Phân tích tình trạng căng thẳng của cây trồng dựa trên chỉ số thực vật siêu phổ

Các đặc tính thảm thực vật thường được đo bằng cách chuyển đổi phổ phản xạ thành một giá trị số duy nhất hoặc chỉ số thảm thực vật. Các chỉ số thảm thực vật siêu phổ hoặc dải hẹp chứa các đặc điểm thảm thực vật dải hẹp và thông tin bước sóng mà chỉ có thể thu được bằng các thiết bị siêu phổ.

Các đặc tính thảm thực vật được xác định bằng chỉ số thực vật siêu phổ có thể được chia thành ba loại chính: 1. Cấu trúc; 2. Đặc tính sinh hóa; 3. Sinh lý/tình trạng căng thẳng của thực vật.

Các đặc tính cấu trúc được đo bao gồm độ che phủ thực vật, sinh khối lá, chỉ số diện tích lá (LAI), sinh khối lá già cỗi và tỷ lệ hấp thụ bức xạ quang hợp hoạt động (FPAR). Hầu hết các chỉ số hiện đang được sử dụng để phân tích cấu trúc được xây dựng trong các hệ thống băng thông rộng, trong khi các chỉ số siêu phổ băng hẹp cũng tồn tại.

Các đặc tính sinh hóa bao gồm hàm lượng nước, sắc tố (diệp lục, carotenoid và anthocyanin), các hỗn hợp giàu nitơ khác (như protein) và các vật liệu cấu trúc thực vật (lignin và cellulose). Các chỉ số sinh lý và chỉ số ứng suất được sử dụng để đo lường những thay đổi nhỏ do các yếu tố như thay đổi do ứng suất gây ra trong trạng thái xanthophyll, hàm lượng diệp lục, hiệu ứng huỳnh quang hoặc độ ẩm của lá. Nhìn chung, các đặc tính sinh hóa và các chỉ số sinh lý/ứng suất chủ yếu được xây dựng thông qua các phép đo bằng thiết bị trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường (khoảng lấy mẫu quang phổ ≤10 nm) và là các đặc tính quang phổ rất cụ thể. Do đó, các chỉ số này là các chỉ số siêu quang phổ.

So với các chỉ số thực vật băng thông rộng, các chỉ số thực vật siêu phổ có các dải tần không được lấy mẫu trong các hệ thống băng thông rộng và các tâm dải tần cụ thể, cho phép chúng xác định và trích xuất các đặc điểm hấp thụ tinh tế hơn, từ đó ước tính các thuộc tính cây trồng tốt hơn.

So với các phép đo quang phổ điểm, ảnh siêu phổ bổ sung thông tin về chiều không gian, điều này rất quan trọng đối với nông nghiệp chính xác. Nó có thể hỗ trợ các phương pháp phân tích thường được sử dụng trong nông nghiệp chính xác, chẳng hạn như phân cụm đất và cây trồng, phân tích điểm nóng và điểm bất thường, và có thể đưa thông tin không gian ở các cấp độ khác nhau vào để giúp ước tính các thuộc tính của cây trồng. Nó có thể tiết lộ các mô hình phân bố không gian và đặc điểm của các thuộc tính cây trồng từ điểm đến bề mặt, cung cấp một công cụ mạnh mẽ hơn cho thực tiễn kỹ thuật của nông nghiệp chính xác.

Phương pháp và nguyên tắc

Chúng tôi đã sử dụng ảnh siêu phổ khu vực Tây An được chụp bởi vệ tinh Xiguang-1 05 vào ngày 6 tháng 4 năm 2025 để tính toán các chỉ số thực vật siêu phổ khác nhau. Dựa trên các chỉ số cấu trúc/sinh hóa/sinh lý tương ứng với các chỉ số này, chúng tôi đã tiến hành phân tích sức khỏe và tình trạng căng thẳng của cây lúa mì vụ đông ở Tây An trong giai đoạn đâm chồi của mùa vụ 2024-2025, và xác định các khu vực có khả năng bị căng thẳng.

