摘 要:氮肥對苧麻生長及產(chǎn)量品質(zhì)形成具有重要意義。傳統(tǒng)氮素檢測方法存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、時(shí)效性差等缺點(diǎn);高光譜遙感技術(shù)能有效監(jiān)測作物多項(xiàng)生理指標(biāo),從而幫助實(shí)時(shí)掌握作物的生長態(tài)勢和營養(yǎng)情況。本研究設(shè)置4個(gè)施氮水平,即N0(不施肥)、N1(純氮273kg/hm2)、N2(純氮332kg/hm2)、N3(純氮390kg/hm2,常規(guī)施用量),以及2個(gè)追肥時(shí)期,即封行期(a)和旺長期(b),利用光譜技術(shù)分析不同處理苧麻在冠層和葉片兩個(gè)尺度下的光譜特征差異,然后通過分析多尺度高光譜數(shù)據(jù)與苧麻葉片氮含量(LNC)的相關(guān)性,分別采用偏最小二乘回歸(PLSR)、支持向量機(jī)(SVM)和隨機(jī)森林(RF)三種機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建了關(guān)鍵生育時(shí)期(苗期、封行期、旺長期、成熟期)苧麻LNC估測模型,并進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明:多個(gè)生育時(shí)期冠層光譜模型的精度都優(yōu)于葉片光譜模型,基于冠層光譜波段構(gòu)建的苧麻LNC估測模型在成熟期精度最高(R2=0.795,RMSE=0.608),基于葉片光譜波段構(gòu)建的苧麻LNC估測模型在旺長期精度最高(R2=0.670,RMSE=0.470);采用RF算法構(gòu)建的LNC估測模型在多個(gè)生育時(shí)期中表現(xiàn)效果最佳,總體性能穩(wěn)定且精度較高。綜上,基于多尺度高光譜技術(shù)的苧麻葉片氮含量估測是可行的,尤其基于冠層尺度的估測更易操作,這為苧麻氮素反演提供了更優(yōu)的手段。
關(guān)鍵詞:苧麻;葉片氮含量;高光譜;多尺度
苧麻是蕁麻科苧麻屬多年生草本纖維植物[1]。我國擁有豐富的苧麻種質(zhì)資源,種植面積和原麻產(chǎn)量占世界的90%以上[2]。苧麻用途多樣,具有獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)[3-8]、藥用[9-10]、生態(tài)價(jià)值,發(fā)展前景廣闊。氮素是苧麻生長和產(chǎn)量品質(zhì)形成所必需的最重要的營養(yǎng)元素[11],快速準(zhǔn)確地獲取苧麻氮素營養(yǎng)狀況,有助于科學(xué)、高效地制定氮肥管理策略,提高氮肥利用效率及降低環(huán)境污染。傳統(tǒng)苧麻氮素營養(yǎng)診斷方法以大田調(diào)查取樣、實(shí)驗(yàn)室測量為主,這種方法耗費(fèi)大量人力、物力和時(shí)間,很難實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地獲取苧麻氮素狀況。隨著光譜技術(shù)的發(fā)展,高光譜遙感技術(shù)在作物葉綠素、葉面積指數(shù)以及氮磷鉀等各種生理生態(tài)參數(shù)的估測研究中廣泛應(yīng)用并取得不少成果。如白雪嬌[12]找出了不同生育期冠層葉片氮含量、葉綠素含量及葉面積指數(shù)回歸擬合效果最好的光譜變量,并構(gòu)建了估測模型。付虹雨等[13]基于無人機(jī)苧麻冠層RGB影像,通過數(shù)據(jù)融合和機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)了苧麻產(chǎn)量估測。岳云開等[14]利用無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)對苧麻葉綠素含量進(jìn)行監(jiān)測,最終篩選出成熟期的隨機(jī)森林(RF)模型用于苧麻葉綠素含量反演。王仁紅等[15]研究發(fā)現(xiàn)利用高光譜手段反演氮營養(yǎng)指數(shù)具有可行性。張?bào)憷俚?/font>[16]利用高光譜成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對油菜葉片氮含量快速監(jiān)測及氮素含量分布情況的可視化。Inoue等[17]利用400~900nm波段范圍的水稻冠層高光譜圖像構(gòu)建了葉片氮素營養(yǎng)回歸模型。梁亮等[18]利用一階微分光譜構(gòu)建歸一化氮指數(shù),并建立了偏最小二乘回歸(PLSR)及支持向量機(jī)(SVM)算法的冠層氮含量估測模型。姚霞等[19]利用不同算法的紅邊位置建立了小麥冠層氮素含量估算模型,并進(jìn)行了比較分析。薛利紅等[20]發(fā)現(xiàn)水稻冠層光譜反射率與葉片氮積累量呈顯著相關(guān),尤其是近紅外與綠光波段的比值(R810/R560)與葉片氮積累量(LNA)呈顯著線性關(guān)系,不受氮肥水平和生育時(shí)期的影響,回歸方程為LNA=0.859R810/R560-1.1596??梢?,利用該技術(shù),通過分析不同氮營養(yǎng)狀況作物的冠層光譜差異,構(gòu)建基于作物冠層光譜的氮素營養(yǎng)估測模型,能夠定量預(yù)測作物氮素含量。
