利用高光谱数据估测不同温度胁迫下的水稻籽粒中粗蛋白和直

1 利用高光谱数据估测不同温度胁迫下的水稻籽粒中粗蛋白和直链淀粉含量利用高光谱数据估测不同温度胁迫下的水稻籽粒中粗蛋白和直链淀粉含量1 谢晓金 1 2 李秉柏1 朱红霞1 1 江苏省农业科学院农业经济与信息研究所 江苏 南京 2 南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室 江苏 南京 摘摘 要 要 水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量是评价稻米品质的两个主要指标 本文以不同温度胁迫下的水稻 田间试验为基础 分析水稻成熟籽粒粗蛋白和直链淀粉含量与不同生育期冠层反射光谱的相关性 结果显 示 水稻籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量与不同生育期冠层原始光谱和一阶导数在某些波段达到极显著或显 著相关水平 进一步分析比值植被指数 差值植被指数 归一化植被指数和红边参数等光谱参数与成熟籽 粒粗蛋白和直链淀粉含量的相关性 用回归分析方法对相关拟合较好的参数进行筛选 建立了水稻成熟籽 粒粗蛋白含量 GCPC 和直链淀粉含量 GAC 监测模型 运用独立观测数据对模型进行检验 其预测值与 实测值的精确度为 0 393 0 683 准确度为 0 708 0 923 RMSE 值为 8 706 11 296 表明模型预测值与 实测值之间具有较高的符合度 对水稻籽粒粗蛋白质和直链淀粉含量具有较好的预测性 关键词关键词 水稻籽粒 粗蛋白质含量 直链淀粉含量 反射光谱 光谱参数 冠层反射光谱能够反映作物群体面源信息 通过对冠层光谱信息的解析 可以有效提 取和突出作物目标的实时信息 多年来 反射光谱数据已成为估测叶面积指数 地上生物 量 叶绿素含量和氮素营养等农作物长势监测和遥感估产的重要手段 1 2 粗蛋白和直链淀粉含 量是谷类作物营养品质的两个重要指标 近年来 国内外许多研究表明 利用反射光谱来 预测谷类籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量也是可行的 Hansen等报道了利用冠层光谱反射率 和偏最小二乘法预测小麦籽粒蛋白质含量 3 李映雪等指出 灌浆中期冠层光谱指数 RVI 1 220 710 能预测不同小麦品种成熟期籽粒蛋白质含量的变化 4 刘芸等利用原始光谱反 射率和一阶导数光谱来构建植被指数来预测籽粒粗蛋白 粗淀粉和直链淀粉含量 其决定 系数达0 7以上 5 但以上研究主要偏重于氮素胁迫下的谷类籽粒品质的光谱反演 而定量 反演高温胁迫条件下水稻籽粒品质的研究未见报道 目前 随着全球气候变化的日益加剧 夏季极端高温和持续高温频繁出现 我国长江流域水稻发生热害的频率与受害程度随之加 大 对水稻品质损害的程度也越来越严重 而利用高光谱遥感技术进行高温热害长势和品 质监测的研究必是未来农业遥感重心之一 6 7 本研究以不同年份 不同品种类型在不同温 度胁迫下的水稻试验为基础 测定不同生育期水稻冠层高光谱反射率以及成熟籽粒的粗蛋 白和直链淀粉含量 讨论水稻籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量与冠层反射光谱参数的定量关 系 为快速 低成本地检测稻米品质提供依据 同时也为用高光谱遥感方法在水稻高温热 害中的品质监测应用提供重要的理论依据 1 材料与方法材料与方法 1 1 试验设计试验设计 试验 1 试验于 2007 2008 年在江苏省农业科学院试验站进行 供试水稻品种为扬稻 6 号 常规籼稻 全生育期约 138d 和南粳 43 常规粳稻 全生育期约 160d 5 月 15 日 育秧 6 月 18 日移栽 扬稻 6 号于 8 月 18 日开始抽穗 南粳 43 于 9 月 1 日开始抽穗 采 基金项目 基金项目 国家公益性行业科研专项项目 编号 GYHY 江苏省农业气象重点实验室开放基金 编号 JKLAM 作者简介 作者简介 谢晓金 1979 女 安徽安庆人 讲师 博士 主要从事农业遥感 植物生理生态等研究 收稿日期 2012 03 15 修回日期 2 用浙江余姚生产的远红外加热灯管 长 1 5m 额定功率 1000W 和自动控温系统 自行设 计高 1 7m 长 宽各 1 5m 的柱型钢管支架 安置在水稻试验田中 远红外加热管离地 1 5m 高 在温控和通风系统的调控下 使加热区 离地面 0 8 1 2m 高的空间 的温度变 幅控制在 0 2 左右 