基于多源光譜信息的棉花水、氮監(jiān)測模型研究-萊森光學(xué)

引言

棉花是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，目前，水肥對棉花生長非常重要，如何快速監(jiān)測棉花的水肥狀況，對于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理工作者調(diào)節(jié)灌溉量及灌溉周期、調(diào)節(jié)施肥量、精準(zhǔn)化控、精準(zhǔn)脫葉都有著重要的意義。而無人機(jī)遙感具有快速、無損等優(yōu)點，因此，本研究以不同水、氮水平處理的棉花為研究對象，借助無人機(jī)光譜遙感與地面高光譜遙感綜合建模，提出多種應(yīng)用于多光譜圖像的水、氮監(jiān)測模型并對其精度進(jìn)行評價。

本研究通過獲取無人機(jī)光譜影像和冠層高光譜數(shù)據(jù)，建立光譜反射率與棉花冠層葉片等效水厚度與含氮量的反演模型。為監(jiān)測棉花生長過程中冠層葉片等效水厚度與含氮量提供了一定的技術(shù)支撐。

材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年5月-10月，在新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市佃壩鎮(zhèn)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心試驗田(E 87°18′21″，N 44°7′17″)開展。試驗田地處西北內(nèi)陸，具備明顯溫帶大陸性氣候的特征，晝夜溫差大，年日照時間高達(dá)2500～3500小時，年均降水量僅150毫米左右，氣候較為干燥。

圖 2.1 試驗地概況

2.2 試驗設(shè)計

本研究以新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所培育的‘新陸早 57 號’為研究材料，生育期122d左右，屬高抗枯萎病、輕感黃萎病類型。4月23日播種，播種模式為一膜四行，種植密度約為21萬株/ha2。試驗設(shè)計：單因素水、氮試驗。每個試驗小區(qū)的面積不等，在1500～2500m2左右。試驗設(shè)置5個氮素處理與5個水分處理以及一個空白對照組，各水分處理在各生育期的總灌溉量分別為5500m3/ha2(CK)、1400m3/ha2(0.25x W)、2900m3/ha2(0.5x W)、4300m3/ha2(0.75x W)、5500m3/ha2(1x W)、6800m3/ha2(1.5x W)，各氮素處理在整個生育期的純氮施用總量分別為140kg/ha2(CK)、0kg/ha2（0x N）、35 kg/ha2(0.25x N)、70kg/ha2(0.5x N)、 140 kg/ha2(1x N)、210kg/ha2(1.5x N)。具體處理分布如圖 2.2。

圖 2.2 棉花水、氮試驗區(qū)不同處理布置圖

3、棉花冠層葉片等效水厚度的反演

3.1 水分處理對棉花葉片等效水厚度的影響

為了探究不同水分、相同氮肥水平對不同生育時期棉花冠層葉片等效水厚度的影響，各水分處理下不同時期棉花冠層葉片等效水厚度變化趨勢如圖3.1所示。圖3.1中可以看出，隨著生育期的推遲，棉花葉片等效水厚度呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢，經(jīng)過不同灌溉水平處理下的棉花冠層葉片等效水厚度的差異滿足本研究遙感監(jiān)測試驗對等效水厚度差異的需求。在第一次差異化灌溉后所有小區(qū)測量樣本的冠層葉片等效水厚度已經(jīng)出現(xiàn)了較小的差異，兩次灌溉后，棉花逐漸從蕾期進(jìn)入初花期，冠層葉片等效水厚度在7月10日的采集樣本中達(dá)到了最低點，其主要原因是實驗所在地7月氣溫較高，空氣濕度低，棉花葉片表面蒸騰作用比較強(qiáng)烈，導(dǎo)致葉片冠層等效水厚度較低。棉花在花鈴期需水量遠(yuǎn)高于其他時期，本試驗在花鈴期共進(jìn)行了6次灌溉以保證棉花生理需求，所以葉片等效水厚度在花鈴期有所回升，直至吐絮期開始下降。

圖 3.1 不同水分處理下棉花葉片等效水厚度隨時間的變化

3.2 基于高光譜數(shù)據(jù)下棉花葉片等效水厚度的反演

在不同灌溉水平處理的基礎(chǔ)下，對采集的不同生育時期冠層葉片高光譜數(shù)據(jù)與葉片等效水厚度進(jìn)行簡單相關(guān)性的分析，如圖3.2所示，皮爾遜相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)R2在簡單的線性擬合下，在紅光和近紅外兩處決定系數(shù)R2具有峰值，表明這兩個波段與冠層葉片等效水厚度具有相對較好的相關(guān)性。