為提高作物氮素營養(yǎng)估測精度,不少學(xué)者探索了不同尺度光譜源檢測作物氮素含量的潛力。楊天成[21]使用ASD(Analytical Spectral Devices)公司生產(chǎn)的FieldSpec3地物光譜儀獲取高光譜數(shù)據(jù)、無人機(jī)數(shù)據(jù)及模擬衛(wèi)星反射率數(shù)據(jù),在葉片和冠層兩種尺度上構(gòu)建了小麥鉀營養(yǎng)監(jiān)測的光譜模型。董淼[22]采用光譜分析與室內(nèi)葉綠素含量化學(xué)分析相結(jié)合的方法,分別在葉片和冠層尺度上對紅富士蘋果光譜反射率進(jìn)行分析,選取葉綠素含量光譜敏感波段進(jìn)行模型的構(gòu)建。Zhu等[23]使用葉片和冠層尺度的高光譜變量(H-變量)作為統(tǒng)計(jì)葉綠素含量(LCC)模型的輸入,通過Pearson相關(guān)過濾和遞歸特征消除程序確定了建模的最佳H-變量。李棟[24]利用連續(xù)小波分析方法,在葉片和冠層水平提取了葉綠素含量敏感的小波特征,并構(gòu)建了基于小波特征的多尺度葉綠素估測模型。田明璐[25]研究發(fā)現(xiàn)冬小麥葉片和冠層SPAD值估算模型中,使用敏感光譜參數(shù)為自變量的支持向量回歸(SVR)精度最高。丁雅[26]在葉片和冠層尺度上分析了不同時(shí)期棗原始光譜和一階光譜反射率的變化特征,將不同時(shí)期葉片、冠層光譜與營養(yǎng)元素進(jìn)行相關(guān)性分析,構(gòu)建了棗葉片、冠層營養(yǎng)元素含量的高光譜估測模型。羅丹[27]通過對小麥葉片全氮含量與對應(yīng)的冠層和葉片光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,確立了對氮素敏感的波段,并基于此建立估算葉片氮含量的模型,結(jié)果表明,基于徑向基函數(shù)(RBF)網(wǎng)絡(luò)在冠層和葉片尺度上構(gòu)建的模型具有較高決定系數(shù)和較低誤差,在檢驗(yàn)中R2均在0.9以上,RMSE均小于0.2,是估算葉片氮含量的最佳模型。以上研究表明,基于多尺度光譜數(shù)據(jù)利用高光譜技術(shù)估測作物葉片氮含量是可行的。
當(dāng)前還未有利用多尺度光譜估測苧麻葉片氮含量的研究報(bào)道,為此,本研究基于不同生育時(shí)期冠層和葉片兩個(gè)尺度的光譜數(shù)據(jù),通過分析光譜反射率與葉片全氮含量的相關(guān)性,利用PLSR、SVM、RF算法構(gòu)建不同尺度的苧麻葉片全氮含量高光譜估測模型,以期為實(shí)時(shí)監(jiān)測苧麻氮素營養(yǎng)狀況及植株長勢提供技術(shù)支持。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)于2022年4—11月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻試驗(yàn)基地進(jìn)行(28°10′51′′N,113°04′34′′E),供試苧麻品種為中苧2號。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)置4個(gè)施氮水平:N0(不施氮肥)、N1(純氮273kg/hm2)、N2(純氮332kg/hm2)、N3(常規(guī)施肥量,純氮390kg/hm2);另設(shè)有2個(gè)追肥時(shí)期,分別為封行期(a)和旺長期(b)。60%的氮肥基施,剩余40%的氮肥一次性追施。以N3水平封行期追肥作為CK,共7個(gè)處理(N0、N1-a、N1-b、N2-a、N2-b、CK、N3-b),每個(gè)處理重復(fù)3次,總共21個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。磷肥(P2O5150kg/hm2)和鉀肥(K2O300kg/hm2)均作為基肥一次性施入。
1.2 數(shù)據(jù)采集與處理
1.2.1 地面高光譜數(shù)據(jù)采集與處理
