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機(jī)載高光譜成像技術(shù)取得新突破,推動精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)再升級

更新時間:2025-02-27   點(diǎn)擊次數(shù):72次

麥姆斯咨詢報道,近期,伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign,以下簡稱:UIUC)一項(xiàng)研究表明,其開發(fā)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)和輻射傳輸模型的機(jī)載高光譜成像傳感器,可以提供更高的光譜和空間分辨率,有望進(jìn)一步為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮重要價值。



近年來,農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提升,但由于擔(dān)心農(nóng)作物產(chǎn)量低而導(dǎo)致的過度施肥,仍在持續(xù)不斷地對環(huán)境造成破壞。

肥料中過量的氮會進(jìn)入地下水,并最終作為溫室氣體的組成部分進(jìn)入大氣中,對環(huán)境造成影響。因此迫切需要一種可以對農(nóng)作物中氮成分進(jìn)行實(shí)時、無損和高空間分辨率的監(jiān)測方法。

目前,UIUC的一項(xiàng)研究成果展示了一種通過機(jī)載高光譜成像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法,該技術(shù)將對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮巨大價值。

該研究成果已發(fā)表于International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation期刊。UIUC研究團(tuán)隊(duì)通過將高光譜成像儀安裝在飛機(jī)上,實(shí)現(xiàn)了對玉米葉片氮成分和相關(guān)光合性狀的快速準(zhǔn)確檢測,據(jù)稱該研究成果是提出。

該高光譜成像儀裝有兩個傳感器,光譜范圍分別為400~1000nm和950~2500nm,可有效覆蓋可見光到短波紅外波段,且空間分辨率最小可達(dá)0.5m。

該研究的共同作者、UIUC的Sheng Wang說:“測量農(nóng)作物中的氮成分非常費(fèi)時費(fèi)力,不過,利用機(jī)載高光譜成像技術(shù)可以幫助我們對農(nóng)田作物進(jìn)行快速掃描,每英畝農(nóng)田只需幾秒鐘。"

“與衛(wèi)星成像等類似技術(shù)相比,機(jī)載高光譜成像技術(shù)可提供更高的光譜和空間分辨率。我們的研究方法實(shí)地測量和衛(wèi)星成像之間的空白,并為可持續(xù)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的農(nóng)作物氮管理提供了一種更具成本效益和更高精準(zhǔn)度的方法。"

利用機(jī)載高光譜成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)量化監(jiān)測

研究團(tuán)隊(duì)想要從農(nóng)作物光譜響應(yīng)中獲得感興趣的數(shù)據(jù)并不容易,該項(xiàng)研究所需的計(jì)算數(shù)據(jù)還包括農(nóng)作物的地面真實(shí)數(shù)據(jù),研究團(tuán)隊(duì)需要對田間農(nóng)作物葉片和冠層進(jìn)行實(shí)地測量,以便與機(jī)載高光譜成像傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

除了考量葉片模型、輻射傳輸、觀測角度和觀測時間因素之外,該研究計(jì)算方法還包括葉片冠層和土壤的反射率數(shù)據(jù),以及葉片和冠層上葉綠素、氮成分等可量化的關(guān)鍵農(nóng)作物性狀,以此綜合評估農(nóng)作物氮缺乏或過剩。

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可量化的農(nóng)作物性狀與土壤施肥率關(guān)系圖


研究團(tuán)隊(duì)在伊利諾斯州的農(nóng)田上空進(jìn)行了三次觀測,成功地監(jiān)測到了關(guān)鍵的葉片和冠層氮素特征,還包括一些與光合性狀和農(nóng)作物產(chǎn)量有關(guān)的特征,據(jù)研究團(tuán)隊(duì)稱,相關(guān)數(shù)據(jù)精度可高達(dá)85%。

“這些數(shù)據(jù)非常接近真實(shí)的地面檢測結(jié)果。"該研究的共同作者、UIUC自然資源與環(huán)境科學(xué)系的Kaiyu Guan說:“利用該機(jī)載高光譜成像傳感器,甚至可以取代地面農(nóng)作物實(shí)況數(shù)據(jù)采集,并且在精度上沒有太多損失。與此同時,我們還能以更低的成本監(jiān)測覆蓋更廣的區(qū)域。"

機(jī)載高光譜成像傳感器依賴其高精準(zhǔn)度的特性,有望成功在現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)中實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。UIUC希望此類高光譜成像儀未來能夠在NASA及其獨(dú)立承包商的空間任務(wù)中占據(jù)一席之地。

“人們無法對不可量化的事物進(jìn)行管控。"Kaiyu Guan說:“這正是我們?yōu)樵擁?xiàng)技術(shù)投入如此多精力的原因。"

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