高光譜相機(jī)解決方案

  • 無人機(jī)高光譜相機(jī)對(duì)核桃冠層氮素含量的估算應(yīng)用

  • 信息來源：彩譜品牌廠家   瀏覽次數(shù)：145    發(fā)表時(shí)間：2025-01-09
  • 核桃是我國重要的堅(jiān)果類果樹和木本油料樹種,以其獨(dú)特的風(fēng)味和豐富的營養(yǎng)價(jià)值名列世界四大干果之首。果實(shí)膨大期是核桃果實(shí)發(fā)育過程的第1個(gè)時(shí)期,該時(shí)期如營養(yǎng)不足將直接影響后期果實(shí)的品質(zhì)及產(chǎn)量。因此,核桃果實(shí)膨大期氮素含量的監(jiān)測和診斷對(duì)及時(shí)掌控樹體長勢(shì)調(diào)整精細(xì)化管理方案具有重要意義。
    本研究應(yīng)用了400-1000nm的高光譜相機(jī)，可采用杭州彩譜科技有限公司產(chǎn)品FS60進(jìn)行相關(guān)研究。光譜范圍在400-1000nm，波長分辨率優(yōu)于2.5nm，可達(dá)1200個(gè)光譜通道。采集速度全譜段可達(dá)128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。

    一、前期準(zhǔn)備

    利用無人機(jī)高光譜相機(jī)對(duì)核桃冠層氮素含量進(jìn)行估算，首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。選擇合適的無人機(jī)平臺(tái)搭載高光譜相機(jī)，在核桃園上空按照預(yù)定的航線和高度進(jìn)行飛行作業(yè)。在飛行過程中，高光譜相機(jī)以一定的時(shí)間間隔或空間間隔對(duì)核桃冠層進(jìn)行成像，獲取大量的高光譜圖像數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，還需要在地面同步采集一些參考數(shù)據(jù)，如利用傳統(tǒng)方法測定的核桃葉片氮素含量、冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

    二、結(jié)果與分析

    冠層范圍確定及冠層光譜的提取與精度驗(yàn)證由圖2可知,5年生核桃林地遙感影像內(nèi),核桃、土壤和陰影在全波段范圍內(nèi)存在一定程度的重疊。在波段520~600nm范圍內(nèi),陰影的光譜反射率均小于0.10:核桃和土壤的光譜反射率差異明顯未出現(xiàn)重疊現(xiàn)象,在該范圍內(nèi)兩者的光譜反射率大于0.10。在波段750~1000nm范圍內(nèi),核桃、土壤和陰影的光譜反射率差異明顯,核桃的光譜反射率在波段740~900nm 區(qū)間內(nèi)大于0.7,其余非目標(biāo)植被的光譜反射率均小于0.7。由于核桃光譜反射率在綠光和近紅外波段區(qū)間內(nèi)可區(qū)別于其它非目標(biāo)植被,而不是某一個(gè)或某些波段,導(dǎo)致無法在ENVI5.3軟件中進(jìn)行運(yùn)算,因此為方便核桃冠層范圍提取過程的順利進(jìn)行,本研究選用綠光和近紅外兩個(gè)波段區(qū)間內(nèi)核桃樹冠層光譜反射率最大值所對(duì)應(yīng)的Bw(550.7)和B(779.4)進(jìn)行分類識(shí)別,從而確定冠層范圍。在ENVI5.3軟件中對(duì)核桃樹、土壤和陰影進(jìn)行定義,即當(dāng)B(550.7)處的光譜反射率小于等于0.10且B(779.4)處的光譜反射率小于等于0.20時(shí),識(shí)別為陰影并剔除;當(dāng)B(550.7)處的光譜反射率大于0.10且B;(779.4)處的光譜反射率小于等于0.70時(shí),識(shí)別為土壤并剔除;當(dāng)B(550.7)處光譜反射率大于0.10目B(779.4)處的光譜反射率大于0.70時(shí),識(shí)別為目標(biāo)植被核桃樹。
    最終,根據(jù)NDVI、RVI和DV植被指數(shù)公式，計(jì)算獲得72株核桃樹的植被指數(shù)特征值及冠層光譜反射率,如圖3所示。
    本文另外采用具有較好推廣性和分類準(zhǔn)確率的支持向量機(jī)進(jìn)行冠層范圍的提取,對(duì)比基于光譜特征方法提取冠層范圍的精準(zhǔn)性。首先,在ENVI5.3軟件中,將遙感影像中的地物分為核桃樹和其它兩類(圖4),其中紅色區(qū)域?yàn)楹颂覙涔趯?綠色區(qū)域?yàn)槠渌?。兩類樣本之間的可分離性為1.998,再選擇SVM分類器進(jìn)行監(jiān)督分類得到原始分類結(jié)果(圖5a),但該分類結(jié)果往往存在一些面積極小的斑塊,其精度難以達(dá)到最終應(yīng)用的目的。因此采用Majority小斑塊處理方法對(duì)初步分類結(jié)果進(jìn)行處理,得到滿足實(shí)際需求的分類結(jié)果(圖5b),并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證,其Kappa系數(shù)為0.997,目標(biāo)植被核桃的制圖精度為99.65%。最后,通過Matab2014b軟件,將本研究基于光譜特征確定的冠層范圍與支持向量機(jī)方法識(shí)別的冠層范圍像素點(diǎn)進(jìn)行重疊,其重合區(qū)域像素點(diǎn)為4257個(gè),基于光譜特征篩選的冠層范圍像素點(diǎn)個(gè)數(shù)占支持向量機(jī)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的96.77%,制圖精度為96.43%,精度較高,重疊結(jié)果如圖6所示
    目前，無人機(jī)高光譜相機(jī)在核桃冠層氮素含量估算方面的應(yīng)用還處于不斷發(fā)展和完善的階段。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高光譜相機(jī)的性能將進(jìn)一步提升，光譜分辨率和成像質(zhì)量將更高，數(shù)據(jù)處理和分析方法也將更加智能化和自動(dòng)化。同時(shí)，多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展，如將高光譜數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、熱紅外數(shù)據(jù)等相結(jié)合，將能夠更全面、準(zhǔn)確地獲取核桃樹的生長信息，進(jìn)一步提高氮素含量估算的精度和可靠性。此外，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)理念的深入推廣，無人機(jī)高光譜相機(jī)技術(shù)有望在核桃種植領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)核桃產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
    綜上所述，無人機(jī)高光譜相機(jī)作為一種先進(jìn)的遙感監(jiān)測技術(shù)，在核桃冠層氮素含量的估算應(yīng)用中具有廣闊的前景和巨大的潛力。通過準(zhǔn)確、快速地估算核桃冠層氮素含量，能夠?yàn)楹颂曳N植者提供科學(xué)的施肥決策依據(jù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥，提高肥料利用率，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，進(jìn)而促進(jìn)核桃產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
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    彩譜科技（浙江）有限公司的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水質(zhì)、塑膠制品、涂料、食品安全及醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等領(lǐng)域，應(yīng)用范疇持續(xù)拓展。公司堅(jiān)持技術(shù)研發(fā)，提升服務(wù)水平，保障產(chǎn)品穩(wěn)定性。公司主營多光譜相機(jī)、色差儀、分光測色儀、光澤度儀等一系列光學(xué)檢測設(shè)備，能為用戶提供有效解決方案。
     
     
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