冠層高光譜數(shù)據(jù)利用FieldSpecHandHeld2便攜式地物光譜儀(ASD,美國)進(jìn)行采集,儀器波長范圍325~1075nm,光譜分辨率3nm@700nm,光譜采樣間隔1.5nm,視場角25°。葉片高光譜數(shù)據(jù)利用FieldSpec3(ASD,美國)地物光譜儀進(jìn)行采集,內(nèi)置石英鹵素?zé)簦庠捶€(wěn)定。
于兩季苧麻(頭麻、二麻)的關(guān)鍵生育時(shí)期(苗期、封行期、旺長期、成熟期)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,共進(jìn)行了8次采集任務(wù),均在晴朗無云少風(fēng)天的10—14時(shí)完成。冠層光譜數(shù)據(jù)采集時(shí),每小區(qū)測定前均用標(biāo)準(zhǔn)白板校正,然后每小區(qū)均勻選取2個(gè)采樣點(diǎn),使儀器光纖探頭距苧麻冠層上方70cm進(jìn)行測定,每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)測定3次,以平均值作為該小區(qū)的冠層光譜反射率數(shù)據(jù)。葉片光譜測定前同樣進(jìn)行白板校正,每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇4蔸(選蔸后定蔸),每蔸選擇2株測得其倒三葉4條光譜數(shù)據(jù),取平均值作為該葉片的最終光譜。
1.2.2 苧麻葉片全氮含量的測定
光譜測定完后,采集每個(gè)生育時(shí)期樣本點(diǎn)的苧麻倒三葉,裝入標(biāo)記好的信封中帶回實(shí)驗(yàn)室,放入烘箱104℃殺青30min后70~80℃烘干,稱重,然后采用凱氏定氮法測定苧麻葉片全氮含量(LNC):將葉片樣品磨碎后進(jìn)行消化,直至溶液變清澈透明為止,待消化液冷卻后,使用AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀測定消化液中全氮含量,計(jì)算出苧麻葉片全氮含量。
1.3模型構(gòu)建與評估
試驗(yàn)共獲得兩季苧麻608個(gè)樣本的LNC數(shù)據(jù),將每個(gè)生育時(shí)期的樣本(152個(gè))隨機(jī)按3∶1比例劃分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。采用ViewSpecPro6.2軟件對冠層和葉片光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,輸出原始光譜及一階導(dǎo)數(shù)光譜,然后利用MicrosoftExcel2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。用SPSSStatistics27軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),采用Pearson相關(guān)性分析求取苧麻LNC與光譜反射率的相關(guān)系數(shù),挑選出相關(guān)性最大的波段作為特征波段。將篩選的特征波段作為輸入變量構(gòu)建模型,分別采用PLSR、SVM和RF構(gòu)建苧麻LNC估測模型。使用決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)作為模型評價(jià)指標(biāo),R2值越大、相對應(yīng)的RMSE值越小,說明模型預(yù)測能力越好。
2結(jié)果與分析
2.1不同施氮水平對苧麻LNC的影響
圖1和圖2分別展示了2022年頭麻、二麻各生育時(shí)期LNC在不同施氮水平下的差異,可以看出,隨著生育時(shí)期的后移,不同處理苧麻LNC之間的差異加大,并且隨著施氮水平的提升,LNC表現(xiàn)出明顯的增大趨勢,表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0。N2水平下不同追肥時(shí)期對苧麻LNC的影響較大,大多生育時(shí)期表現(xiàn)出顯著差異??傮w來說,低氮水平下,封行期追肥的LNC值較高;高氮水平下,封行期追肥對生育早期的LNC貢獻(xiàn)較大,而生育晚期,旺長期追肥對LNC的積累貢獻(xiàn)更大。
柱上不同小寫字母表示同一生育時(shí)期不同處理間在0.05水平差異顯著,下同。
圖1 不同時(shí)期、不同施氮水平頭麻葉片氮含量變化
圖2 不同時(shí)期、不同施氮水平二麻葉片氮含量變化
2.2 基于冠層光譜的苧麻LNC估測
2.2.1 冠層光譜波段篩選
