Estimación del contenido de nitrógeno en el dosel de la nuez por cámara hiperespectral del UAV

La nuez es una importante especie de árbol de frutos secos y árbol oleaginosos en China.La etapa de expansión del fruto es la primera etapa del desarrollo del fruto de la nuez, como la nutrición insuficiente en esta etapa afectará directamente a la calidad y rendimiento de los frutos posteriores.La vigilancia y el diagnóstico del contenido de nitrógeno de los frutos de nuez en la etapa de expansión es de gran importancia para controlar el crecimiento de los árboles y ajustar a tiempo el plan de manejo preciso..

En este estudio, se aplicó una cámara hiperespectral de 400-1000 nm, y FS60, un producto de Hangzhou Color Spectrum Technology Co., LTD., podría usarse para investigaciones relacionadas.,la resolución de la longitud de onda es mejor que 2,5 nm y se pueden alcanzar hasta 1200 canales espectrales. La velocidad de adquisición puede alcanzar los 128 FPS en todo el espectro,y el máximo después de la selección de banda es de 3300Hz (suporte de selección de banda multi-región).

一、Preparación previa

Para estimar el contenido de nitrógeno del dosel de la nuez mediante una cámara hiperespectral del UAV, primero se requiere la recopilación de datos.y realizar operaciones de vuelo de acuerdo con la ruta y la altura predeterminadas sobre el Walnut GardenDurante el vuelo, la cámara hiperespectral graba el dosel de la nuez en un cierto intervalo de tiempo o espacio para obtener una gran cantidad de datos de imagen hiperespectral.para garantizar la exactitud y fiabilidad de los datos, también es necesario recopilar algunos datos de referencia simultáneamente en el suelo, como el contenido de nitrógeno de las hojas de nuez y los parámetros de estructura del dosel determinados por métodos tradicionales.

二、Resultados y análisis

Determinación del rango del dosel, extracción del espectro del dosel y verificación de la exactitud Como se muestra en la figura 2, la nuezsuperposición del suelo y la sombra en cierta medida en todo el rango de banda de la imagen de teledetección del bosque de nuez de 5 añosEn el rango de banda de 520~600nm, la reflectividad espectral de las sombras es inferior a 0.10: la diferencia de reflexión espectral de la nuez y el suelo no se superpone, y la reflexión espectral de ambos es superior a 0,10 en este rango.la reflectividad espectral de la nuezLa reflexión espectral de la nuez es superior a 0,7 en el rango de 740-900 nm,y la reflectividad espectral de otra vegetación no objetivo es inferior a 0.7Dado que la reflectividad espectral de la nuez puede distinguirse de otras vegetaciones no objetivo en luz verde y banda infrarroja cercana, pero no en una o algunas bandas, no se puede calcular en ENVI5.3 softwarePor lo tanto, con el fin de facilitar el proceso de extracción sin problemas de la gama de canopy de nuez,en este estudio se selecciona la reflexión espectral máxima del dosel de la nuez en luz verde y banda infrarroja cercana Bw(550.7) y B ((779.4) fueron clasificados e identificados para determinar el rango del dosel. árbol de nuez, suelo y sombra se definen en el software ENVI5.3, es decir, cuando la reflexión espectral en B ((550.7) es menor o igual a 0.10 y la reflectividad espectral en B ((779.4) es igual o inferior a 0.20Cuando la reflectividad espectral en B ((550.7) es mayor que 0.10 y B; Cuando la reflectividad espectral en (779.4) es menor o igual a 0.70, se identifica como tierra y se elimina; cuando la reflectividad espectral en B ((550.7) es mayor que la en.0.10, la reflectividad espectral en B ((779.4) es mayor que 0.70, el árbol de nuez se identifica como la vegetación objetivo.

Además, se utilizó una máquina vectorial de soporte con buena generalización y precisión de clasificación para extraer el rango del dosel,y se comparó la precisión de la extracción de la gama de dosel basada en las características espectralesEn primer lugar, en el software ENVI5.3, los objetos en tierra en las imágenes de teledetección se dividen en árboles de nuez y otros dos tipos (figura 4), en los que el área roja es el dosel de la nuez,y la zona verde es la otraLa separabilidad entre los dos tipos de muestras fue de 1.998, y luego se seleccionó el clasificador SVM para la clasificación supervisada para obtener los resultados originales de clasificación (Fig. 5a).a menudo había algunos pequeños parches en los resultados de clasificaciónPor consiguiente, se adoptó el método de procesamiento de parches pequeños de mayoría para procesar los resultados preliminares de clasificación,y se obtuvieron los resultados de clasificación que satisfacen los requisitos reales (Figura 5b)Se verificó la exactitud de los resultados de clasificación y el coeficiente Kappa fue de 0.997, y la exactitud de la cartografía de la vegetación objetivo de la nuez fue del 99,65%.El software Matab2014b se utilizó para superponer el rango de canopy determinado en función de las características espectrales en este estudio con los píxeles del rango de canopy identificados por el método de la máquina de vector de soporte.Había 4257 píxeles superpuestos en el rango del dosel, y el número de píxeles del rango del dosel seleccionados en función de las características espectrales representó 96.77% del número de píxeles en la máquina vectorial de soporte, con una precisión de mapeo del 96,43%, alta precisión, resultados superpuestos se muestran en la Figura 6

En la actualidad, la aplicación de la cámara hiperespectral de los UAV para estimar el contenido de nitrógeno del dosel de la nuez se encuentra todavía en fase de desarrollo y mejora continuas.Con el progreso continuo de la tecnología, el rendimiento de las cámaras hiperspectrales mejorará aún más, la resolución espectral y la calidad de las imágenes serán más altas,y los métodos de procesamiento y análisis de datos serán más inteligentes y automatizadosAl mismo tiempo, el desarrollo de la tecnología de fusión de datos de múltiples fuentes, como la combinación de datos hiperespectrales con datos de lidar e infrarrojos térmicos,podrá obtener información más completa y precisa sobre el crecimiento de los nuecesAdemás, con la promoción en profundidad del concepto de agricultura de precisión, la agricultura de precisión se ha convertido en un medio de producción de productos agrícolas de alta calidad.Se espera que la tecnología de cámaras hiperespectral de UAV se utilice más ampliamente en el campo de la plantación de nueces, proporcionando un fuerte apoyo técnico para el desarrollo sostenible de la industria de las nueces.

En resumen, la cámara hiperespectral de los UAV, como tecnología avanzada de monitoreo de teledetección, tiene una amplia perspectiva y un gran potencial en la aplicación de la estimación del contenido de nitrógeno en el dosel de la nuez.Una estimación precisa y rápida del contenido de nitrógeno en el dosel de la nuez puede proporcionar una base científica para que los productores de nuez tomen decisiones de fertilización, lograr una fertilización precisa, mejorar la utilización de los fertilizantes, reducir el desperdicio de recursos y la contaminación del medio ambiente, y promover el desarrollo de alta calidad de la industria de las nueces.