Analisis tekanan tanaman berdasarkan indeks tumbuhan hiperspektral

Atribut tumbuh-tumbuhan biasanya diukur dengan menukar spektrum pantulan kepada nilai berangka tunggal atau indeks tumbuh-tumbuhan. Indeks tumbuh-tumbuhan hiperspektral atau jalur sempit mengandungi ciri-ciri tumbuh-tumbuhan jalur sempit dan maklumat panjang gelombang yang hanya boleh ditangkap oleh instrumen hiperspektral.

Sifat-sifat tumbuhan yang ditentukan oleh indeks tumbuhan hiperspektral boleh dibahagikan kepada tiga kategori utama: 1. Struktur; 2. Sifat biokimia; 3. Fisiologi/tekanan tumbuhan.

Sifat struktur yang diukur termasuk litupan tumbuhan, biojisim daun, indeks luas daun (LAI), biojisim daun tua dan nisbah penyerapan sinaran aktif fotosintesis (FPAR). Kebanyakan indeks yang kini digunakan untuk analisis struktur dibina dalam sistem jalur lebar, manakala indeks hiperspektral jalur sempit juga wujud.

Sifat biokimia termasuk kandungan air, pigmen (klorofil, karotenoid dan antosianin), campuran kaya nitrogen lain (seperti protein) dan bahan struktur tumbuhan (lignin dan selulosa). Indeks fisiologi dan tekanan digunakan untuk mengukur perubahan kecil yang disebabkan oleh faktor seperti perubahan status xantofil, kandungan klorofil, kesan pendarfluor atau kelembapan daun yang disebabkan oleh tekanan. Secara amnya, sifat biokimia dan indeks fisiologi/tekanan kebanyakannya dibina melalui pengukuran instrumen makmal dan lapangan (selang persampelan spektrum ≤10 nm) dan merupakan ciri spektrum yang sangat spesifik. Oleh itu, indeks ini adalah indeks hiperspektral yang ketat.

Berbanding dengan indeks tumbuh-tumbuhan jalur lebar, indeks tumbuh-tumbuhan hiperspektral mempunyai jalur yang tidak disampel dalam sistem jalur lebar dan pusat jalur tertentu, membolehkannya mengenal pasti dan mengekstrak ciri penyerapan yang lebih halus, sekali gus menganggarkan atribut tanaman dengan lebih baik.

Berbanding dengan pengukuran spektrum titik, imejan hiperspektral menambah maklumat dimensi ruang, yang penting untuk pertanian jitu. Ia boleh menyokong kaedah analisis yang biasa digunakan dalam pertanian jitu, seperti pengelompokan tanah dan tanaman, analisis hotspot dan outlier, dan boleh memperkenalkan maklumat ruang pada tahap yang berbeza untuk membantu menganggarkan atribut tanaman. Ia boleh mendedahkan corak taburan ruang dan ciri-ciri atribut tanaman dari titik ke permukaan, menyediakan alat yang lebih berkuasa untuk amalan kejuruteraan pertanian jitu.

Kaedah dan Prinsip

Kami menggunakan imej hiperspektral kawasan Xi'an yang diambil oleh satelit Xiguang-105 pada 6 April 2025 untuk mengira pelbagai indeks tumbuh-tumbuhan hiperspektral. Berdasarkan penunjuk struktur/biokimia/fisiologi yang sepadan dengan indeks, kami menjalankan analisis kesihatan tanaman dan tekanan gandum musim sejuk di Xi'an semasa peringkat penyambungan pada musim 2024-2025, dan mengenal pasti kawasan yang berpotensi mengalami tekanan.

Rajah 1. Pengenalan Data

proses:

Penentukuran sinaran:Data nilai DN asal dibetulkan secara radiometrik menggunakan pekali penentukuran radiometrik untuk mendapatkan data sinaran ketara.

Pembetulan atmosfera:Pembetulan atmosfera telah dilakukan menggunakan model 6S untuk mendapatkan data pantulan permukaan.

Pelicinan spektrum:Algoritma Savitzky-Golay (SG) telah digunakan untuk melicinkan data pantulan permukaan, yang meningkatkan kebolehpercayaan pengiraan indeks korelasi tepi merah seterusnya sambil mengurangkan hingar spektrum.

Pendaftaran imej:Data yang diproses kemudiannya digeorujuk berdasarkan peta asas.

Pengiraan indeks:Indeks tumbuh-tumbuhan hiperspektral dikira daripada data yang didaftarkan.

Penutup kawasan tumbuh-tumbuhan/pengekstrakan plot:Menggunakan indeks separa yang dikira, penyamaran kawasan tumbuh-tumbuhan telah diekstrak menggunakan kaedah ambang tetap. Set data vektor plot penanaman gandum di Lembangan Sungai Kuning yang telah dilengkapkan sebelum ini juga telah digunakan.

Statistik serantau:Berdasarkan vektor petak tanah, setiap indeks dianalisis secara statistik mengikut wilayah, dan kaedah statistiknya ialah min.

Analisis komprehensif berbilang indeks:Berdasarkan vektor statistik dan merujuk kepada makna fizikal yang diwakili oleh indeks yang berbeza, taburan indeks yang berbeza dianalisis untuk menjelaskan beberapa fenomena.

Jadual di bawah menyenaraikan indeks tumbuh-tumbuhan hiperspektral, yang dikategorikan kepada struktur, biokimia (pigmen, klorofil, antosianin, karotenoid, air, lignin dan selulosa, nitrogen) dan fisiologi (kecekapan penggunaan cahaya, tekanan). Setiap indeks merangkumi nama Cina, singkatan Inggeris dan formulanya, yang berdasarkan pantulan jalur sempit (Rλ mewakili pantulan pada panjang gelombang λ, dalam nm).