采用Pearson相關(guān)性分析方法探究不同生育時(shí)期苧麻LNC與冠層一階導(dǎo)數(shù)光譜之間的相關(guān)關(guān)系,從而篩選出可用于LNC估測的波段。結(jié)果(圖3)顯示,苧麻LNC與一階導(dǎo)數(shù)光譜在多個(gè)生育時(shí)期都存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01,下同)相關(guān)關(guān)系,其中,苗期在414~420、456~460、545~551nm波段呈極顯著正相關(guān),其余波段不顯著;封行期在896~921nm波段呈極顯著正相關(guān),在972~1074nm波段呈極顯著負(fù)相關(guān);旺長期在329、998nm呈顯著相關(guān),在1020~1044nm波段呈極顯著正相關(guān);成熟期在445~457、852~868nm波段呈極顯著正相關(guān),在904~915nm波段呈極顯著負(fù)相關(guān)??梢?,封行期LNC與苧麻冠層一階導(dǎo)數(shù)光譜之間的相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)(P<0.01),其次為成熟期、旺長期、苗期。
在上述分析的基礎(chǔ)上,選取各生育時(shí)期與LNC極顯著相關(guān)的特征波長,用于構(gòu)建苧麻LNC估測模型。苧麻冠層一階導(dǎo)數(shù)光譜在苗期414~420、456~460、545~551nm波段存在一定差異,因此選取該波段范圍內(nèi)的3個(gè)拐點(diǎn)(414、459、550nm)作為特征波長,其中414nm特征波長與苧麻LNC相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為0.536;封行期篩選出的特征波長為913、996、1029、1070nm,其中996nm波長與苧麻LNC相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為-0.592;旺長期篩選出的特征波長為329、998、1021、1044nm,其中1044nm波長與苧麻LNC相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為-0.552。成熟期特征篩選的波長為413nm、456nm、866nm、908nm,其中908nm波長與苧麻LNC相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為-0.580。
圖3 不同生育時(shí)期苧麻LNC與冠層一階光譜之間的相關(guān)關(guān)系
2.2.2 基于冠層光譜的苧麻LNC估測模型構(gòu)建及驗(yàn)證
將篩選的苗期特征波長(414、459、550nm)、封行期特征波長(913、996、1029、1070nm)、旺長期特征波長(329、998、1021、1044nm)、成熟期特征波長(413、456、866、908nm)作為輸入變量,構(gòu)建基于一階導(dǎo)數(shù)光譜特征LNC的估測模型。表1為不同生育時(shí)期苧麻LNC估測模型精度評價(jià)結(jié)果,可以看出,在苗期PLSR建模效果最好,估測模型精度最高(R2=0.506,RMSE=0.695);在封行期,RF的LNC估測模型精度最高(R2=0.694,RMSE=0.440);同樣在旺長期,RF的LNC估測模型精度最好(R2=0.676,RMSE=0.382);在成熟期,RF的LNC估測模型精度優(yōu)于SVM、PLSR,其中RF的LNC估測模型(R2=0.795,RMSE=0.608),PLSR的LNC估測模型(R2=0.617,RMSE=0.624),SVM的LNC估測模型(R2=0.778,RMSE=0.503)。通過比較發(fā)現(xiàn),3種機(jī)器學(xué)習(xí)模型估測LNC的精度存在差異,雖然苗期以PLSR的LNC估測模型建模效果最優(yōu),但RF模型的也較優(yōu),而且封行期、旺長期和成熟期均以RF的LNC估測模型精度最高,因此,綜合來看,以RF構(gòu)建的LNC估測模型在苧麻4個(gè)生育時(shí)期的表現(xiàn)最佳。
表1 基于冠層光譜的不同生育時(shí)期苧麻LNC估測模型
2.3 基于葉片光譜的苧麻LNC估測
2.3.1 葉片光譜波段篩選
采用Pearson相關(guān)性分析方法探究不同生育時(shí)期苧麻LNC與葉片一階導(dǎo)數(shù)光譜之間的相關(guān)關(guān)系,從而篩選出可用于LNC估測的波段。結(jié)果(圖4)顯示,苧麻LNC與葉片一階導(dǎo)數(shù)光譜在多個(gè)生育時(shí)期都存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。其中,苗期在2036~2087nm波段范圍內(nèi)呈極顯著正相關(guān),其余波段不顯著;封行期苧麻LNC與葉片一階導(dǎo)數(shù)光譜在480~490nm波段范圍內(nèi)呈極顯著負(fù)相關(guān),在970~996、2067~2093nm波段范圍內(nèi)呈極顯著正相關(guān);旺長期在全波段范圍內(nèi)均較低,在1012nm處相對較高;成熟期在1435~1458nm波段范圍內(nèi)呈極顯著正相關(guān),在2285~2293nm波段范圍內(nèi)呈極顯著負(fù)相關(guān)。