在两个水稻品种处于孕穗期时 随机选取 10 箱水稻进行高温处理 另外 10 箱为常温对照 CK 加热设施提前 30min 通电预热 以确保 09 00 14 00 时段内 穗层温度为 35 38 与 41 处理时间为 3d 每天高温处理 5h 后停止增温 在处理时 段内 常温对照的气温为 30 31 相对湿度为 65 高温处理的相对湿度为 68 试验 2 在以上两个水稻品种处于孕穗期时 随机选取 5 箱水稻移入 RXZ 型人工气候 光照培养箱中 进行 35 38 与 41 3 个温度梯度处理 处理时间为 3d 每天处理 5h 09 00 14 00 每天高温处理结束之后放置于网室内 以自然环境条件下温度为对照 试验资料用于检验预测模型 1 2 试验测定试验测定 1 2 1 光谱测定光谱测定 于水稻开花期 灌浆期及蜡熟期采用美国 Analytical Spectral Device ASD 公司生产的 FieldSpec Pro FR2500 型背挂式野外高光谱辐射仪测定冠层光谱反射率 光谱仪的波段范围 为 350 2 500 nm 其中 350 1 000 nm 光谱采样间隔为 1 4 nm 光谱分辨率为 3nm 1 000 2 500 nm 光谱采样间隔为 2 nm 光谱分辨率为 10 nm 冠层光谱测定选择在天气晴朗 无风或风速很小时进行 时间范围为 10 00 14 00 传感器探头垂直向下 距冠层顶垂直 高度约 1 0m 光谱仪视场角为 25 地面视场范围直径为 0 44m 每个小区记录 10 个采样 光谱 取平均值作为该处理的高光谱反射值 测量过程中及时进行标准白板校正 用 ASD ViewSpec Programs 软件读取反射光谱原始数据 1 2 2 粗蛋白和直链淀粉测定粗蛋白和直链淀粉测定 将光谱测量区域的水稻收获后碾磨去壳 得大米 大米直链淀粉的提取参照文献 8 方 法 用凯氏定氮法测全氮含量 根据一般大米蛋白质含约 16 80 氮的原理 将所得的全氮 含量乘以换算因子 K 5 95 推算为粗蛋白含量 1 3 数据分析数据分析 参照已有的植物光谱参数计算方法 9 12 基于所有波段的反射率 一阶导数构建两波 段组合的比值 差值和归一化植被指数以及红边幅值等特征光谱参数 以试验 1 为基础 对水稻冠层各项光谱参数与成熟籽粒粗蛋白质和直链淀粉含量进行相关分析 选择与籽粒 粗蛋白质和直链淀粉含量显著相关的波段及植被指数进行回归拟合 并通过回归分析确定 监测水稻籽粒蛋白质和直链淀粉含量的最佳光谱参数 建立预测模型 利用试验 2 的观测 数据对以上模型进行测试和检验 采用国际上常用的根均方差法 RMSE root mean square error 对模型进行检验 RMSE 以模拟值与观测值的一致性来反映模型的预测能力 RMSE 值小于 10 表明预测性强 RMSE 值大于 30 则表明预测性差 并引用 Massart 等 13 提出的精确度 Precision 和准确度 Accuracy 概念对模型的预测精度进行评价 精确度即实测值与预测值之间的决定系数 准确度即实测值与预测值拟合方程的斜率 2 结果与分析结果与分析 2 1 高温胁迫下籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的变化高温胁迫下籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的变化 3 图 1 展示出不同温度胁迫条件下扬稻 6 号和南粳 43 的粗蛋白和直链淀粉含量的变化特 点 可以看出 与对照相比 两个水稻品种的籽粒粗蛋白和直链淀粉含量均达到显著或极 显著水平 p 0 05 或 P 0 01 并且随胁迫温度的增加 两个品种的籽粒粗蛋白含量呈下 降趋势 而直链淀粉含量呈上升趋势 2 2 冠层反射光谱与水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的关系冠层反射光谱与水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的关系 2 2 1 冠层单波段反射率与籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的相关性冠层单波段反射率与籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的相关性 从图 2 可以看出 水稻籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量与 