การวิเคราะห์ความเครียดของพืชโดยใช้ดัชนีพืชพรรณแบบไฮเปอร์สเปกตรัม

โดยทั่วไป คุณลักษณะของพืชพรรณจะวัดได้โดยการแปลงสเปกตรัมการสะท้อนแสงให้เป็นค่าตัวเลขเดียวหรือดัชนีพืชพรรณ ดัชนีพืชพรรณแบบไฮเปอร์สเปกตรัมหรือแบบแถบความถี่แคบนั้นประกอบด้วยลักษณะเฉพาะของพืชพรรณในแถบความถี่แคบและข้อมูลความยาวคลื่น ซึ่งสามารถบันทึกได้เฉพาะโดยเครื่องมือไฮเปอร์สเปกตรัมเท่านั้น

คุณสมบัติของพืชพรรณที่กำหนดโดยดัชนีพืชพรรณไฮเปอร์สเปกตรัมสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ 1. โครงสร้าง 2. คุณสมบัติทางชีวเคมี 3. สรีรวิทยา/ความเครียดของพืช

คุณสมบัติเชิงโครงสร้างที่วัดได้ ได้แก่ ความหนาแน่นของพืชปกคลุม มวลชีวภาพของใบ ดัชนีพื้นที่ใบ (LAI) มวลชีวภาพของใบที่แก่ และอัตราส่วนการดูดซับรังสีที่ใช้ในการสังเคราะห์แสง (FPAR) ดัชนีส่วนใหญ่ที่ใช้ในการวิเคราะห์เชิงโครงสร้างในปัจจุบันสร้างขึ้นในระบบบรอดแบนด์ ในขณะที่ดัชนีไฮเปอร์สเปกตรัมแบบแถบความถี่แคบก็มีอยู่เช่นกัน

คุณสมบัติทางชีวเคมี ได้แก่ ปริมาณน้ำ รงควัตถุ (คลอโรฟิลล์ แคโรทีนอยด์ และแอนโทไซยานิน) สารประกอบที่มีไนโตรเจนสูงอื่นๆ (เช่น โปรตีน) และโครงสร้างพืช (ลิกนินและเซลลูโลส) ดัชนีทางสรีรวิทยาและดัชนีความเครียดใช้ในการวัดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยที่เกิดจากปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากความเครียดในสถานะของแซนโทฟิลล์ ปริมาณคลอโรฟิลล์ ผลกระทบของการเรืองแสง หรือความชื้นในใบ โดยทั่วไป คุณสมบัติทางชีวเคมีและดัชนีทางสรีรวิทยา/ความเครียดส่วนใหญ่สร้างขึ้นจากการวัดด้วยเครื่องมือในห้องปฏิบัติการและภาคสนาม (ช่วงการสุ่มตัวอย่างสเปกตรัม ≤10 นาโนเมตร) และมีลักษณะเฉพาะทางสเปกตรัมสูง ดังนั้น ดัชนีเหล่านี้จึงเป็นดัชนีไฮเปอร์สเปกตรัมอย่างเคร่งครัด

เมื่อเปรียบเทียบกับดัชนีพืชพรรณแบบบรอดแบนด์ ดัชนีพืชพรรณแบบไฮเปอร์สเปกตรัมมีแถบคลื่นที่ระบบบรอดแบนด์ไม่ได้เก็บข้อมูล และมีจุดศูนย์กลางแถบคลื่นที่เฉพาะเจาะจง ทำให้สามารถระบุและแยกคุณลักษณะการดูดกลืนแสงที่ละเอียดอ่อนกว่าได้ จึงสามารถประมาณคุณลักษณะของพืชผลได้ดีกว่า

เมื่อเปรียบเทียบกับการวัดสเปกตรัมแบบจุด ภาพถ่ายไฮเปอร์สเปกตรัมจะเพิ่มข้อมูลมิติเชิงพื้นที่ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเกษตรแม่นยำ สามารถสนับสนุนวิธีการวิเคราะห์ที่ใช้กันทั่วไปในเกษตรแม่นยำ เช่น การจัดกลุ่มดินและพืช การวิเคราะห์จุดร้อนและจุดผิดปกติ และสามารถนำข้อมูลเชิงพื้นที่ในระดับต่างๆ มาช่วยในการประมาณคุณลักษณะของพืชได้ สามารถเปิดเผยรูปแบบการกระจายตัวเชิงพื้นที่และลักษณะของพืชจากจุดสู่พื้นผิว ทำให้เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรมเกษตรแม่นยำ