基于上述分析,選取相關(guān)系數(shù)曲線中達(dá)到極顯著相關(guān)水平的波長作為特征波長,用于構(gòu)建葉片尺度的苧麻LNC估測模型:苗期選取2036~2087nm波段范圍內(nèi)的3個(gè)拐點(diǎn)(2061、2073、2077nm)作為特征波長,其中位于近紅外波段范圍內(nèi)的2061nm波長與LNC相關(guān)系數(shù)最高,達(dá)0.684;封行期篩選的特征波長為488、981、2084nm,其中488nm波長與苧麻LNC相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為-0.501;旺長期篩選的特征波長為354、399、427、1012nm,其中1012nm波長與苧麻LNC相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為0.401;成熟期篩選的特征波長為1449、1683、2292、2313nm,其中2292nm波長與苧麻LNC相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為-0.564。
圖4 不同生育時(shí)期苧麻LNC與葉片一階光譜之間的相關(guān)關(guān)系
2.3.2 基于葉片光譜波段的苧麻LNC模型構(gòu)建及驗(yàn)證
將篩選的苗期特征波長(414、459、550nm)、封行期特征波段(913、996、1029、1070nm)、封行期特征波段(329、998、1021、1044nm)、成熟期特征波段(413、456、866、908nm)作為輸入變量,構(gòu)建基于一階導(dǎo)數(shù)光譜特征的LNC估測模型。由表2可知,基于葉片特征光譜的苧麻LNC估測模型估測精度較高。在苗期,RF建模效果最好,模型精度最高,驗(yàn)證集的R2為0.622,RMSE為0.356;在封行期,也是RF的LNC估測模型精度最高,驗(yàn)證集的R2為0.656,RMSE為0.437;在旺長期,PLSR的LNC估測模型精度最好,驗(yàn)證集的R2和RMSE分別為0.670和0.470;在成熟期,RF的LNC估測模型精度優(yōu)于SVM、PLSR,驗(yàn)證集R2為0.606,RMSE為0.409。綜合來看,基于RF構(gòu)建的LNC估測模型在4個(gè)生育時(shí)期中表現(xiàn)較優(yōu)。
表2 基于葉片光譜的不同生育時(shí)期苧麻LNC估測模型
3 討論與結(jié)論
嚴(yán)文淦等[28]對高產(chǎn)田每季纖用苧麻出苗-齊苗、齊苗-封行、封行-黑腳、黑腳-成熟四個(gè)營養(yǎng)生長階段的養(yǎng)分含量及吸收量進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)田三季麻各營養(yǎng)階段植株體內(nèi)養(yǎng)分含量和吸收量均不相同,表現(xiàn)為前期養(yǎng)分含量高,之后逐漸下降,但吸收量則以中、后期較高,吸氮高峰一般出現(xiàn)在封行黑腳期,此時(shí)期各季麻吸氮量達(dá)到總吸收量的26.9%~42.4%。本研究中不同施氮水平下苧麻LNC隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加再降低趨勢,并在旺長期達(dá)到頂峰,隨后成熟期下降,說明麻株吸氮高峰出現(xiàn)在封行-旺長期,與前人研究結(jié)果一致。不同施氮水平間比較,頭麻、二麻苗期和旺長期的LNC均在N3-b處理下最大,封行期和成熟期均在CK處理(N3-a)下最大。
LNC是評估苧麻植株氮狀態(tài)的重要指標(biāo),通過精準(zhǔn)、無損、高效、及時(shí)獲取田間苧麻LNC信息,既能有效合理地為苧麻生長提供肥料,又能最大限度地減少對周圍環(huán)境損害,實(shí)現(xiàn)苧麻產(chǎn)量和肥料利用效率最大化。利用高光譜傳感器獲取的高頻光譜信息被認(rèn)為是評估作物氮素營養(yǎng)狀況的定量指標(biāo),通過構(gòu)建敏感波段或植被指數(shù)與特定作物參數(shù)之間的反演模型使快速檢索作物參數(shù)成為可能[29]。
