基于冠层RGB图像的冬小麦氮素营养指标监测
发布时间：2021-11-26 16:17
[目的]本文旨在探索基于冬小麦冠层RGB图像的氮素营养指标实时监测方法,为实现简便、准确的冬小麦氮素营养诊断和推荐施肥奠定基础。[方法]基于3年次的冬小麦大田氮肥梯度试验,采用数码相机在返青期和拔节期垂直拍摄冠层RGB图像。分析图像特征参数绿红通道比值（G/R）、绿红通道差值（GMR）、红光标准化值（NRI）、绿光标准化值（NGI）、色相（H）和冠层覆盖度（CC）与植株氮素生理指标间的关系,筛选氮素营养监测指标的最优图像特征参数,构建氮素营养指标估算模型。[结果]CC与冬小麦地上部生物量、氮积累量和叶面积指数（LAI）三者间的相关系数最高,分别为0.87、0.85和0.84（P<0.01）;其他特征参数与三者间的相关系数相对较低,其中H为0.81、0.77和0.79,NRI为-0.80、-0.77和-0.77,G/R为0.73、0.63和0.76,GMR为0.66、0.67和0.63。采用CC作为冬小麦氮素营养指标估算模型的输入参数,并分别使用异速生长函数和指数函数建立地上部生物量、氮积累量和LAI估算模型,异速生长函数这3个指标的估算模型R2分别为0.82...
【文章来源】：南京农业大学学报. 2020,43(05)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
冬小麦冠层原始图像(a)与采用GMR阈值法的分割图像(b)
图像的CC与冬小麦地上部生物量、氮积累量和LAI间相关系数最高,与其他图像特征参数相比,CC的获取较为简单,且不受拍摄时外界环境条件的影响。因此,本文选择CC作为自变量建立地上部生物量、氮积累量和LAI的估算模型。对试验1‘扬麦25’2年的试验数据绘制散点图(图2),结果显示:CC与冬小麦地上部生物量、氮积累量和LAI间均呈指数变化关系,3个指标均随CC的增长呈指数增加趋势;当CC较小时,增长较为缓慢,随着CC的增加,3个指标的增长速率持续增加,冬小麦CC最大值出现在0.9附近。分别采用异速生长函数式(5)和指数函数式(6)对其进行拟合,CC与地上部生物量、氮积累量和LAI间的决定系数在2个模型中存在一定差异(表3)。CC与地上部生物量和氮积累量间的回归分析结果显示:采用异速生长函数的回归分析决定系数较高,分别达到0.82和0.76(P<0.01);而采用指数函数的回归分析决定系数较低,分别为0.80和0.74(P<0.01)。与地上部生物量和氮积累量间的回归分析结果相反,LAI与CC间的回归分析结果显示:采用指数函数进行回归分析的决定系数较高,达到0.85(P<0.01);而采用异速生长函数的回归分析决定系数为0.82(P<0.01)。回归分析RMSE在不同指标和回归模型间的变化规律与决定系数的高低有关,决定系数较高的模型,RMSE较低。
分别对试验1的2年数据单独进行回归分析,结果显示:无论是采用异速生长函数的模型还是采用指数函数的模型,地上部生物量和氮积累量与CC间的决定系数均为2016—2017年较高,LAI与CC间的决定系数在2017—2018年较高。相同模型下,2年回归分析决定系数间差值约为11.2%。将采用异速生长函数和指数函数的回归分析结果进行对比,发现地上部生物量和氮积累量与CC间的回归模型采用异速生长函数具有较高的决定系数,LAI与CC间的回归模型采用指数函数具有较高的决定系数。2.3 模型验证
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于消费级无人机搭载数码相机监测小麦长势状况研究[J]. 江杰,张泽宇,曹强,田永超,朱艳,曹卫星,刘小军. 南京农业大学学报. 2019(04)
[2]氮肥运筹对潮土冬小麦/夏玉米产量及氮肥利用率的影响[J]. 张伟纳,刘宇娟,董成,谢迎新,马冬云,赵旭,岳艳军,王晨阳,郭天财. 土壤学报. 2019(01)
[3]基于手机相机获取冬小麦冠层数字图像的氮素诊断与推荐施肥研究[J]. 夏莎莎,张聪,李佳珍,李红军,张玉铭,胡春胜. 中国生态农业学报. 2018(04)
[4]无人机搭载数码相机航拍进行小麦、玉米氮素营养诊断研究[J]. 李红军,李佳珍,雷玉平,张玉铭. 中国生态农业学报. 2017(12)
[5]基于图像处理的冬小麦氮素监测模型[J]. 陈佳悦,姚霞,黄芬,刘勇,于琪,王妮,徐焕良,朱艳. 农业工程学报. 2016(04)
[6]基于养分专家系统的小麦-玉米推荐施肥效应研究[J]. 王宜伦,白由路,王磊,刘举,韩燕来,谭金芳. 中国农业科学. 2015(22)
[7]近10年中国大陆主要粮食作物氮肥利用率分析[J]. 于飞,施卫明. 土壤学报. 2015(06)