วิธีการและหลักการ

เราใช้ภาพไฮเปอร์สเปกตรัมของพื้นที่ซีอานที่ถ่ายโดยดาวเทียมซีกวง-105 เมื่อวันที่ 6 เมษายน 2568 เพื่อคำนวณดัชนีพืชพรรณไฮเปอร์สเปกตรัมต่างๆ โดยอาศัยตัวชี้วัดเชิงโครงสร้าง/ชีวเคมี/สรีรวิทยาที่สอดคล้องกับดัชนีเหล่านั้น เราได้ทำการวิเคราะห์สุขภาพและภาวะเครียดของข้าวสาลีฤดูหนาวในซีอานในช่วงระยะแตกกอในฤดูกาล 2024-2025 และระบุพื้นที่ที่มีแนวโน้มจะเกิดภาวะเครียด

รูปที่ 1. ข้อมูลเบื้องต้น

กระบวนการ:

การสอบเทียบรังสี:ข้อมูลค่า DN ดั้งเดิมจะได้รับการแก้ไขทางรังสีวิทยาโดยใช้สัมประสิทธิ์การสอบเทียบทางรังสีวิทยาเพื่อให้ได้ข้อมูลความสว่างที่ปรากฏ

การแก้ไขผลกระทบจากชั้นบรรยากาศ:ทำการแก้ไขผลกระทบจากชั้นบรรยากาศโดยใช้แบบจำลอง 6S เพื่อให้ได้ข้อมูลการสะท้อนแสงของพื้นผิว

การปรับเรียบสเปกตรัม:อัลกอริทึม Savitzky-Golay (SG) ถูกนำมาใช้เพื่อปรับข้อมูลการสะท้อนแสงของพื้นผิวให้เรียบ ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของการคำนวณดัชนีความสัมพันธ์ขอบสีแดงในภายหลัง พร้อมทั้งลดสัญญาณรบกวนทางสเปกตรัม

การลงทะเบียนภาพ:จากนั้นข้อมูลที่ผ่านการประมวลผลจะถูกกำหนดพิกัดทางภูมิศาสตร์โดยอ้างอิงจากแผนที่พื้นฐาน

การคำนวณดัชนี:ดัชนีพืชพรรณไฮเปอร์สเปกตรัมคำนวณจากข้อมูลที่บันทึกไว้

การปิดบังพื้นที่พืชพรรณ/การแยกแปลง:โดยใช้ดัชนีบางส่วนที่คำนวณได้ พื้นที่ปกคลุมด้วยพืชพรรณถูกแยกออกมาโดยใช้วิธีเกณฑ์คงที่ นอกจากนี้ยังใช้ชุดข้อมูลเวกเตอร์แปลงปลูกข้าวสาลีในลุ่มแม่น้ำเหลืองที่สร้างเสร็จก่อนหน้านี้ด้วย

สถิติระดับภูมิภาค:โดยอิงตามเวกเตอร์แปลงที่ดิน แต่ละดัชนีจะได้รับการวิเคราะห์ทางสถิติแยกตามภูมิภาค และวิธีการทางสถิติที่ใช้คือค่าเฉลี่ย

การวิเคราะห์เชิงลึกแบบหลายดัชนี:โดยอาศัยเวกเตอร์ทางสถิติ และอ้างอิงถึงความหมายทางกายภาพที่แสดงโดยดัชนีต่างๆ การกระจายตัวของดัชนีต่างๆ จะถูกวิเคราะห์เพื่ออธิบายปรากฏการณ์บางอย่าง