本研究采用Pearson相關(guān)性分析篩選與LNC顯著相關(guān)的特征波段,選用PLSR、SVM、RF3種機(jī)器學(xué)習(xí)算法,從葉片、冠層兩個(gè)尺度探討了利用光譜數(shù)據(jù)估測苧麻LNC的可行性及準(zhǔn)確性。通過比較所建模型在苧麻不同生育時(shí)期的表現(xiàn)發(fā)現(xiàn),在基于冠層光譜波段構(gòu)建的苧麻LNC估測模型中,除苗期為PLSR建模效果最好(驗(yàn)證集R2為0.506,RMSE為0.695),封行期、旺長期、成熟期均為RF建模精度最高,驗(yàn)證集R2分別為0.694、0.676、0.795,RMSE分別為0.440、0.382、0.608;在基于葉片光譜波段構(gòu)建的苧麻LNC估測模型中,苗期、封行期、成熟期均以RF建立的模型估測精度最高,驗(yàn)證集R2分別為0.622、0.656、0.606,RMSE分別為0.356、0.437、0.409,而旺長期是PLSR建模效果最好,驗(yàn)證集R2和RMSE分別為0.670和0.470。綜合來看,RF模型在苧麻多個(gè)生育時(shí)期兩個(gè)尺度的LNC估測中表現(xiàn)穩(wěn)定且精度較優(yōu),這也與顧晨等[30]的研究結(jié)論相一致。
另外,兩個(gè)尺度間比較,基于冠層光譜波段構(gòu)建的苧麻LNC估測模型在成熟期精度最高(R2=0.795,RMSE=0.608),基于葉片光譜波段構(gòu)建的苧麻LNC估測模型在旺長期精度最高(R2=0.670,RMSE=0.470),但冠層尺度的光譜測定更便利,在苧麻LNC估測方面具有優(yōu)勢。
綜上,基于冠層光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建的RF模型更適用于苧麻LNC的估測,可推廣性較高。但本研究只是基于田間試驗(yàn)開展苧麻冠層和葉片尺度的氮素營養(yǎng)診斷研究,單一平臺獲取的作物信息較為有限,在光譜分辨率、時(shí)間分辨率和空間分辨率等方面很難全面兼顧,應(yīng)用性還需進(jìn)一步考證,今后可以利用無人機(jī)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對研究結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)
[1] 李宗道.麻作的理論與技術(shù)[M]. 上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1980.
[2] 成雄偉. 我國苧麻紡織工業(yè)歷史現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 中國麻業(yè)科學(xué),2007(增刊):77-85.
[3] Lin C C,Yen M H,Lo T S,et al. The antiinflammatory and liver protective effects of Boehmeria nivea and B. nivea subsp. nippononivea in rats[J]. Phytomedicine,1997,4(4):301-308.
[4] Lin C C,Yen M H,Lo T S,et al. Evaluation of the hepatoprotective and antioxidant activity of Boehmeria nivea var. nivea and B. nivea var. tenacissima[J]. Journal of Ethnopharmacology,1998, 60(1):9-17.
[5] Huang K L,Lai Y K,Lin C C,et al. Inhibition of hepatitis B virus production by Boehmeria nivea root extract in HepG2 2. 2. 15 cells[J]. World Journal of Gastroenterology,2006,12(35):5721-5725.
[6] Jin C H, Maekawa M. Evaluating an enzyme treatment of ramie fabrics[J]. Textile Research Journal, 2001, 71(9): 779-782.
[7] de Toledo G S P,da Silva L P,de Quadros A R B,et al. Productive performance of rabbits fed with diets containing ramie (Boehmeria nivea) hay in substitution to alfalfa (Medicago sativa) hay[C]//9th World Rabbit Congress, June 10-13, 2008, Verona, Italy. 2008:827-830.