3 个生育期冠层光谱反射率的 相关性具有相反的趋势 其中粗蛋白与开花期和灌浆期冠层光谱反射率在整个光谱区域都 达 从图 2 可以看出 水稻籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量与 3 个生育期冠层光谱反射率的 相关性具有相反的趋势 其中粗蛋白与开花期和灌浆期冠层光谱反射率在整个光谱区域都 达到正相关 直链淀粉含量与开花期冠层光谱反射率仅在红光 642 691nm 范围内呈正 相关 在其他光谱范围内均呈负相关 而与灌浆期冠层光谱反射率在整个光谱区域都达到 正相关 对于蜡熟期 粗蛋白在 350 532 nm 575 695 nm 以及 1 760 nm 以上光谱区域呈负 相关 在其他光谱范围内均呈正相关 直链淀粉含量在 350 706 nm 光谱区域呈正相关 而 706 nm 以上可见光和红外区域光谱为负相关 另外 水稻籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量与 不同生育期叶片冠层光谱一阶导数在某些波段 如 376 416 628 和 715 nm 等 也达到了 显著或极显著相关水平 p 0 05 或 p 0 01 这表明 可以通过冠层原始高光谱反射率和 一阶导数来估测籽粒的粗蛋白和直链淀粉的相对含量 本试验还显示 籽粒的粗蛋白与直 链淀粉含量之间呈显著负相关 相关系数达 0 356 表明水稻籽粒粗蛋白含量越高 其直 链淀粉含量相对就越低 2 2 2 各类光谱变量与籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的相关性各类光谱变量与籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的相关性 将水稻冠层原始光谱反射率 一阶导数以及组合成的光谱变量与粗蛋白和直链淀粉含 量进行相关性分析 并将相关系数较大的光谱变量列于表 1 部分估算方程列于表 2 结果 0 4 8 12 16 20 24 28 ck35 38 41 胁迫温度 直链淀粉含量 扬稻6号 南粳43 0 2 4 6 8 10 12 14 16 ck35 38 41 胁迫温度 粗蛋白含量 扬稻6号 南粳43 图 1 高温胁迫下水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的变化 图 2 不同生育期冠层光谱反射率与水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的相关系数 A 开花期 B 灌浆期 C 蜡熟期 A 1 00 0 75 0 50 0 25 0 00 0 25 0 50 0 75 1 00 350850135018502350 波长 nm 相关系数 直链淀粉 粗蛋白 0 05水平 0 01水平 B 1 00 0 75 0 50 0 25 0 00 0 25 0 50 0 75 1 00 350850135018502350 波长 nm 相关系数 直链淀粉 粗蛋白 0 05水平 0 01水平 C 1 00 0 75 0 50 0 25 0 00 0 25 0 50 0 75 1 00 350850135018502350 波长 nm 相关系数 直链淀粉 粗蛋白 0 05水平 0 01水平 4 显示 3 个生育期冠层光谱变量对粗蛋白和直链淀粉含量预测性都较好 均达到显著或极 显著水平 p 0 05 或 p 0 01 但开花期的冠层光谱变量对粗蛋白和直链淀粉含量的预测 性优于灌浆期 而灌浆期的预测性又优于蜡熟期 光谱变量中的差值植被指数 DVI 810 450 DVI 810 680 和 670 755nm 面积可以同时预测籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量 表 1 不同生育期冠层光谱参数与水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的相关性 n 40 开花期 灌浆期 蜡熟期 光谱参数相关系数光谱参数相关系数光谱参数相关系数 DVI 810 450 0 812 DVI 810 450 0 753 DVI 810 450 0 567 DVI 810 560 0 722 DVI 810 560 0 656 DVI 810 560 0 459 DVI 810 680 0 771 DVI 810 680 0 746 DVI 810 680 0 398 PVI 810 