基于无人机高光谱遥感的冬小麦全氮含量反演

杨欣; 袁自然; 叶寅; 王道中; 花可可; 郭志彬; 《光谱学与光谱分析 》 2022 EI SCI 北大核心 CSCD

摘要：氮素是作物生长发育必需的营养元素之一,作物的全氮含量是表征其氮素状况的主要指标.田块尺度的冬小麦全氮含量空间分布监测可以辅助其精准定量追肥,减少环境污染.无人机高光谱遥感具有分辨率高、时效性高、成本低等优势,可为作物长势信息反演提供重要数据源.XGBoost(extreme gradient boosting)作为一种新兴集成学习算法,运行效率高,泛化能力强,可以有效的应用于构建冬小麦全氮含量遥感反演模型,预测田块尺度冬小麦全氮含量空间分布.以农业部蒙城砂姜黑土生态环境站内拔节期冬小麦为研究对象,开展以下工作:(1)以低空无人机搭载高光谱成像仪获取冬小麦拔节期冠层成像光谱影像,结合地面采样数据,获取126个样点全氮含量数据;(2)分析拔节期冬小麦冠层光谱特征,并根据Person相关系数分析176个波段的光谱反射率与全氮含量之间的相关性;(3)构建基于XGBoost算法的不同土壤肥力条件下拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱反演模型.结果表明:(1)176个波段(400~1000 nm)的光谱反射率与冬小麦全氮含量之间具有较强的相关性,除了735.5 nm外其他波段光谱反射率与全氮含量之间的相关系数均大于0.5;(2)基于XGBoost算法构建的拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱遥感反演模型具有较高的反演精度(R2=0.76,RMSE=2.68);(3)基于XGBoost算法的冬小麦全氮含量反演模型可以获取不同土壤肥力条件下田块尺度的全氮含量空间分布图,总体上呈现较为显著的空间差异.该研究可为冬小麦精准定量追肥提供一定的科学依据,也为发展无人机高光谱遥感的精准农业应用提供了参考.

关键词： 冬小麦全氮含量 无人机高光谱 XGBoost 遥感反演