Аналіз стрэсу ўраджаю на аснове гіперспектральнага індэкса вегетацыі

Атрыбуты расліннасці звычайна вымяраюцца шляхам пераўтварэння спектраў адлюстравання ў адно лікавае значэнне або індэкс расліннасці. Гіперспектральныя або вузкапалосныя індэксы расліннасці ўтрымліваюць характарыстыкі расліннасці вузкага дыяпазону і інфармацыю аб даўжынях хваль, якія могуць быць атрыманы толькі гіперспектральнымі прыборамі.

Уласцівасці расліннасці, якія вызначаюцца гіперспектральнымі вегетацыйнымі індэксамі, можна падзяліць на тры асноўныя катэгорыі: 1. Структура; 2. Біяхімічныя ўласцівасці; 3. Фізіялогія/стрэс раслін.

Вымяраныя структурныя ўласцівасці ўключаюць раслінны покрыва, біямасу лісця, індэкс плошчы лісця (LAI), біямасу старэючых лісця і каэфіцыент паглынання фотасінтэтычна актыўнага выпраменьвання (FPAR). Большасць індэксаў, якія выкарыстоўваюцца ў цяперашні час для структурнага аналізу, пабудаваныя ў шырокапалосных сістэмах, хоць існуюць і вузкапалосныя гіперспектральныя індэксы.

Біяхімічныя ўласцівасці ўключаюць утрыманне вады, пігменты (хларафіл, каратыноіды і антоціаны), іншыя багатыя азотам сумесі (напрыклад, бялкі) і структурныя матэрыялы раслін (лігнін і цэлюлоза). Фізіялагічныя і стрэсавыя індэксы выкарыстоўваюцца для вымярэння нязначных змен, выкліканых такімі фактарамі, як змены стану ксантафіла, утрымання хларафіла, эфекты флуарэсцэнцыі або вільготнасць лісця, выкліканыя стрэсам. Як правіла, біяхімічныя ўласцівасці і фізіялагічныя/стрэсавыя індэксы ў асноўным будуюцца з дапамогай лабараторных і палявых прыборных вымярэнняў (спектральныя інтэрвалы выбаркі ≤10 нм) і з'яўляюцца вельмі спецыфічнымі спектральнымі характарыстыкамі. Такім чынам, гэтыя індэксы з'яўляюцца выключна гіперспектральнымі індэксамі.

У параўнанні з шырокапалоснымі індэксамі расліннасці, гіперспектральныя індэксы расліннасці маюць паласы, якія не выбіраюцца ў шырокапалосных сістэмах, і спецыфічныя цэнтры палос, што дазваляе ім ідэнтыфікаваць і вылучаць больш тонкія асаблівасці паглынання, тым самым лепш ацэньваючы атрыбуты сельскагаспадарчых культур.

У параўнанні з кропкавымі спектральнымі вымярэннямі, гіперспектральныя выявы дадаюць інфармацыю аб прасторавых вымярэннях, што мае вырашальнае значэнне для дакладнай сельскай гаспадаркі. Яны могуць падтрымліваць распаўсюджаныя аналітычныя метады ў дакладнай сельскай гаспадарцы, такія як кластарызацыя глебы і сельскагаспадарчых культур, аналіз гарачых кропак і выкідаў, і могуць уводзіць прасторавую інфармацыю на розных узроўнях, каб дапамагчы ацаніць атрыбуты сельскагаспадарчых культур. Яны могуць выявіць прасторавыя заканамернасці размеркавання і характарыстыкі атрыбутаў сельскагаспадарчых культур ад кропкі да паверхні, забяспечваючы больш магутны інструмент для інжынернай практыкі дакладнай сельскай гаспадаркі.

Метады і прынцыпы

Мы выкарысталі гіперспектральныя здымкі раёна Сіаня, атрыманыя спадарожнікам Xiguang-105 6 красавіка 2025 года, для разліку розных гіперспектральных індэксаў вегетацыі. На падставе структурных/біяхімічных/фізіялагічных паказчыкаў, якія адпавядаюць індэксам, мы правялі аналіз стану здароўя і стрэсу азімай пшаніцы ў Сіані падчас стадыі злучэння ў сезоне 2024-2025 гадоў і вызначылі патэнцыйна стрэсавыя зоны.

