冬小麦叶片氮浓度多角度高光谱遥感监测新方法研究进展
作者与机构
本研究由河南农业大学国家小麦工程技术研究中心/小麦玉米作物学国家重点实验室（State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science）的Li He、Xiao Song、Wei Feng（通讯作者）等团队完成，合作单位包括河南省粮食作物协同创新中心。研究成果发表于2016年《Remote Sensing of Environment》期刊（Volume 174, Pages 122–133）。
学术背景
研究领域与科学问题
研究聚焦农业遥感领域，重点解决传统垂直观测多光谱传感器在冬小麦冠层中下层氮状态监测中的局限性。由于植被冠层内生化参数（如氮素）存在垂直梯度分布，传统垂直观测难以全面表征冠层三维信息。多角度遥感通过捕捉不同视角下的光散射与阴影差异，有望提升全冠层生理生化参数的检测精度。
研究动机
1. 技术瓶颈：传统植被指数（Vegetation Indices, VIs）如NDVI在冠层郁闭时易饱和，且对观测角度敏感。
2. 农业需求：实时、无损监测作物氮状态对精确氮肥管理至关重要，尤其在冬小麦生产中。
3. 科学空白：此前研究多关注传统垂直视角下的植被指数，缺乏针对多角度数据的专用指数开发。
研究目标
开发一种新型角度不敏感植被指数（Angular Insensitivity Vegetation Index, AIVI），提升冬小麦叶片氮浓度（Leaf Nitrogen Concentration, LNC）预测的准确性和角度稳定性，并验证其在多种农艺条件下的普适性。
研究方法与流程
1. 实验设计
- 时间与地点：2011–2014年，中国河南省郑州（潮土）和周口（砂姜黑土）两个生态点。
- 处理因素：
- 氮肥梯度（0–360 kg/ha）
- 种植密度（45–450株/m²）
- 品种类型（直立型与水平型，如郑麦366 vs. 周麦27）
- 生长阶段（拔节期至灌浆中期）
- 样本量：共8组实验，237个样本，覆盖不同年份、生态点和管理措施。
2. 数据采集
- 多角度高光谱反射率：
- 仪器：ASD FieldSpec手持光谱仪（325–1075 nm），搭配25°视场角光纤适配器。
- 观测方案：在太阳主平面（Solar Principal Plane, SPP）内设置13个观测天顶角（View Zenith Angles, VZAs，-60°至+60°，间隔10°），每次观测10次扫描取平均。
- 校准：使用BaSO4校准板校正基线反射率。
- LNC测定：取样面积0.20 m²，分离绿叶后烘干，采用凯氏定氮法（Kjeltec 2300）测定氮浓度。
3. 植被指数构建与验证
- 传统指数对比：测试17种已发表VIs（如NDVI、EVI、红边指数MND705等）在不同VZA下的表现。
- AIVI开发：
- 理论基础：结合红边波段（735 nm、720 nm）的光合敏感性、蓝波段（445 nm）的大气校正功能及绿波段（573 nm）的光合作用指示性。
- 公式：
[ \text{AIVI} = \frac{R{445} \times (R{720} + R{735}) - R{573} \times (R{720} - R{735})}{R{720} \times (R{573} + R_{445})} ]
- 优化目标：降低实验条件和VZA对指数的影响。
4. 数据分析
- 角度敏感性评估：计算VIs在不同VZA下的归一化差异（Vinorm）。
- 模型验证：
- 训练集：实验3–8数据（n=174）。
- 验证集：实验1–2独立数据（n=63）。
- 评价指标：决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）、平均相对误差（RE%）。
主要结果
1. 角度敏感性分析
- 反射率变化：可见光波段（如红、蓝）在背向散射方向（-60°）反射率较垂直方向增加265.5%，而近红外波段变化较小（≤89.3%）。
- VIs表现：
- 传统VIs（如NDVI、EVI）对角度敏感，尤其在极端角度（±60°）变异显著。
- 红边指数（如MND705、RI-1db）在背向散射方向（-20°）与LNC相关性最高（R²=0.92）。
2. AIVI优势验证
- 角度稳定性：在-40°至-10°范围内，AIVI的R²变异仅0.9%（传统VIs平均变异15%）。
- 预测精度：
- 单角度（-20°）：R²=0.87，RMSE=0.33。
- 多角度组合（-40°至-10°）：R²=0.86，RMSE=0.35。
- 跨条件鲁棒性：
- 不同生长期：生殖期（R²=0.88）优于营养期（R²=0.75）。
- 不同品种：直立型（R²=0.91）优于水平型（R²=0.86）。
3. 模型验证
独立验证显示，AIVI在-20°的预测性能（R²=0.84，RE=14.2%）显著优于传统指数RI-1db（R²=0.81，RE=18.5%）。
结论与意义
科学价值
1. 方法论创新：首次提出基于多角度红边-蓝绿波段组合的AIVI，解决了传统VIs的角度依赖性问题。
2. 机制揭示：证实背向散射角度（-20°）能更全面捕捉冠层垂直氮分布信息。
应用价值
1. 精准农业：为便携式多角度光谱仪开发提供理论依据，助力田间氮肥动态管理。
2. 遥感技术：为星载/机载传感器视角设计（如-40°至-10°范围）提供优化建议。
亮点
- 指数创新：AIVI首次整合红边与可见光波段的多角度响应特性。
- 跨条件验证：覆盖3年、2种土壤、6个品种及多种农艺措施，普适性强。
- 实用性强：明确-20°为最佳观测角度，简化实际应用中的操作复杂度。
其他发现
- 红边指数在LNC＞4.5%时出现饱和，而AIVI通过多波段协同有效缓解此问题。
- 冠层结构（如直立型品种）对VIs角度响应的影响大于土壤背景或年份差异。
本研究为多角度遥感在作物生理参数监测中的应用树立了新范式，未来可扩展至其他作物（如水稻、玉米）及更大尺度的生态系统观测。