圖 3.2 棉花葉片等效水厚度與冠層高光譜反射率的相關(guān)性

對于葉片等效水厚度的建模，使用全波段（325nm-1075nm）的高光譜數(shù)據(jù)建模和使用所選的4個波段建模對模型精度沒有太大的影響，特別是模型精度較高的高斯過程回歸模型，所選的4個波段建模精度相比全波段模型的精度而言更高。

表 3.1 高光譜不同建模方法效果

如圖3.3所示，不同模型反演出的棉田冠層葉片等效水厚度有所不同。圖中色彩為反演所得的葉片等效水厚度的值，具體值對應(yīng)圖例而視。

圖 3.3 基于高光譜數(shù)據(jù)建模的不同時期棉花冠層葉片等效水厚度反演

4、棉花冠層葉片含氮量的反演

4.1 不同氮素處理下棉花葉片含氮量變化

由圖4.1中可以看出，施氮量充足的三個處理在盛花期之前處于上升的趨勢，盛花期之后開始下降。而施氮量不足的三個處理自蕾期之后葉片含氮量始終在下降。棉花冠層葉片含氮量與施氮量具有很高的相關(guān)性。在第一次差異化施氮后所有小區(qū)測量樣本的冠層葉片含氮量已經(jīng)出現(xiàn)了較小的差異，兩次灌溉后，棉花逐漸從蕾期進(jìn)入初花期，N1.5、N1和CK三個處理的冠層葉片含氮量有所上 升，隨后與其他三個處理一同下降。N0處理冠層葉片含氮量在同時期一直處于較低的水平。

圖 4.1 不同施氮量處理下棉花葉片含氮量隨時間的變化

4.2 基于高光譜數(shù)據(jù)下棉花葉片含氮量的反演

在不同施氮量水平處理的基礎(chǔ)下，對采集的不同生育時期冠層葉片高光譜數(shù)據(jù)與葉片含氮量進(jìn)行簡單相關(guān)性的分析，如圖4.2所示，皮爾遜相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)R2在簡單的線性擬合下，在綠光和紅邊兩個波段出具有峰值，表明這兩個波段與冠層葉片含氮量具有較好的相關(guān)性。

圖 4.2 棉花葉片含氮量與冠層高光譜反射率的相關(guān)性

5、結(jié)論

本文以新疆昌吉地區(qū)新陸早57號棉花為研究對象，在昌吉市佃壩鎮(zhèn)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心試驗田開展。通過搭建小區(qū)水肥控制系統(tǒng)，對棉田進(jìn)行長期水、氮控制，并同期采集無人機(jī)光譜影像、冠層高光譜數(shù)據(jù)、 棉花葉片樣本并測定等效水和含氮量。本文的研究結(jié)果可為新疆地區(qū)棉花各生育期等效水含量、含氮量的估測提高數(shù)據(jù)支撐和研究基礎(chǔ)。本研究的主要結(jié)論如下：

（1）從全生育期而言，研究對象冠層葉片等效水厚度與高光譜在紅光和近紅外兩處具有較好的相關(guān)性。通過簡單的一元線性回歸得出全生育期棉花冠層葉片等效水厚度與高光譜反射率的皮爾遜系數(shù)和決定系數(shù)均在紅光和近紅外出現(xiàn)兩處峰值，這表明這兩個波段在全生育期均對冠層葉片等效水厚度敏感。（2）無氮素處理和缺氮素處理的棉花在全生育期葉片含氮量始終呈現(xiàn)下降的趨勢，氮飽和及氮過量的處理棉花冠層葉片含氮量在初花期有所上升，隨后基本持續(xù)下降。綠光和紅邊兩個波段與全生育期棉花冠層葉片含氮量具體 相對較好的相關(guān)性。在簡單的一元線性回歸得出全生育期棉花冠層葉片含氮 量與高光譜反射率的皮爾遜系數(shù)和決定系數(shù)在綠光和紅邊兩處具有明顯的峰值。

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審核編輯黃宇