Jadual 1. Beberapa Indeks Tumbuhan Hiperspektral dan Formula Pengiraan

Penilaian Keputusan

Imej komposit warna sebenar - satelit Xiguang-1 05 (padanan cakerawala) - 20250406

Lengkung pantulan bagi ciri-ciri tanah yang berbeza - pantulan dibesarkan 10,000 kali - Satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Peta Taburan Indeks Vegetasi Perbezaan Ternormal (NDVI) - Satelit Xiguang No. 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Peta Taburan Indeks Pantulan Fotokimia (PRI) - Satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Peta Taburan Indeks Tepi Merah Normal yang Diperbaiki - Satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Peta taburan indeks klorofil tidak sensitif struktur (SIPI) - Satelit Xiguang No. 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Peta Taburan Indeks Tepi Merah Vogelmann 1VOG1 - Satelit Xiguang No.1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Peta Taburan Indeks Tumbuhan Impedans Atmosfera (ARVI) - Satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Peta taburan pantulan antosianin 2ARI2 - satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Peta taburan indeks pantulan karotenoid 2CAI2 - satelit Xiguang No.1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Kebanyakan indeks tumbuh-tumbuhan hiperspektral yang dinyatakan di atas juga berdasarkan perbezaan penyerapan/pantulan antara jalur yang berbeza. Walau bagaimanapun, berbanding dengan indeks jalur lebar tradisional (seperti NDVI), ia boleh mencerminkan kepekatan dan taburan pigmen tertentu dengan lebih sensitif, meningkatkan ketepatan pengelasan tanaman, penentuan peringkat fenologi, penyongsangan indeks fisiologi dan biokimia tanaman, dan penilaian tekanan tanaman. Contohnya, untuk gandum musim sejuk, antosianin secara beransur-ansur terkumpul dari peringkat anakan hingga matang, jadi peringkat fenologi semasa tanaman boleh ditentukan oleh indeks antosianin. Apabila terdedah kepada tekanan persekitaran, ekspresi gen berkaitan biosintesis antosianin (seperti CHS, CHI, dan F3H) diinduksi, yang membawa kepada peningkatan kandungan antosianin. Pada masa yang sama, kedudukan tepi merah juga beralih ke arah panjang gelombang yang lebih pendek. Oleh itu, penilaian tekanan yang komprehensif boleh dijalankan melalui pelbagai indeks fotokimia dan morfologi tepi merah.

Peta taburan indeks pantulan antosianin 2ARI2 pada peringkat plot - satelit Xiguang No.1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Peta Pengagihan Indeks Lokasi Tepi Merah (REPI) Aras Petak Tanah - Xiguang No. 1 05 Star (Nombor Padanan Syurga) - 20250406

Dengan menggabungkan vektor sempadan petak tanah, analisis peringkat petak yang lebih tepat dapat dilakukan, dengan itu mengenal pasti kawasan masalah yang berpotensi dan petak yang sepadan, dan kemudian menjalankan analisis statistik yang lebih terperinci.

Peta Taburan Indeks Tumbuhan Tepi Merah Setempat (RENDVI) - Xiguang No. 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Peta taburan setempat bagi indeks pantulan karotenoid (CRI2) - satelit Xiguang-1-05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Peta taburan pantulan antosianin tempatan 2ARI2 - satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Peta taburan indeks pantulan fotokimia tempatan (PRI) - satelit Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

Gambar di atas menunjukkan peta taburan indeks peringkat plot tempatan. Di kawasan tengah peta, indeks tumbuh-tumbuhan tepi merah (RENDVI), indeks karotenoid (2CRI2), dan indeks pantulan fotokimia (PRI) agak tinggi, manakala ia lebih rendah di kawasan barat. Ini menunjukkan bahawa kandungan pigmen di kawasan barat juga agak rendah. Walau bagaimanapun, dalam peta taburan indeks antosianin (2ARI2), kawasan barat adalah serupa dengan kawasan tengah dan lebih tinggi, menunjukkan bahawa kawasan ini mungkin berada di bawah tekanan yang sama, tetapi tekanan mempunyai kesan yang agak kecil pada kawasan tengah, mungkin berkaitan dengan peningkatan kepekatan karotenoid di kawasan tengah. Karotenoid ialah pigmen fotosintetik dan, sebagai antioksidan, boleh mengumpul spesies oksigen reaktif (ROS, seperti anion superoksida dan hidrogen peroksida), melindungi membran sel dan struktur fotosintetik daripada tekanan oksidatif, justeru tidak menyebabkan penurunan kepekatan klorofil. Walau bagaimanapun, bagi kawasan barat, tiada peningkatan ketara dalam indeks pantulan karotenoid diperhatikan, menunjukkan bahawa jenis tekanan ini mempunyai kesan yang lebih besar.

Dengan menganalisis pelbagai indeks tumbuh-tumbuhan hiperspektral secara komprehensif dan menggabungkannya dengan peta taburan kanopi tanaman dan kelembapan tanah, kita dapat menentukan jenis tekanan dan kesannya dengan lebih lanjut, membolehkan intervensi pertanian pada peringkat lebih awal untuk meningkatkan daya tahan alam sekitar sistem penanaman berskala besar dan memastikan kestabilan hasil dan kualiti bijirin.