[8]玉米作物多光谱图像精准分割与叶绿素诊断方法研究[J]. 吴倩,孙红,李民赞,宋媛媛,张彦娥. 光谱学与光谱分析. 2015(01)
[9]滴灌春小麦氮素营养诊断施肥方法研究[J]. 朱云,史力超,冶军,侯振安,祁桥伟,石淑鑫. 麦类作物学报. 2015(01)
[10]基于高光谱的冬小麦氮素营养指数估测[J]. 王仁红,宋晓宇,李振海,杨贵军,郭文善,谭昌伟,陈立平. 农业工程学报. 2014(19)
本文编号：3520508
【文章来源】：南京农业大学学报. 2020,43(05)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
冬小麦冠层原始图像(a)与采用GMR阈值法的分割图像(b)
图像的CC与冬小麦地上部生物量、氮积累量和LAI间相关系数最高,与其他图像特征参数相比,CC的获取较为简单,且不受拍摄时外界环境条件的影响。因此,本文选择CC作为自变量建立地上部生物量、氮积累量和LAI的估算模型。对试验1‘扬麦25’2年的试验数据绘制散点图(图2),结果显示:CC与冬小麦地上部生物量、氮积累量和LAI间均呈指数变化关系,3个指标均随CC的增长呈指数增加趋势;当CC较小时,增长较为缓慢,随着CC的增加,3个指标的增长速率持续增加,冬小麦CC最大值出现在0.9附近。分别采用异速生长函数式(5)和指数函数式(6)对其进行拟合,CC与地上部生物量、氮积累量和LAI间的决定系数在2个模型中存在一定差异(表3)。CC与地上部生物量和氮积累量间的回归分析结果显示:采用异速生长函数的回归分析决定系数较高,分别达到0.82和0.76(P<0.01);而采用指数函数的回归分析决定系数较低,分别为0.80和0.74(P<0.01)。与地上部生物量和氮积累量间的回归分析结果相反,LAI与CC间的回归分析结果显示:采用指数函数进行回归分析的决定系数较高,达到0.85(P<0.01);而采用异速生长函数的回归分析决定系数为0.82(P<0.01)。回归分析RMSE在不同指标和回归模型间的变化规律与决定系数的高低有关,决定系数较高的模型,RMSE较低。
分别对试验1的2年数据单独进行回归分析,结果显示:无论是采用异速生长函数的模型还是采用指数函数的模型,地上部生物量和氮积累量与CC间的决定系数均为2016—2017年较高,LAI与CC间的决定系数在2017—2018年较高。相同模型下,2年回归分析决定系数间差值约为11.2%。将采用异速生长函数和指数函数的回归分析结果进行对比,发现地上部生物量和氮积累量与CC间的回归模型采用异速生长函数具有较高的决定系数,LAI与CC间的回归模型采用指数函数具有较高的决定系数。2.3 模型验证
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于消费级无人机搭载数码相机监测小麦长势状况研究[J]. 江杰,张泽宇,曹强,田永超,朱艳,曹卫星,刘小军. 南京农业大学学报. 2019(04)
[2]氮肥运筹对潮土冬小麦/夏玉米产量及氮肥利用率的影响[J]. 张伟纳,刘宇娟,董成,谢迎新,马冬云,赵旭,岳艳军,王晨阳,郭天财. 土壤学报. 2019(01)
[3]基于手机相机获取冬小麦冠层数字图像的氮素诊断与推荐施肥研究[J]. 夏莎莎,张聪,李佳珍,李红军,张玉铭,胡春胜. 中国生态农业学报. 2018(04)
[4]无人机搭载数码相机航拍进行小麦、玉米氮素营养诊断研究[J]. 李红军,李佳珍,雷玉平,张玉铭. 中国生态农业学报. 2017(12)
[5]基于图像处理的冬小麦氮素监测模型[J]. 陈佳悦,姚霞,黄芬,刘勇,于琪,王妮,徐焕良,朱艳. 农业工程学报. 2016(04)
[6]基于养分专家系统的小麦-玉米推荐施肥效应研究[J]. 王宜伦,白由路,王磊,刘举,韩燕来,谭金芳. 中国农业科学. 2015(22)
[7]近10年中国大陆主要粮食作物氮肥利用率分析[J]. 于飞,施卫明. 土壤学报. 2015(06)
[8]玉米作物多光谱图像精准分割与叶绿素诊断方法研究[J]. 吴倩,孙红,李民赞,宋媛媛,张彦娥. 光谱学与光谱分析. 2015(01)
[9]滴灌春小麦氮素营养诊断施肥方法研究[J]. 朱云,史力超,冶军,侯振安,祁桥伟,石淑鑫. 麦类作物学报. 2015(01)
[10]基于高光谱的冬小麦氮素营养指数估测[J]. 王仁红,宋晓宇,李振海,杨贵军,郭文善,谭昌伟,陈立平. 农业工程学报. 2014(19)
本文编号：3520508
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