Hình 1. Giới thiệu dữ liệu

quá trình:

Hiệu chuẩn bức xạ:Dữ liệu giá trị DN ban đầu được hiệu chỉnh bức xạ bằng cách sử dụng các hệ số hiệu chuẩn bức xạ để thu được dữ liệu độ sáng biểu kiến.

Hiệu chỉnh khí quyển:Việc hiệu chỉnh khí quyển được thực hiện bằng cách sử dụng mô hình 6S để thu được dữ liệu phản xạ bề mặt.

Làm mịn phổ:Thuật toán Savitzky-Golay (SG) được sử dụng để làm mịn dữ liệu phản xạ bề mặt, giúp cải thiện độ tin cậy của việc tính toán chỉ số tương quan rìa đỏ sau đó đồng thời giảm nhiễu quang phổ.

Đăng ký hình ảnh:Dữ liệu đã được xử lý sau đó được định vị địa lý dựa trên bản đồ cơ sở.

Cách tính chỉ số:Chỉ số thực vật siêu phổ được tính toán từ dữ liệu đã ghi nhận.

Che phủ khu vực thảm thực vật/trích xuất ô đất:Sử dụng các chỉ số từng phần đã tính toán, việc che phủ diện tích thảm thực vật được thực hiện bằng phương pháp ngưỡng cố định. Bộ dữ liệu vector về các thửa ruộng lúa mì ở lưu vực sông Hoàng Hà đã hoàn thành trước đó cũng được sử dụng.

Thống kê khu vực:Dựa trên vectơ thửa đất, mỗi chỉ số được phân tích thống kê theo từng khu vực, và phương pháp thống kê là tính trung bình.

Phân tích toàn diện đa chỉ số:Dựa trên các vectơ thống kê và tham chiếu đến ý nghĩa vật lý được biểu thị bởi các chỉ số khác nhau, sự phân bố của các chỉ số khác nhau được phân tích để giải thích một số hiện tượng.

Bảng dưới đây liệt kê các chỉ số thực vật siêu phổ, được phân loại thành các nhóm: cấu trúc, sinh hóa (sắc tố, diệp lục, anthocyanin, carotenoid, nước, lignin và cellulose, nitơ) và sinh lý (hiệu suất sử dụng ánh sáng, mức độ căng thẳng). Mỗi chỉ số bao gồm tên tiếng Trung, viết tắt tiếng Anh và công thức, dựa trên độ phản xạ dải hẹp (Rλ biểu thị độ phản xạ ở bước sóng λ, tính bằng nm).

Bảng 1. Một số chỉ số thực vật siêu phổ và công thức tính toán

Đánh giá kết quả

Ảnh ghép màu thật - Vệ tinh Xiguang-1 05 (đối sánh thiên văn) - 20250406

Đường cong phản xạ của các đặc điểm địa hình khác nhau - độ phản xạ được phóng đại 10.000 lần - vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc) - 20250406

Bản đồ phân bố chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa (NDVI) - Vệ tinh Xiguang số 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Bản đồ phân bố chỉ số phản xạ quang hóa (PRI) - Vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc) - 20250406

Bản đồ phân bố chỉ số viền đỏ được cải tiến - Vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc) - 20250406

Bản đồ phân bố chỉ số diệp lục không nhạy cảm với cấu trúc (SIPI) - Vệ tinh Xiguang số 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Bản đồ phân bố chỉ số rìa đỏ Vogelmann 1VOG1 - Vệ tinh Xiguang số 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Bản đồ phân bố chỉ số thực vật trở kháng khí quyển (ARVI) - Vệ tinh Xiguang-1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Bản đồ phân bố độ phản xạ anthocyanin 2ARI2 - vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc) - 20250406

