基于多源光谱信息的棉花水、氮监测模型研究-莱森光学

引言

棉花是一种重要的经济作物，目前，水肥对棉花生长非常重要，如何快速监测棉花的水肥状况，对于指导农业生产管理工作者调节灌溉量及灌溉周期、调节施肥量、精准化控、精准脱叶都有着重要的意义。而无人机遥感具有快速、无损等优点，因此，本研究以不同水、氮水平处理的棉花为研究对象，借助无人机光谱遥感与地面高光谱遥感综合建模，提出多种应用于多光谱图像的水、氮监测模型并对其精度进行评价。

本研究通过获取无人机光谱影像和冠层高光谱数据，建立光谱反射率与棉花冠层叶片等效水厚度与含氮量的反演模型。为监测棉花生长过程中冠层叶片等效水厚度与含氮量提供了一定的技术支撑。

材料与方法

2.1 试验区概况

试验于2019年5月-10月，在新疆维吾尔自治区昌吉市佃坝镇国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心试验田(E 87°18′21″，N 44°7′17″)开展。试验田地处西北内陆，具备明显温带大陆性气候的特征，昼夜温差大，年日照时间高达2500～3500小时，年均降水量仅150毫米左右，气候较为干燥。

图 2.1 试验地概况

2.2 试验设计

本研究以新疆农业科学院经济作物研究所培育的‘新陆早 57 号’为研究材料，生育期122d左右，属高抗枯萎病、轻感黄萎病类型。4月23日播种，播种模式为一膜四行，种植密度约为21万株/ha2。试验设计：单因素水、氮试验。每个试验小区的面积不等，在1500～2500m2左右。试验设置5个氮素处理与5个水分处理以及一个空白对照组，各水分处理在各生育期的总灌溉量分别为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)，各氮素处理在整个生育期的纯氮施用总量分别为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)。具体处理分布如图 2.2。

图 2.2 棉花水、氮试验区不同处理布置图

3、棉花冠层叶片等效水厚度的反演

3.1 水分处理对棉花叶片等效水厚度的影响

为了探究不同水分、相同氮肥水平对不同生育时期棉花冠层叶片等效水厚度的影响，各水分处理下不同时期棉花冠层叶片等效水厚度变化趋势如图3.1所示。图3.1中可以看出，随着生育期的推迟，棉花叶片等效水厚度呈现先减后增再减的趋势，经过不同灌溉水平处理下的棉花冠层叶片等效水厚度的差异满足本研究遥感监测试验对等效水厚度差异的需求。在第一次差异化灌溉后所有小区测量样本的冠层叶片等效水厚度已经出现了较小的差异，两次灌溉后，棉花逐渐从蕾期进入初花期，冠层叶片等效水厚度在7月10日的采集样本中达到了最低点，其主要原因是实验所在地7月气温较高，空气湿度低，棉花叶片表面蒸腾作用比较强烈，导致叶片冠层等效水厚度较低。棉花在花铃期需水量远高于其他时期，本试验在花铃期共进行了6次灌溉以保证棉花生理需求，所以叶片等效水厚度在花铃期有所回升，直至吐絮期开始下降。

图 3.1 不同水分处理下棉花叶片等效水厚度随时间的变化

3.2 基于高光谱数据下棉花叶片等效水厚度的反演

在不同灌溉水平处理的基础下，对采集的不同生育时期冠层叶片高光谱数据与叶片等效水厚度进行简单相关性的分析，如图3.2所示，皮尔逊相关系数和决定系数R2在简单的线性拟合下，在红光和近红外两处决定系数R2具有峰值，表明这两个波段与冠层叶片等效水厚度具有相对较好的相关性。

图 3.2 棉花叶片等效水厚度与冠层高光谱反射率的相关性

对于叶片等效水厚度的建模，使用全波段（325nm-1075nm）的高光谱数据建模和使用所选的4个波段建模对模型精度没有太大的影响，特别是模型精度较高的高斯过程回归模型，所选的4个波段建模精度相比全波段模型的精度而言更高。

表 3.1 高光谱不同建模方法效果

如图3.3所示，不同模型反演出的棉田冠层叶片等效水厚度有所不同。图中色彩为反演所得的叶片等效水厚度的值，具体值对应图例而视。

图 3.3 基于高光谱数据建模的不同时期棉花冠层叶片等效水厚度反演

4、棉花冠层叶片含氮量的反演

4.1 不同氮素处理下棉花叶片含氮量变化

由图4.1中可以看出，施氮量充足的三个处理在盛花期之前处于上升的趋势，盛花期之后开始下降。而施氮量不足的三个处理自蕾期之后叶片含氮量始终在下降。棉花冠层叶片含氮量与施氮量具有很高的相关性。在第一次差异化施氮后所有小区测量样本的冠层叶片含氮量已经出现了较小的差异，两次灌溉后，棉花逐渐从蕾期进入初花期，N1.5、N1和CK三个处理的冠层叶片含氮量有所上 升，随后与其他三个处理一同下降。N0处理冠层叶片含氮量在同时期一直处于较低的水平。

图 4.1 不同施氮量处理下棉花叶片含氮量随时间的变化

4.2 基于高光谱数据下棉花叶片含氮量的反演

在不同施氮量水平处理的基础下，对采集的不同生育时期冠层叶片高光谱数据与叶片含氮量进行简单相关性的分析，如图4.2所示，皮尔逊相关系数和决定系数R2在简单的线性拟合下，在绿光和红边两个波段出具有峰值，表明这两个波段与冠层叶片含氮量具有较好的相关性。

图 4.2 棉花叶片含氮量与冠层高光谱反射率的相关性

5、结论

本文以新疆昌吉地区新陆早57号棉花为研究对象，在昌吉市佃坝镇国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心试验田开展。通过搭建小区水肥控制系统，对棉田进行长期水、氮控制，并同期采集无人机光谱影像、冠层高光谱数据、 棉花叶片样本并测定等效水和含氮量。本文的研究结果可为新疆地区棉花各生育期等效水含量、含氮量的估测提高数据支撑和研究基础。本研究的主要结论如下：

（1）从全生育期而言，研究对象冠层叶片等效水厚度与高光谱在红光和近红外两处具有较好的相关性。通过简单的一元线性回归得出全生育期棉花冠层叶片等效水厚度与高光谱反射率的皮尔逊系数和决定系数均在红光和近红外出现两处峰值，这表明这两个波段在全生育期均对冠层叶片等效水厚度敏感。（2）无氮素处理和缺氮素处理的棉花在全生育期叶片含氮量始终呈现下降的趋势，氮饱和及氮过量的处理棉花冠层叶片含氮量在初花期有所上升，随后基本持续下降。绿光和红边两个波段与全生育期棉花冠层叶片含氮量具体 相对较好的相关性。在简单的一元线性回归得出全生育期棉花冠层叶片含氮 量与高光谱反射率的皮尔逊系数和决定系数在绿光和红边两处具有明显的峰值。

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审核编辑黄宇