ตารางด้านล่างแสดงรายการดัชนีพืชพรรณแบบไฮเปอร์สเปกตรัม โดยแบ่งเป็นหมวดหมู่โครงสร้าง ชีวเคมี (เม็ดสี คลอโรฟิลล์ แอนโทไซยานิน แคโรทีนอยด์ น้ำ ลิกนินและเซลลูโลส ไนโตรเจน) และสรีรวิทยา (ประสิทธิภาพการใช้แสง ความเครียด) ดัชนีแต่ละตัวประกอบด้วยชื่อภาษาจีน ตัวย่อภาษาอังกฤษ และสูตร ซึ่งอิงตามค่าการสะท้อนแสงแบบแถบแคบ (Rλ แทนค่าการสะท้อนแสงที่ความยาวคลื่น λ ในหน่วยนาโนเมตร)

ตารางที่ 1. ดัชนีพืชพรรณไฮเปอร์สเปกตรัมบางส่วนและสูตรการคำนวณ

การประเมินผลลัพธ์

ภาพประกอบสีจริง - ดาวเทียม Xiguang-1 05 (การจับคู่ทางดาราศาสตร์) - 20250406

เส้นโค้งการสะท้อนแสงของลักษณะภูมิประเทศต่างๆ - ขยายภาพการสะท้อนแสง 10,000 เท่า - ดาวเทียม Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีความแตกต่างของพืชพรรณแบบนอร์มาไลซ์ (NDVI) - ดาวเทียม Xiguang หมายเลข 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีการสะท้อนแสงทางเคมีแสง (PRI) - ดาวเทียม Xiguang-1 05 (Tianxianpei) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีขอบแดงแบบปรับปรุงแล้ว - ดาวเทียมซีกวง-1 05 (เทียนเซียนเป่ย) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีคลอโรฟิลล์ที่ไม่ขึ้นกับโครงสร้าง (SIPI) - ดาวเทียม Xiguang หมายเลข 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

แผนที่การกระจายตัวของ Vogelmann Red Edge Index 1VOG1 - Xiguang No.1 05 Satellite (Tianxianpeihao) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีความต้านทานบรรยากาศและพืชพรรณ (ARVI) - ดาวเทียม Xiguang-1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของค่าการสะท้อนแสงแอนโทไซยานิน 2ARI2 - ดาวเทียม Xiguang-1 05 (เทียนเซียนเป่ย) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีการสะท้อนแสงแคโรทีนอยด์ 2CAI2 - ดาวเทียม Xiguang หมายเลข 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

ดัชนีพืชพรรณไฮเปอร์สเปกตรัมส่วนใหญ่ที่กล่าวมาข้างต้นนั้นก็อาศัยความแตกต่างของการดูดกลืน/การสะท้อนแสงระหว่างแถบคลื่นต่างๆ เช่นกัน อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับดัชนีแบบบรอดแบนด์แบบดั้งเดิม (เช่น NDVI) ดัชนีเหล่านี้สามารถสะท้อนความเข้มข้นและการกระจายตัวของรงควัตถุเฉพาะได้อย่างละเอียดอ่อนกว่า ทำให้การจำแนกประเภทพืช การกำหนดระยะการเจริญเติบโต การวิเคราะห์ดัชนีทางสรีรวิทยาและชีวเคมีของพืช และการประเมินความเครียดของพืชมีความแม่นยำมากขึ้น ตัวอย่างเช่น สำหรับข้าวสาลีฤดูหนาว แอนโทไซยานินจะค่อยๆ สะสมตั้งแต่ระยะแตกกอจนถึงระยะสุกแก่ ดังนั้นระยะการเจริญเติบโตปัจจุบันของพืชสามารถกำหนดได้จากดัชนีแอนโทไซยานิน เมื่อพืชได้รับความเครียดจากสิ่งแวดล้อม การแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แอนโทไซยานิน (เช่น CHS, CHI และ F3H) จะถูกกระตุ้น ทำให้ปริมาณแอนโทไซยานินเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกัน ตำแหน่งขอบสีแดงก็จะเลื่อนไปทางความยาวคลื่นที่สั้นลง ดังนั้นจึงสามารถประเมินความเครียดได้อย่างครอบคลุมผ่านดัชนีทางเคมีแสงหลายตัวและลักษณะทางสัณฐานวิทยาของขอบสีแดง