Bản đồ phân bố chỉ số phản xạ carotenoid 2CAI2 - Vệ tinh Xiguang số 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Hầu hết các chỉ số thực vật siêu phổ nêu trên đều dựa trên sự khác biệt về hấp thụ/phản xạ giữa các dải tần khác nhau. Tuy nhiên, so với các chỉ số băng thông rộng truyền thống (như NDVI), chúng có thể phản ánh nhạy hơn nồng độ và sự phân bố của các sắc tố cụ thể, làm tăng độ chính xác của việc phân loại cây trồng, xác định giai đoạn sinh trưởng, đảo ngược các chỉ số sinh lý và sinh hóa của cây trồng, và đánh giá mức độ căng thẳng của cây trồng. Ví dụ, đối với lúa mì mùa đông, anthocyanin tích lũy dần từ giai đoạn đẻ nhánh đến khi chín, do đó giai đoạn sinh trưởng hiện tại của cây trồng có thể được xác định bằng chỉ số anthocyanin. Khi chịu tác động của stress môi trường, sự biểu hiện của các gen liên quan đến sinh tổng hợp anthocyanin (như CHS, CHI và F3H) được kích hoạt, dẫn đến sự gia tăng hàm lượng anthocyanin. Đồng thời, vị trí rìa đỏ cũng dịch chuyển về phía bước sóng ngắn hơn. Do đó, có thể thực hiện đánh giá stress toàn diện thông qua nhiều chỉ số quang hóa và hình thái rìa đỏ.

Bản đồ phân bố chỉ số phản xạ anthocyanin 2ARI2 ở cấp độ ô thí nghiệm - Xiguang số 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Bản đồ phân bố chỉ số vị trí rìa đỏ (REPI) cấp thửa đất - Sao Xiguang số 1 05 (Số Thiên Hợp) - 20250406

Bằng cách kết hợp các vectơ ranh giới thửa đất, có thể thực hiện phân tích chính xác hơn ở cấp độ thửa đất, từ đó xác định các khu vực có vấn đề tiềm ẩn và các thửa đất tương ứng, rồi tiến hành phân tích thống kê chi tiết hơn.

Bản đồ phân bố chỉ số thực vật rìa đỏ cục bộ (RENDVI) - Xiguang số 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Bản đồ phân bố cục bộ chỉ số phản xạ carotenoid (CRI2) - vệ tinh Xiguang-1-05 (Tianxianpeihao) - 20250406

Bản đồ phân bố độ phản xạ anthocyanin cục bộ 2ARI2 - vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc) - 20250406

Bản đồ phân bố chỉ số phản xạ quang hóa (PRI) cục bộ - vệ tinh Xiguang-1 05 (Thiên Tiên Bắc) - 20250406

Hình trên thể hiện bản đồ phân bố chỉ số ở cấp độ ô đất cục bộ. Ở vùng trung tâm của bản đồ, chỉ số thực vật rìa đỏ (RENDVI), chỉ số carotenoid (2CRI2) và chỉ số phản xạ quang hóa (PRI) tương đối cao, trong khi ở vùng phía tây, các chỉ số này thấp hơn. Điều này cho thấy hàm lượng sắc tố ở vùng phía tây cũng tương đối thấp. Tuy nhiên, trong bản đồ phân bố chỉ số anthocyanin (2ARI2), vùng phía tây tương tự như vùng trung tâm và có chỉ số cao hơn, cho thấy vùng này có thể chịu cùng một áp lực, nhưng áp lực này tác động đến vùng trung tâm ít hơn, có thể liên quan đến sự gia tăng nồng độ carotenoid ở vùng trung tâm. Carotenoid là các sắc tố phụ trợ quang hợp và, với vai trò là chất chống oxy hóa, có thể loại bỏ các gốc oxy phản ứng (ROS, chẳng hạn như anion superoxide và hydrogen peroxide), bảo vệ màng tế bào và cấu trúc quang hợp khỏi stress oxy hóa, do đó không dẫn đến sự giảm nồng độ chlorophyll. Tuy nhiên, đối với vùng phía tây, không quan sát thấy sự gia tăng đáng kể nào trong chỉ số phản xạ carotenoid, cho thấy loại stress này có tác động lớn hơn.

Bằng cách phân tích toàn diện nhiều chỉ số thực vật siêu phổ và kết hợp chúng với bản đồ phân bố tán cây và độ ẩm đất, chúng ta có thể xác định rõ hơn loại tác động và ảnh hưởng của nó, cho phép can thiệp nông nghiệp ở giai đoạn sớm hơn để nâng cao khả năng chống chịu môi trường của các hệ thống canh tác quy mô lớn và đảm bảo sự ổn định về năng suất và chất lượng ngũ cốc.