680 0 848 DVI 560 450 0 383 PVI 810 680 0 380 Area 670 7550 850 DVI 560 680 0 466 PVI0 397 R7430 842 Area 670 755 0 757 Area 670 7550 371 D r0 661 D r0 644 r 8970 791 粗蛋白 FD7220 722 FD7230 624 FD715 0 471 DVI 810 450 0 853 DVI 810 450 0 771 DVI 810 450 0 595 DVI 810 560 0 783 DVI 560 680 0 485 DVI 810 560 0 490 DVI 810 680 0 832 DVI 810 560 0 647 DVI 810 680 0 457 PVI 0 815 PVI 810 680 0 683 D r 0 361 D r0 732 PVI 0 686 Area 670 755 0 448 Area 670 755 0 834 Area 550 5820 468 R1077 0 671 R800 0 854 Area 670 755 0 749 R1106 0 652 直链 淀粉 FD722 0 804 FD723 0 663 Fd715 0 521 和 分别表示 0 05 和 0 01 显著水平 表 2 不同生育期冠层光谱参数与水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的回归方程 n 40 开花期 灌浆期 蜡熟期 光谱参数回归方程光谱参数回归方程光谱参数回归方程 DVI 810 450 y 0 010 x 4 386PVIy 0 144x0 750DVI 810 450 y 1 152e0 011x PVI 810 680 y 1 021Ln x 1 963 R901y 1 467Ln x 2 902 R1076y 1 077Ln x 2 812 粗蛋 白 R880y 1 002Ln x 2 191FD723y 0 951x0 711FD997y 1 55x0 694 DVI 810 450 y 74 586x 0 334DVI 810 450 y 31 171e 0 011xDVI 810 450 y 24 170e 0 006x PVI 810 680 y 7 022Ln x 44 601DVI 810 680 y 29 700e 0 010 xFD715y 21 882e 0 223x 直链 淀粉 R750y 15 797x 0 334R929y 26 9701e 0 415xR897y 13 483 x 0 352 2 3 籽粒粗蛋白与直链淀粉含量的监测模型及检验籽粒粗蛋白与直链淀粉含量的监测模型及检验 基于单波段反射率 一阶导数以及表 1 所列的光谱参数 对籽粒粗蛋白和直链淀粉含量 进行回归分析 筛选 DVI 810 450 作为最佳光谱参数 并且开花期的 DVI 810 450 对籽粒 粗蛋白和直链淀粉含量的预测优于灌浆期和蜡熟期 图 3 展示了开花期 DVI 810 450 与成 熟籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的关系 并得出基于开花期冠层反射光谱的籽粒粗蛋白含量 GCPC 和直链淀粉含量 GAC 的预测方程 5 GCPC 0 010 DVI 810 450 4 386 R2 0 662 n 40 1 GAC 74 586 DVI 810 450 0 334 R2 0 754 n 40 2 利用试验 2 开花到蜡熟期的数据对水稻成熟籽粒粗蛋白和直链淀粉含量预测方程进行测 试和检验 见表 3 结果显示 预测值与实际值的精确度为 0 393 0 683 均达到极显著水 平 准确度为 0 708 0 923 RMSE 值为 8 706 11 296 说明粗蛋白和直链淀粉含量预 测模型对不同时期水稻的估测效果具有一定的可靠性 表 3 籽粒粗蛋白和直链淀粉含量预测模型的预测表现 生育时期 开花期灌浆期蜡熟期 精确度0 6780 6830 547 准确度0 7080 7080 743 粗蛋白 均方根差9 23610 1079 576 精确度0 3930 4780 640 准确度0 7610 9230 763 直链淀粉 均方根差8 70611 46311 296 3 结论与讨论结论与讨论 3 1 结论结论 与常温对照相比 两个水稻品种的籽粒粗蛋白和直链淀粉含量均达到显著或极显著水平 并且随胁迫温度的增加 