基于短波红外（SWIR）光谱指数的桃园短期水分胁迫跨尺度监测——与热红外CWSI的比较

《Precision Agriculture》：Using shortwave infrared spectral indices to monitor short-term water stress dynamics in peach orchards

　　

目的：捕捉水分状态的快速变化是优化地中海果园亏缺灌溉的关键，但热红外遥感受高空间分辨率数据可获得性的制约。研究人员评估了可见光、近红外和短波红外（VNIR/SWIR）指数检测桃园短期水分胁迫的能力。方法：在西班牙东南部两个商业桃园开展试验，通过停止灌溉4天诱导轻度水分胁迫。高分辨率高光谱和热红外影像与茎水势（ψ_stem）测量同步获取。在从高（20–50 cm）到中等（30 m）的多个空间分辨率下评估结构、色素相关和水分敏感指数，以分析像元大小对胁迫检测的影响。由热红外影像反演的作物水分胁迫指数（CWSI）作为参考指标。结果：基于1240 nm短波红外反射率的归一化差异水分指数（NDWI₁₂₄₀）和简单比值水分指数（SRWI）对ψ_stem变异的敏感性最强（R² = 0.63，p < 0.001），与热红外CWSI（R² = 0.67，p < 0.001）相当。所分析的SWIR指数在空间聚合下比其它经典VNIR指数更稳健，在包含土壤/阴影效应时仍保持敏感性。辐射传输模拟（PROSPECT/3D FLIGHT模型）证实了NDWI₁₂₄₀对短期胁迫下叶片含水量和叶倾角变化的响应。结论：结果表明SWIR指数，尤其是在1200–1300 nm范围，具有检测地中海木本作物早期水分胁迫的潜力，并支持其利用当前和未来卫星传感器进行大尺度监测的适用性，但仍需使用业务卫星数据进一步验证。

研究背景与问题：农业灌溉用水需求增加和集约化种植系统扩展，使亏缺灌溉（DI, deficit irrigation）策略需要连续、空间准确的作物水分状态评估，以避免产量或果实品质受损。园艺果树受土壤性质、灌溉设计与管理、树冠密度、树龄和发育等影响，水分状态变异较大。热红外遥感通过作物水分胁迫指数（CWSI, Crop Water Stress Index）已广泛用于果园短期水分胁迫制图和亏缺灌溉监测，CWSI与蒸腾、气孔导度及茎水势（ψ_stem, stem water potential）等存在经验关系。但热红外方法在大尺度应用受高空间分辨率影像需求限制，以隔离纯植被像元与背景效应；当前热红外卫星任务难以满足该要求：Sentinel-3和MODIS提供约1 km热数据，Landsat为100 m且重访频率低；将Sentinel-3热数据与Sentinel-2光学影像结合的锐化算法，在开放冠层作物短期胁迫检测中仍有限。短波红外（SWIR, shortwave infrared）光学指数利用液态水在SWIR的强吸收特征，使冠层反射率直接对叶片含水量变化敏感，且不受影响可见光指数（如PRI）的色素干扰；已有水分胁迫指数（MSI）、归一化差异水分指数（NDWI）和简单比值水分指数（SRWI）等用于草本作物和森林植被含水量评估，木本作物多采用便携式光谱仪或中分辨率卫星数据，针对快速、短期水分胁迫波动尤其是地中海木本作物的研究仍不足，高分辨率机载VNIR/SWIR影像研究较少。研究人员因此假设VNIR/SWIR光谱指数能够以与热红外CWSI相当的灵敏度检测桃园短期水分胁迫，并能在与当前及未来卫星传感器兼容的中等空间分辨率下保持敏感性；研究目的是评估高分辨率机载VNIR/SWIR指数检测两个商业桃园短期水分胁迫动态的能力，以CWSI为参考，分析空间分辨率影响，并利用耦合叶片-冠层辐射传输模型解析叶片含水量与冠层结构因素对指数响应的作用。研究得出：NDWI₁₂₄₀和SRWI对短期水分胁迫的敏感性与CWSI相当，且在空间聚合下更稳健，30 m像元下仍保持较高相关性；结果支持1200–1300 nm SWIR指数用于地中海木本作物早期水分胁迫检测及当前和未来卫星大尺度监测，但需业务卫星数据进一步验证。其意义在于为亏缺灌溉管理和站点特定灌溉决策提供非侵入性、可扩展的监测基础。

关键技术方法：在西班牙东南部两个商业桃园（Amandine与Nazario）开展试验，2018年7月2日至7月6日停止灌溉4天诱导轻度水分胁迫；每点每日期随机选取75株并重复测量ψ_stem；同步获取机载高分辨率高光谱（VNIR 400–885 nm，NIR-100 950–1700 nm）和热红外影像；设置纯树冠像素（20–50 cm，尺度A）、种植网格（5×3.5 m，尺度B）和30 m（尺度C）三种工作尺度；以热红外反演的CWSI为参考；采用PROSPECT与3D FLIGHT耦合辐射传输模拟；使用线性、多项式和对数回归及Fisher Z比较。样本队列来源为上述两个商业桃园。

