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在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程中,如何更加精準(zhǔn)和高效地管理農(nóng)作物,以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、提質(zhì)和降耗,成為了一個(gè)重要的課題。高光譜成像技術(shù)憑借其優(yōu)勢(shì),正在為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供新的解決方案。本篇我們將探討高光譜技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的幾種主要應(yīng)用,揭示其在推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)革新與提升效率方面的作用。
高光譜成像的優(yōu)勢(shì)
• 無(wú)損檢測(cè)
• 高效獲取大面積農(nóng)田的光譜數(shù)據(jù)
• 降低人工成本,實(shí)現(xiàn)智能化管理
高光譜成像線掃描示意圖,不僅能捕捉到農(nóng)作物的圖像,還能獲取其在數(shù)百個(gè)極窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜信息(圖源網(wǎng)絡(luò))
典型濕地植物葉片的光譜曲線
高光譜成像在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
1. 作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)
養(yǎng)分管理:高光譜成像技術(shù)能夠有效監(jiān)測(cè)農(nóng)作物對(duì)氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。當(dāng)作物缺乏某種營(yíng)養(yǎng)元素時(shí),其葉片的光譜反射率會(huì)發(fā)生變化。例如,缺氮的作物葉綠素含量降低,導(dǎo)致可見(jiàn)光波段的反射率上升,而近紅外波段的反射率則下降。通過(guò)分析高光譜數(shù)據(jù),種植者可以準(zhǔn)確評(píng)估作物的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),從而優(yōu)化施肥策略。
干旱脅迫監(jiān)測(cè):干旱是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。高光譜成像可以通過(guò)監(jiān)測(cè)植物葉片在特定波段的反射率變化來(lái)判斷干旱脅迫的程度。例如,在干旱條件下,植物葉片的水分含量減少,導(dǎo)致近紅外和中紅外波段的反射率發(fā)生變化。
大麥在干旱脅迫下的時(shí)空動(dòng)態(tài),可以通過(guò)假彩色圖像進(jìn)行可視化。干旱脅迫植物的圖像只記錄到第10天,也就是僅在肉眼可見(jiàn)的干旱脅迫出現(xiàn)之前,進(jìn)行對(duì)植物狀態(tài)的觀察。圖像中,綠色區(qū)域表示植物健康的概率較高,而深紅色區(qū)域則表示與干旱脅迫相關(guān)的概率較高。
葉綠素監(jiān)測(cè):葉綠素是植物光合作用的關(guān)鍵成分,主要吸收可見(jiàn)光譜中的輻射能量,尤其是在藍(lán)光和紅光區(qū)域。農(nóng)作物的“紅邊"特性與葉綠素含量密切相關(guān),葉綠素濃度越高,紅光區(qū)域的吸收效果越好,表明植物光合作用的效率更高。結(jié)合高光譜遙感技術(shù)與人工智能方法,可以有效監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的葉綠素含量,實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的分析。
2. 產(chǎn)量預(yù)估
通過(guò)分析作物在特定生長(zhǎng)階段的高光譜光譜特征,結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)、土壤信息等,可以建立產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型。Li, K.-Y等人使用高光譜成像儀,提取窄波段植被指數(shù),評(píng)估春小麥、豌豆和燕麥混合種植的谷物產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量。Feng, H等人研究使用地物光譜數(shù)據(jù)(350~2500nm)和無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)(450~950nm)估算冬小麥產(chǎn)量。
平均輻射度,來(lái)自春小麥(SW)、豌豆和燕麥混合物(P+O)的高光譜數(shù)據(jù),按照A.土壤耕作法(STM)和B.耕作法(CM)農(nóng)業(yè)作分組,其中包含子集。
3. 病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)
被昆蟲(chóng)啃食的植物,葉綠素下降,葉面積、葉片機(jī)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化;而感染真菌病害的植物葉片,其細(xì)胞結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞,葉綠素會(huì)分解。這些都會(huì)導(dǎo)致葉片在可見(jiàn)光波段的反射率升高,近紅外波段的反射率也會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)定期監(jiān)測(cè)農(nóng)田的光譜,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲(chóng)害,采取防治措施。
結(jié)語(yǔ)
隨著高光譜成像技術(shù)的不斷發(fā)展,我們期待其在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用,助力實(shí)現(xiàn)更高效的作物監(jiān)測(cè)和管理。
參考論文:
1. M. Rossini , F. Fava , S. Cogliati , M. Meroni , A. Marchesi , C. Panigada , C. Giardino , L. Busetto , M. Migliavacca , S. Amaducci , R. Colombo. Assessing canopy PRI from airborne imagery to map water stress in maize. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 2013, Volume 86, 168-177.
2. Li, K.-Y.; Sampaio de Lima, R.; Burnside, N.G.; Vahtm?e, E.; Kutser, T.; Sepp, K.; Cabral Pinheiro, V.H.; Yang, M.-D.; Vain, A.; Sepp, K. Toward Automated Machine Learning-Based Hyperspectral Image Analysis in Crop Yield and Biomass Estimation. Remote Sens. 2022, 14, 1114.
3. Feng, H.; Tao, H.; Fan, Y.; Liu, Y.; Li, Z.; Yang, G.; Zhao, C. Comparison of Winter Wheat Yield Estimation Based on Near-Surface Hyperspectral and UAV Hyperspectral Remote Sensing Data. Remote Sens. 2022, 14, 4158.
4. 譚雨蕾, 李雪巖, 張力元. 高光譜遙感在農(nóng)作物研究中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì). 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào) . 2024, (34): 141 -148.
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