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีการสะท้อนแสงแอนโทไซยานิน 2ARI2 ในระดับแปลง - ดาวเทียม Xiguang หมายเลข 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีตำแหน่งขอบแดงระดับแปลงที่ดิน (REPI) - Xiguang หมายเลข 1 05 ดาว (หมายเลขจับคู่สวรรค์) - 20250406

ด้วยการรวมเวกเตอร์ขอบเขตแปลงที่ดินเข้าด้วยกัน ทำให้สามารถวิเคราะห์ในระดับแปลงที่ดินได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งจะช่วยระบุพื้นที่ที่มีปัญหาและแปลงที่ดินที่เกี่ยวข้อง จากนั้นจึงดำเนินการวิเคราะห์ทางสถิติในรายละเอียดต่อไปได้

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีพืชพรรณขอบแดงเฉพาะพื้นที่ (RENDVI) - ซีกวง หมายเลข 1 05 (เทียนเซียนเป่ยห่าว) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีการสะท้อนแสงของแคโรทีนอยด์ (CRI2) ในพื้นที่ - ดาวเทียม Xiguang-1-05 (Tianxianpeihao) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของค่าการสะท้อนแสงแอนโทไซยานินในพื้นที่ (ARI2) - ดาวเทียม Xiguang-1 05 (เทียนเซียนเป่ย) - 20250406

แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีการสะท้อนแสงทางเคมีแสงเฉพาะที่ (PRI) - ดาวเทียม Xiguang-1 05 (เทียนเซียนเป่ย) - 20250406

ภาพด้านบนแสดงแผนที่การกระจายตัวของดัชนีระดับแปลงในพื้นที่ ในบริเวณตอนกลางของแผนที่ ดัชนีพืชพรรณขอบแดง (RENDVI) ดัชนีแคโรทีนอยด์ (2CRI2) และดัชนีการสะท้อนแสงทางเคมี (PRI) มีค่าค่อนข้างสูง ในขณะที่บริเวณทางตะวันตกมีค่าต่ำกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่าปริมาณรงควัตถุในบริเวณทางตะวันตกก็ค่อนข้างต่ำเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ในแผนที่การกระจายตัวของดัชนีแอนโทไซยานิน (2ARI2) บริเวณทางตะวันตกมีค่าใกล้เคียงกับบริเวณตอนกลางและสูงกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่าบริเวณนี้อาจอยู่ภายใต้ความเครียดเดียวกัน แต่ความเครียดนั้นมีผลกระทบต่อบริเวณตอนกลางน้อยกว่า อาจเกี่ยวข้องกับความเข้มข้นของแคโรทีนอยด์ที่เพิ่มขึ้นในบริเวณตอนกลาง แคโรทีนอยด์เป็นรงควัตถุร่วมในการสังเคราะห์แสง และในฐานะสารต้านอนุมูลอิสระ สามารถกำจัดอนุมูลอิสระ (ROS เช่น ซูเปอร์ออกไซด์แอนไอออนและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์) ปกป้องเยื่อหุ้มเซลล์และโครงสร้างการสังเคราะห์แสงจากความเครียดออกซิเดชัน จึงไม่นำไปสู่การลดลงของความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์ อย่างไรก็ตาม สำหรับภูมิภาคตะวันตก ไม่พบว่าดัชนีการสะท้อนแสงของแคโรทีนอยด์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งบ่งชี้ว่าความเครียดประเภทนี้มีผลกระทบมากกว่า

ด้วยการวิเคราะห์ดัชนีพืชพรรณไฮเปอร์สเปกตรัมหลายตัวอย่างครอบคลุม และนำมาผสานรวมกับแผนที่การกระจายตัวของทรงพุ่มพืชและความชื้นในดิน เราสามารถระบุประเภทของความเครียดและผลกระทบได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งจะช่วยให้สามารถดำเนินการแก้ไขทางการเกษตรได้ตั้งแต่เนิ่นๆ เพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นต่อสิ่งแวดล้อมของระบบการเพาะปลูกขนาดใหญ่ และรับประกันความเสถียรของผลผลิตและคุณภาพของเมล็ดพืช