两个水稻品种的籽粒粗蛋白含量呈上升趋势 而直链淀粉含量呈 下降趋势 将水稻冠层原始光谱反射率 一阶导数以及组合成的光谱变量与粗蛋白与直链 淀粉含量进行相关性分析 结果表明 三个生育期冠层光谱变量对粗蛋白与直链淀粉含量 预测性都较好 但开花期的预测性优于灌浆期与蜡熟期 其中光谱变量中的 DVI 810 450 DVI 810 680 和 670 755nm 面积三个参数可以同时预测籽粒的粗蛋白与直链淀粉含量 3 2 讨论讨论 前人研究表明 在氮素和干旱胁迫下 谷类籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量都有显著变化 14 15 本研究发现 与常温对照相比 高温胁迫下水稻籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量均达 到显著或极显著水平 冠层反射光谱能够反映作物群体面源信息 在一定程度上能反映籽 粒的品质信息 因此利用反射光谱预测籽粒的粗蛋白和直链淀粉含量具有一定的可行性 本研究发现 基于开花期的冠层光谱参数对籽粒粗蛋白和直链淀粉含量的预测均优于灌浆 期和蜡熟期 原因可能由于水稻籽粒营养成分的形成大部分来自抽穗前茎 叶营养贮存的 转移 即主要取决于灌浆前期 而蜡熟期水稻叶 穗大部分变黄 叶面积与叶片叶绿素含 图 3 水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量与开花期 DVI 810 450 的关系 y 74 586x 0 334 R 2 0 754 n 40 15 18 20 23 25 4045505560657075 DVI 810 450 直链淀粉 y 0 010 x 4 386 R2 0 662 n 40 8 9 10 11 12 13 14 4045505560657075 DVI 810 450 粗蛋白 6 量明显降低 这与粗蛋白和淀粉正相关的叶片叶绿素对整个冠层光谱的贡献相对减弱 因 此 相比之下 灌浆期和蜡熟期冠层光谱预测水稻籽粒的粗蛋白和淀粉的精度降低 本研 究基于开花期的冠层反射光谱参数 DVI 810 450 构建了成熟期籽粒粗蛋白和直链淀粉含量 的预测模型 通过检验表明 其估测效果较好 因此该模型具有一定得的准确性 此模型 为高光谱遥感方法在水稻高温热害品质监测中的应用提供了方法和依据 另外 由于水稻 籽粒粗蛋白质和直链淀粉含量的形成是一个动态过程 因此要利用遥感手段进行水稻籽粒粗 蛋白质和直链淀粉含量的精确监测预报 还必须深入探明稻穗的特征光谱及不同叶位叶片 和茎秆对冠层反射光谱的影响及其与籽粒蛋白质形成的机理关系 参考文献参考文献 1 冯伟 朱艳 田永超 等 基于高光谱遥感的小麦叶片氮积累量 J 生态学报 2008 28 1 23 32 2 Huang Z Turner B J Dury S J et al Estimating foliage nitrogen concentration from HYMAP data using continuum removal analysis Remote Sens Environ 2004 93 18 29 3 Hansen P M Jorgensen J R Thomsen A Predicting grain yield and protein content in winter wheat and spring barley using repeated canopy reflectance measurements and partial least squares regression J J Agri Sci 2002 139 3 307 318 4 李映雪 朱艳 田永超 等 小麦冠层反射光谱与籽粒蛋白质含量及相关品质指标的定量关系 J 中国农业科 学 2005 38 7 1332 1338 5 刘芸 唐延林 黄敬峰 等 利用高光谱法估测稻穗稻谷的粗蛋白质和粗淀粉含量 J 中国农业科学 2008 41 9 2617 2623 6 雷东阳 陈立云 李稳香 等 杂交水稻抽穗扬花期高温对结实率及相关生理特陛的影响 J 杂交水稻 2006 21 3 68 7 7 程高峰 张佳华 李秉柏 等 不同温度处理下水稻高光谱及红边特征分析 J 江苏农业学报 2008 24 5 573 580 8 洪 雁 顾正彪 刘晓欣 直链淀粉和支链淀粉纯品的提取及其鉴定 J 食品工业科技 2004 25 4 86 88 9 Rouse J W Haas R H Schell J A Mo