指标建立
小麦籽粒品质预测方程精确性较高 ,还有待进一步
验证。此外 ,由于本试验数据来源有限 ,籽粒蛋白质
含量预测的量化方程还有待进一步测试和完善。
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1401　10 期 薛利红等 :利用冠层反射光谱预测小麦籽粒品质指标的研究