[8] Li E K,Zhao J B,Liu L,et al. Digestible energy and metabolizable energy contents of konjac flour residues and ramie in growing pigs[J]. Animal Nutrition,2018,4(2):228-233.
[9] 陳保鋒,陳建華,母波,等. 苧麻藥用研究進(jìn)展[J]. 中國麻業(yè)科學(xué),2016,38(5):237-241.
[10]Wang Q,Muzammal R,Peng D X,et al. Antioxidant capacity and α-glucosidase inhibitory activity of leaf extracts from ten ramie cultivars[J]. Industrial Crops and Products,2018,122:430-437.
[11]張澤,馬露露,洪帥,等. 滴灌棉田植株氮營養(yǎng)指數(shù)的高光譜診斷研究[J].棉花學(xué)報(bào),2020,32(5):392-403.
[12]白雪嬌. 冬小麥氮素營養(yǎng)及其冠層生物理化參量高光譜遙感監(jiān)測[D]. 楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2013.
[13]付虹雨,王薇,岳云開,等. 基于數(shù)據(jù)融合和機(jī)器學(xué)習(xí)的多年生苧麻產(chǎn)量估測[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2023,55(10):158-166.
[14]岳云開,陳建福,趙亮,等. 基于無人機(jī)多光譜遙感的苧麻葉綠素含量反演[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué),2023,55(7):152-158.
[15]王仁紅,宋曉宇,李振海,等. 基于高光譜的冬小麥氮素營養(yǎng)指數(shù)估測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(19):191-198.
[16]張?bào)憷?,劉飛,聶鵬程,等. 高光譜成像技術(shù)的油菜葉片氮含量及分布快速檢測[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2014,34(9):2513-2518.
[17]Inoue Y,Penuelas J. An AOTF-based hyperspectral imaging system for field use in eco-physiological and agricultural applications[J]. International Journal of Remote Sensing,2001,22(18):3883-3888.
[18]梁亮,楊敏華,鄧凱東,等. 一種估測小麥冠層氮含量的新高光譜指數(shù)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(21):6594-6605.
[19]姚霞,田永超,劉小軍,等. 不同算法紅邊位置監(jiān)測小麥冠層氮素營養(yǎng)指標(biāo)的比較[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,43(13):2661-2667.
[20]薛利紅,曹衛(wèi)星,羅衛(wèi)紅,等. 基于冠層反射光譜的水稻群體葉片氮素狀況監(jiān)測[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2003,36(7):807-812.
[21]楊天成. 基于葉片和冠層光譜的小麥鉀素營養(yǎng)監(jiān)測研究[D]. 南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2020.
[22]董淼. 蘋果葉片和冠層葉綠素含量高光譜估算模型[D]. 烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2018.
[23]Zhu W X,Sun Z G,Yang T,et al. Estimating leaf chlorophyll content of crops via optimal unmanned aerial vehicle hyperspectral data at multi-scales[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2020,178: 105786.
[24]李棟. 基于連續(xù)小波分析的小麥生長指標(biāo)光譜監(jiān)測研究[D]. 南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.
[25]田明璐. 西北地區(qū)冬小麥生長狀況高光譜遙感監(jiān)測研究[D]. 楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2017.
[26]丁雅. 棗葉片和冠層營養(yǎng)元素含量高光譜估測模型[D]. 烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2018.
[27]羅丹. 基于高光譜遙感的冬小麥氮素營養(yǎng)指標(biāo)監(jiān)測研究[D]. 楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2017.
[28]嚴(yán)文淦,王敏裳,等. 高產(chǎn)苧麻吸肥規(guī)律與土壤營養(yǎng)條件的研究[J]. 土壤肥料,1983 (5):24-26.
[29]黃亮平. 高光譜遙感在農(nóng)作物生長監(jiān)測的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技,2019,30(5):42-44.
[30]顧晨. 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的小麥 SPAD 值與水稻產(chǎn)量測報(bào)方法研究[D]. 揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué),2023.
文章摘自:陳建福,岳云開,付虹雨,等.基于多尺度高光譜技術(shù)的苧麻葉片氮含量估測[J/OL].山東農(nóng)業(yè)科學(xué),1-11[2025-02-10].