Малюнак 1. Уводзіны ў дадзеныя

працэс:

Каліброўка выпраменьвання:Зыходныя дадзеныя значэння DN радыеметрычна карэктуюцца з выкарыстаннем радыеметрычных калібравальных каэфіцыентаў для атрымання дадзеных бачнай яркасці.

Атмасферная карэкцыя:Атмасферная карэкцыя была выканана з выкарыстаннем мадэлі 6S для атрымання дадзеных аб адлюстраванні паверхні.

Спектральнае згладжванне:Для згладжвання дадзеных аб адлюстраванні паверхні быў выкарыстаны алгарытм Савіцкага-Голея (SG), што павысіла надзейнасць наступнага разліку індэкса карэляцыі чырвонага краю, адначасова зніжаючы спектральны шум.

Рэгістрацыя выявы:Апрацаваныя дадзеныя затым геаграфічна прывязваюцца на аснове базавай карты.

Разлік індэкса:Гіперспектральны індэкс расліннасці быў разлічаны па зарэгістраваных дадзеных.

Маскіроўка/вылучэнне расліннасці з участка:З дапамогай разлічаных частковых індэксаў была атрымана маскіроўка плошчы расліннасці з выкарыстаннем метаду фіксаванага парога. Таксама быў выкарыстаны раней запоўнены набор вектарных даных па участках вырошчвання пшаніцы ў басейне ракі Хуанхэ.

Рэгіянальная статыстыка:На аснове вектара зямельных участкаў кожны індэкс статыстычна аналізуецца па рэгіёнах, і статыстычным метадам з'яўляецца сярэдняе значэнне.

Шматіндэксны комплексны аналіз:На падставе статыстычных вектараў і зыходзячы з фізічнага сэнсу, прадстаўленага рознымі індэксамі, аналізуецца размеркаванне розных індэксаў для тлумачэння некаторых з'яў.

У табліцы ніжэй прыведзены гіперспектральныя індэксы расліннасці, падзеленыя на структурныя, біяхімічныя (пігмент, хларафіл, антоціанін, каратыноіды, вада, лігнін і цэлюлоза, азот) і фізіялагічныя (эфектыўнасць выкарыстання святла, стрэс). Кожны індэкс мае сваю кітайскую назву, англійскую абрэвіятуру і формулу, якая заснавана на вузкапалосным адлюстраванні (Rλ абазначае адлюстраванне на даўжыні хвалі λ у нм).

Табліца 1. Некаторыя гіперспектральныя індэксы расліннасці і формулы для разліку

Ацэнка вынікаў

Камбінаваны здымак у натуральную велічыню — спадарожнік Xiguang-1 05 (супадзенне з нябеснымі зоркамі) — 20250406

Крывыя адлюстравання розных наземных утварэнняў - адлюстраванне павялічанае ў 10 000 разоў - спадарожнік Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Карта распаўсюджвання нармалізаванага дыферэнцыяльнага індэкса расліннасці (NDVI) - спадарожнік Сігуан № 1 05 (Цяньсяньпэйхао) - 20250406

Мапа размеркавання фотахімічнага індэкса адлюстравання (PRI) - спадарожнік Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Палепшаная нармалізаваная карта размеркавання індэкса чырвонага краю - спадарожнік Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Карта размеркавання структурна-неадчувальнага індэкса хларафіла (SIPI) - спадарожнік Xiguang No. 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Мапа распаўсюджвання індэкса Vogelmann Red Edge 1VOG1 - спадарожнік Xiguang No.1 05 (Tianxianbeihao) - 20250406

Мапа размеркавання індэкса атмасфернага імпедансу расліннасці (ARVI) - спадарожнік Xiguang-1 05 (Tianxianbeihao) - 20250406