研究结果：（1）热红外与高光谱指数同生理数据的比较分析：通过纯树冠像素（尺度A）的线性回归，CWSI与ψ_stem呈强线性相关（R² = 0.67，p < 0.001）；NDWI₁₂₄₀和SRWI的R²均为0.63（p < 0.001），与CWSI相当；以1630 nm为SWIR波段的MSI和NDWI₁₆₁₃相关性较低（R²分别为0.38和0.40）；部分结构指数R²为0.46–0.56，TCARI为0.56。在种植网格尺度B，结构指数表现弱（R² = 0–0.2），TCARI为0.47，NDWI₁₂₄₀和SRWI仍为0.63，表明其对背景效应不敏感。在30 m尺度C，MSAVI和RDVI的R²降至0.12和0.14，TCARI为0.48，MTCI为0.17；NDWI₁₂₄₀和SRWI保持R² = 0.66，MSI和NDWI₁₆₁₃仅略有下降。NDWI₁₂₄₀的空间分布与ψ_stem插值图在Date 1和Date 2的空间格局视觉一致，说明SWIR指数可检测短期水分胁迫并耐受像元聚合。（2）建模结果：通过PROSPECT+FLIGHT模拟，NDWI₁₂₄₀对等效水厚度（Cw, equivalent water thickness）和平均叶倾角（ALA, average leaf angle）变化敏感，ALA大于70°时影响更深，叶面积指数（LAI, leaf area index）±0.5变化影响较小；结构指数RDVI对ALA和LAI敏感，而对Cw不敏感；模拟的NDWI₁₂₄₀时间变化方向与机载观测中随ΔCWSI梯度变化的趋势一致，支持NDWI₁₂₄₀响应短期水分胁迫的机理解释。（3）中等分辨率下光学指数检测短期水分胁迫的评估：通过降尺度至30 m，NDWI₁₂₄₀和SRWI保持R² = 0.66，优于结构指数、色素指数及包含背景效应后性能下降的CWSI；MSI和NDWI₁₆₁₃分别下降0.05和0.03；高分辨率与30 m的NDWI₁₂₄₀图均显示Date 2水分胁迫增强、空间变异增大，并与ψ_stem空间格局一致。结论是1200–1300 nm范围SWIR指数对空间聚合稳健，适合中分辨率监测。

讨论部分总结：讨论将本研究与Ramírez-Cuesta等、Velazquez-Chavez等、Sánchez-Virosta等、Rallo等、Carrasco-Benavides等、Dzikiti等、Rapaport等、Rodríguez-Pérez等和Laroche-Pinel等的木本作物研究比较，认为本研究的R²与这些研究相当或更高，并确认NDWI₁₂₄₀和SRWI与CWSI性能接近。PROSPECT+FLIGHT模拟支持NDWI₁₂₄₀对Cw敏感，而结构指数受ALA和LAI影响；Torrecillas等报道的短期胁迫下叶片偏上性（epinasty）可解释结构指数在纯植被像元中的一定相关性。NDWI₁₂₄₀和SRWI优于1613 nm SWIR指数，可能与1500–2500 nm反射率在高LAI下饱和有关，而900–1300 nm在LAI达到8 m²/m²前仍对叶片含水量变化敏感；Rossi等和Ouyang等报道地中海桃园LAI等于或大于4 m²/m²，因此Sentinel-2等1500–2500 nm SWIR传感器可能不适合高LAI作物监测。在种植网格尺度，结构指数受土壤和阴影影响明显下降，CWSI在包含土壤像元时也明显下降；NDWI₁₂₄₀和SRWI仍保持较好相关性，可能反映土壤湿度变化，Chen等和Chandrasekar等也指出SWIR可揭示土壤背景效应。30 m降尺度后NDWI₁₂₄₀和SRWI仍保持强性能，支持将方法外推到未来具有1200–1300 nm SWIR信息的中分辨率传感器（如EnMAP和CHIME），但UAV或田间尺度热传感器仍更易获得且成本更低，本优势主要在中分辨率且当前无等效业务热卫星替代的场景。水分状态图可识别田间差异胁迫区，支持站点特定灌溉管理，并可作为灌溉决策支持工具的非侵入性输入。结论部分翻译：本研究结果表明，短波红外指数NDWI₁₂₄₀和SRWI（两者R² = 0.63）在检测这种开放冠层复杂树种的短期水分胁迫方面具有前景，性能与参考热红外CWSI（R² = 0.67）相当，并证实了研究假设。3D辐射传输模型模拟通过评估NDWI₁₂₄₀对叶片水厚度和平均叶倾角的响应，证实了机载观测结果。NDWI₁₂₄₀和SRWI在30 m像元尺寸下的线性回归表现强（两者R² = 0.66）。值得注意的是，这种对空间聚合的稳健性与CWSI在包含背景效应时性能急剧下降形成对比，凸显了SWIR指标在中分辨率业务监测中相对于热红外指数的实际优势，因为当前尚无等效的热红外卫星替代方案。因此，本研究为开发基于SWIR衍生指标的工具提供了基础，这些工具可兼容当前和未来包含1200–1300 nm SWIR光谱范围的多光谱和高光谱卫星任务，并可在商业果园的地块和大尺度上支持亏缺灌溉管理和站点特定灌溉决策，避免耗时且侵入性的方法。然而，仍需使用业务卫星平台数据进行对比，并需要更多田间测量（包括植被生理指标和土壤相关变量）进一步验证；未来研究应在更多试验中重复该实验设计，以确认和推广这些结果。