由于作物的光谱特征可以反映作物长势、冠层结构等综合信息，且相较于传统的化学方法，采用光谱技术检测作物水分信息，具有简单、快速、无损、准确等优势，对于作物水分的实时无损检测和精确感知具有重要意义[2]。基于光谱的现代水分自动监测技术因此得到了广泛研究和应用。Zhang Jiahua[3]等人研究探测发现叶片含水量变化的敏感波段主要位于发现可见光区域的469、645、700和710nm波段，近红外区域的760、815、855、930、1075、1100 nm波段和短波红外区域的550、1600、1640、1750、2130nm波段。冠层几何结构和土壤背景的综合影响会导致冠层光谱与叶片反射光谱有略微的不同[4]。在冠层水平上，近红外反射率随植株重量的增加而降低，950-970nm处的水分吸收槽也逐渐降低，灌溉后两者又都可以恢复到原来的水平，表明R970/R950可以很好地指示植株水分状况[5]。Dobrowski[6]等发现690 nm和740 nm处的冠层光谱可以反映植株的水分胁迫状态。目前已找到可用于冠层水分测量的光谱敏感波段主要为460nm、560nm、610nm、680nm、710nm、720nm、760nm、800nm、900nm和970nm [7]。虽然冠层光谱反射率会受到土壤背景、大气环境和植被几何结构等影响，并且较单叶光谱反射率更复杂，但由于适合大面积快速监测，因而得以更广泛的应用[8]。

基于对冠层光谱监测的需要，美国公司CROPSCAN公司和ASD公司相继开发了MSR-16型多光谱仪和Fieldspec系列地物高光谱仪[9]。这两个光谱仪都可以用于获取植物的冠层反射光谱，但它们都是被动光源光谱仪，对日光照明条件有较高的要求，并且它们的测量视场角小、设备结构复杂、重量大、价值昂贵、操作难度大、需要专业的技术人员进行操作，所以很难在日常生产中得到应用推广[10]。然而在，利用冠层光谱进行水分监测的设备研究方面，我国仍处于实验室阶段，目前尚无性能稳定，功能完善的成熟产品[11]。本课题研究的作物冠层水分传感器由南京农业大学国家信息农业工程技术中心自主研发，较其他冠层水分监测设备，本课题研究的传感器在利用光谱特征监测作物冠层水分方面具有稳定性强、精确度高，方便易携，适合于田间操作等特性。

本研究通过实施不同水分处理的水稻田间试验，对作物冠层水分传感器的性能开展了一系列试验研究；并通过传感器测得的光谱植被指数与冠层含水率的相关性分析，构建基于该传感器的冠层含水率监测模型，为作物水分的精确管理提供技术支撑。

1  材料与方法

1.1  试验设计

本研究试验于2017年7-10月在江苏省如皋市国家信息农业工程技术研究中心试验示范基地进行。该试验在水泥池田块中进行，试验田块的土壤类型为黄黏土，耕层土壤中含有机质27.5g/kg-1、全氮1.89g/kg-1、碱解氮89.6mg/kg-1、速效磷36.5mg/kg-1、速效钾101.0mg/kg-1。本试验基于水分占土壤体积饱和含水量的百分比，对水稻设计了三个水分梯度的处理，即丰水处理（保持浅水层水位1-3cm）W1为对照，轻旱处理（水分控制下限为土壤体积饱和含水量的70%，上限为土壤表面水层1cm，达到下限时及时灌水，然后自然落干）W2，重旱处理（水分控制下限为土壤体积饱和含水量的40%，上限为土壤体积饱和含水量的70%，达到下限时及时补水，但不可超过上限水平）W3。每个处理设置3个重复，共9个小区；每个小区面积为12m2（4m×3m）。

试验小区于5月20日播种水稻，6月22日每穴移栽三株苗，株距和行距分别为15cm和30cm。各个处理的施氮量均为220kg·ha-1，且按照基肥：分蘖肥：促花肥：保花肥=4：2：2：2的比例分别施入。每个处理施磷肥(P2O5)135kg·ha-1，钾肥(K2O)220kg·ha-1，均做基肥一次性施用。水稻种植于试验基地水泥池内，水泥池上设有活动型防雨棚，下雨时开启防雨棚进行遮盖；水稻试验小区内的病虫害防治、杂草清理等栽培管理措施与当地常规水稻髙产田管理措施相同。