Мапа размеркавання адлюстравання антоціанаў 2ARI2 - спадарожнік Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Мапа размеркавання індэкса адлюстравання каратыноідаў 2CAI2 - спадарожнік Xiguang No.1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Большасць вышэйзгаданых гіперспектральных вегетацыйных індэксаў таксама заснаваныя на адрозненнях у паглынанні/адлюстраванні паміж рознымі дыяпазонамі. Аднак, у параўнанні з традыцыйнымі шырокапалоснымі індэксамі (такімі як NDVI), яны могуць больш адчувальна адлюстроўваць канцэнтрацыю і размеркаванне пэўных пігментаў, павялічваючы дакладнасць класіфікацыі сельскагаспадарчых культур, вызначэння феналагічнай стадыі, інверсіі фізіялагічнага і біяхімічнага індэкса культуры, а таксама ацэнкі стрэсу культуры. Напрыклад, у азімай пшаніцы антоціаны паступова назапашваюцца ад стадыі кушчэння да сталасці, таму бягучую феналагічную стадыю культуры можна вызначыць па індэксе антоціанаў. Пры ўздзеянні стрэсу навакольнага асяроддзя індукуецца экспрэсія генаў, звязаных з біясінтэзам антоціанаў (такіх як CHS, CHI і F3H), што прыводзіць да павелічэння ўтрымання антоціанаў. У той жа час становішча чырвонага краю таксама зрушваецца ў бок больш кароткіх даўжынь хваль. Такім чынам, комплексная ацэнка стрэсу можа быць праведзена з дапамогай некалькіх фотахімічных індэксаў і марфалогіі чырвонага краю.

Мапа размеркавання індэкса адлюстравання антоціанаў 2ARI2 на ўзроўні дзялянкі - спадарожнік Xiguang No.1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Карта размеркавання індэкса месцазнаходжання чырвонага краю (REPI) на ўзроўні зямельных участкаў - Сігуан № 1 05 Зорка (Нябесны нумар супадзення) - 20250406

Аб'яднаўшы вектары межаў зямельных участкаў, можна правесці больш дакладны аналіз на ўзроўні ўчастка, тым самым выявіць патэнцыйныя праблемныя зоны і адпаведныя ўчасткі, а затым правесці больш падрабязны статыстычны аналіз.

Карта распаўсюджвання лакалізаванага індэкса расліннасці чырвонага краю (RENDVI) - Сігуан № 1 05 (Цяньсяньпэйхао) - 20250406

Карта лакалізаванага размеркавання індэкса адлюстравання каратыноідаў (CRI2) - спадарожнік Xiguang-1-05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Лакальная карта размеркавання адлюстравання антоціанаў 2ARI2 - спадарожнік Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Карта размеркавання лакальнага індэкса фотахімічнага адлюстравання (PRI) - спадарожнік Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Вышэй паказана карта размеркавання лакальнага індэкса на ўзроўні дыяграмы. У цэнтральнай вобласці карты індэкс расліннасці чырвонага краю (RENDVI), індэкс каратыноідаў (2CRI2) і індэкс фотахімічнага адлюстравання (PRI) адносна высокія, а ў заходняй вобласці яны ніжэйшыя. Гэта сведчыць аб тым, што ўтрыманне пігмента ў заходняй вобласці таксама адносна нізкае. Аднак на карце размеркавання індэкса антоціану (2ARI2) заходняя вобласць падобны да цэнтральнай вобласці і вышэйшая, што сведчыць аб тым, што гэтая вобласць можа знаходзіцца пад такім жа стрэсам, але стрэс мае адносна меншы ўплыў на цэнтральную вобласць, магчыма, звязана з павышанай канцэнтрацыяй каратыноідаў у цэнтральнай вобласці. Каратыноіды з'яўляюцца фотасінтэтычнымі супігментамі і, як антыаксіданты, могуць звязваць актыўныя формы кіслароду (ROS, такія як супераксід-аніён і пераксід вадароду), абараняючы клеткавыя мембраны і фотасінтэтычныя структуры ад акісляльнага стрэсу, тым самым не прыводзячы да зніжэння канцэнтрацыі хларафіла. Аднак у заходняй вобласці значнага павелічэння індэкса адлюстравання каратыноідаў не назіралася, што сведчыць аб тым, што гэты тып стрэсу мае большы ўплыў.

Дзякуючы ўсебаковаму аналізу некалькіх гіперспектральных індэксаў расліннасці і іх спалучэнню з картамі размеркавання вільготнасці глебы і сельскагаспадарчага полага, мы можам далей вызначыць тып стрэсу і яго ўплыў, што дазваляе праводзіць сельскагаспадарчыя ўмяшанні на больш ранняй стадыі для павышэння экалагічнай устойлівасці буйных сістэм пасеву і забеспячэння стабільнасці ўраджайнасці і якасці збожжа.