我国农田重金属污染形势不容乐观。 土壤中的重金属被作物根系吸收后会影响作物正常的生长发育, 降低农产品质量, 进而通过食物链进入人体, 危害人体健康。 高光谱遥感为实时动态高效监测作物重金属污染提供了可能。 设置不同浓度Cu2+胁迫梯度的玉米盆栽实验, 并采集苗期、 拔节期和穗期玉米老、 中、 新叶片光谱数据, 测定不同生长时期叶片叶绿素含量、 叶片Cu2+含量。 基于所获取的光谱数据、 叶绿素含量和叶片Cu2+含量, 结合相关分析法、 最佳指数法（OIF）和偏最小二乘法（PLS）构建OIF-PLS法提取含有Cu2+污染信息的特征波段。 首先依据苗期、 拔节期和穗期叶片叶绿素含量及穗期叶片Cu2+含量与相应叶片光谱的相关系数初步筛选特征波段； 然后, 从中选取三个波段计算最佳指数因子, 并以该三个波段为自变量, 对玉米叶片Cu2+含量进行偏最小二乘回归分析, 计算均方根误差； 最后根据最佳指数因子最大、 均方根误差最小的原则选取最佳特征波段。 基于OIF-PLS法所选取的特征波段构造植被指数OIFPLSI监测重金属铜污染, 并与常规的红边归一化植被指数（NDVI705）、 改进红边比值植被指数（mSR705）、 红边植被胁迫指数（RVSI）和光化学指数（PRI）监测结果做比较, 验证OIFPLSI的有效性和优越性。 另外利用在相同的实验方法下获取的不同年份的数据对OIFPLSI进行检验, 验证OIFPLSI的适用性和稳定性。 实验结果表明, 基于OIF-PLS法提取的特征波段（542, 701和712 nm）比基于OIF法提取的特征波段（602, 711和712 nm）能更好地反映Cu2+污染信息； 植被指数OIFPLSI与叶片Cu2+含量显著正相关, 相关性优于NDVI705, mSR705, RVSI和PRI； OIFPLSI与叶片叶绿素含量显著负相关, 与土壤中Cu2+含量显著正相关； 不同生长时期OIFPLSI与土壤中Cu2+含量的相关性高低依次为拔节期、 穗期、 苗期。 基于不同年份数据验证结果表明, OIFPLSI与叶片Cu2+含量显著正相关, OIFPLSI具有较强的稳定性。 基于OIF-PLS法所提取的特征波段构建的OIFPLSI能够较好地诊断分析玉米叶片铜污染水平, 可为作物重金属污染监测提供一定的技术参考。

高光谱遥感监测农作物重金属污染已成为遥感研究的重要内容之一。 受污染的作物叶片中重金属含量映射到光谱上的信息量差异较微弱, 如何灵敏地挖掘其所包含的价值信息具备一定挑战性。 以农作物叶片光谱为研究对象, 通过多个光谱特征波段组合的方式, 提出了一种铜污染植被指数(CPVI)的污染程度探测模型, 来表征重金属Cu对农作物的污染程度。 首先设置盆栽实验, 将不同浓度梯度的CuSO4·5H2O粉末添加到土壤中, 模拟Cu污染土壤环境, 胁迫玉米生长。 采集玉米穗期的老、 中、 新叶片光谱, 测定叶片中Cu2+含量及相对叶绿素浓度。 而后利用随机选取的58组玉米叶片光谱作为实验数据, 在380～900 nm波长范围内选取波长λ1和λ2的两组叶片光谱反射率并计算相应的CPVI［λ1, λ2］模型指数及其与对应叶片中Cu2+含量的皮尔逊相关系数, 得到相关性特征绝对值矩阵。 其次, 根据得到的相关性特征绝对值矩阵, 提取皮尔逊相关系数较高的光谱特征波段690和465 nm, 并结合波段850 nm建立针对玉米叶片的铜污染植被指数(CPVIm)。 之后, 利用另外26组数据对CPVIm指数进行检验, 同时将该指数与归一化植被指数(NDVI)、 陆地叶绿素指数(MTCI)等常规植被指数进行比较以验证CPVIm的有效性与优越性。 结果表明, NDVI, MTCI, REP和DVI与叶片中Cu2+含量相关系数最高仅为0.68, 残差平方和RSS最低为70.99, 而CPVIm与叶片中Cu2+含量显著负相关, 相关系数达-0.80, 残差平方和为48.52, 均优于NDVI和MTCI等常规植被指数, 证明CPVIm对重金属胁迫更敏感。 同时利用两期不同年份不同品种的玉米光谱数据进行CPVIm指数的鲁棒性验证, CPVIm与叶片Cu2+含量的相关系数r分别为-0.90和-0.96, 均显著相关, 说明该指数对于不同品种的玉米污染程度探测仍具有良好的适用性。 另外, 利用玉米叶片中Cu2+含量、 CPVIm和叶片中叶绿素相对浓度构建三维分析模型, 从空间角度直观地反映了三者之间具有一定的相关关系。 通过光谱特征波段组合方式构建的CPVI探测模型可作为评价农作物重金属污染程度的参考方法, 基于该方法构建的CPVIm指数可有效甄别玉米受重金属Cu2+污染的程度。

农作物重金属污染监测是当今高光谱遥感研究的重要内容之一, 旨在设计一种新的窄带植被指数, 以实现不同培育期的两种玉米品种的重金属铜胁迫监测。 研究设计了不同浓度的铜污染实验, 采用SVCHR-1024I型高性能地物光谱仪测量不同浓度铜离子（Cu2+）胁迫下玉米叶片的光谱反射率, 并同步获取了玉米叶片中Cu2+含量数据。 首先, 对玉米叶片原始光谱数据进行一阶差分处理, 并计算一阶差分反射率与叶片中Cu2+含量的相关系数（r）, 筛选对铜胁迫敏感的波段。 计算结果显示, 489~497, 632和677 nm波长附近的一阶差分反射率与叶片中Cu2+含量显著相关, 可将其视为敏感波段。 其次, 根据以上3个敏感波段, 建立基于一阶差分反射率的铜胁迫植被指数（dVI）。 对所有可能的dVIs和Cu2+含量进行一元回归分析, 并采用决定系数（R2）和均方根误差（RMSE）对回归结果进行评估, 以筛选最佳指数。 最后, 采用不同生长年份的玉米实验数据对敏感波段的稳定性及dVI的适用性进行了验证评估; 同时, 通过与归一化植被指数（NDVI）、 红边叶绿素指数（CIred-edge）、 红边位置（REP）、 光化学反射指数(PRI)等常规重金属胁迫植被指数进行应用比较, 证明dVI更具有优越性。 结果表明: 一阶差分处理后, 在450~500, 630~680和677 nm波长处的叶片反射率与Cu2+含量的相关系数明显增大。 基于一阶差分反射率的特征波段具有稳定性, 对于不同生长年份的玉米叶片数据, 特征波段的波长位置不变。 一元回归分析结果表明, 结合497, 632和677 nm波长的一阶差分反射率的指数与Cu2+含量具有显著的相关性, 对于不同生长年份的2种玉米品种数据集, R2都高达075以上。 另外, 与常规植被指数比较结果表明, 该研究所提出的dVI具有更好的鲁棒性及有效性, 可为冠层尺度的重金属胁迫监测提供理论基础。