北京理加联合科技有限公司

LICA United Technology Limited

服务热线: 13910499761 010-51292601
企业邮箱
应用支持 Application Support
News 应用支持

使用无人机高光谱图像和小型校准数据集对田间土壤有机质进行高分辨率测绘

日期: 2024-04-15
浏览次数: 340

中国农业发生于新石器时代。中国农业的生产结构包括种植业、林业、畜牧业、渔业和副业;但数千年来一直以种植业为主。

东北地区的黑土地,是宝贵的农业资源。黑土地的土壤富含有机质,深黑色的沃土,沉甸甸的感觉让人感受到这片土地的肥沃。

在现代农业生产中,科技的应用在这片沃土上也发挥着至关重要的作用,科研团队利用机载高光谱对黑土地的土壤有机质做了相关研究。

使用无人机高光谱图像和小型校准数据集对田间土壤有机质进行高分辨率测绘

使用无人机高光谱图像和小型校准数据集对田间土壤有机质进行高分辨率测绘

快速获取田间尺度土壤有机质(SOM)的高分辨率空间分布对于精准农业至关重要。无人机成像高光谱技术以其高空间分辨率和时效性,可以填补地面监测和遥感的研究空白。本研究旨在测试在中国东北典型低地势黑土地区使用无人机高光谱数据(400–1000 nm)和小型校准样本集进行1 m分辨率SOM绘图的可行性。

该实验在大约20公顷的土地上进行。为了进行校准,使用 100 × 100 m 网格采样策略收集了 20 个样品,同时随机收集了 20 个样品进行独立验证。无人机捕获空间分辨率为0.05×0.05 m的高光谱图像。

然后对每 1 × 1 m 内提取的光谱进行平均以代表该网格的光谱。在应用各种光谱预处理(包括吸光度转换、多重散射校正、Savitzky-Golay 平滑滤波和一阶微分)后,SOM 光谱相关系数的绝对最大值从 0.41 增加到 0.58。最佳随机森林(RF)模型的重要性分析表明,SOM 的特征波段位于 450-600 和 750-900 nm 区域。当使用RF模型时,无人机高光谱数据(UAV-RF)能够成功预测SOM,R 为0.53,RMSE为1.48 g kg−1。

然后将预测精度与使用相同数量校准样本的普通克里金法(OK)和基于近端传感的射频模型(PS-RF)获得的预测精度进行比较。然而,由于采样密度较低,OK 方法无法预测 SOM 精度(RMSE = 2.17 g kg−1;R2 = 0.02)。半协方差函数无法有效描述SOM的空间变异性。当采样密度增加到50×50 m时,OK成功预测了SOM,RMSE = 1.37 g kg−1,R2 = 0.59,其结果与UAV-RF的结果相当。PS-RF的预测精度与UAV-RF基本一致,RMSE值分别为1.41 g kg−1和1.48 g kg−1,R2值分别为0.57和0.53,表明基于UAV的SOM预测是可行的。

此外,与PS平台相比,无人机高光谱技术可以同时提供数十甚至数百个连续波段的光谱信息和空间信息。该研究为进一步研究和开发无人机高光谱技术进行少量样本精细尺度SOM测绘提供了参考。

使用无人机高光谱图像和小型校准数据集对田间土壤有机质进行高分辨率测绘

研究区土壤样本分布

研究区域位于中国吉林省梨树县,面积20公顷。该地区属季风气候,年平均降水量553.5毫米,平均气温6.5℃。此外,它的特点是地势平坦,平均海拔160 m。由于这些特征,该地区成为北半球三大富含有机质的黑土地之一,主要农作物是大豆。

使用无人机高光谱图像和小型校准数据集对田间土壤有机质进行高分辨率测绘

Resonon-Pika-L 机载高光谱成像仪

本研究采用Resonon公司的Resonon-Pika-L高光谱成像仪由高光谱成像光谱仪、六旋翼无人机、GPS和计算机组成。于2020年6月15日获取了覆盖整个研究区、像素大小为0.05×0.05 m的高光谱图像。高光谱图像提取的光谱范围为400~1000 nm,光谱分辨率为2.1 nm。

使用无人机高光谱图像和小型校准数据集对田间土壤有机质进行高分辨率测绘

经过 (a) 吸光度转换、(b) 乘性散射校正、(c) Savitzky–Golay 后土壤有机质 (SOM) 与土壤光谱特征的相关系数(窗口大小为 5,拟合次数为 2) )和(d)一阶导数方法。

根据Pearson相关系数的绝对值评价预处理方法的性能,以选择最佳的预处理方法组合。如所示,基于吸光度转换的MSC后,最小相关系数值发生变化(450-500 nm处为-0.4-0.6),总体相关系数在600-700 nm处增加,相关系数绝对值最大 在 700–800 nm 处增加,相关系数发生变化(800–900 nm 处为 -0.35–0.3 至 -0.5–0.3)。

使用无人机高光谱图像和小型校准数据集对田间土壤有机质进行高分辨率测绘

使用无人机高光谱 (UAV-RF) 预测土壤有机质 (SOM) 的 RF 模型的重要性分析 (a) 和图 (b)

本研究比较了使用无人机高光谱数据、观测到的土壤数据和 RF 模型进行田间尺度 SOM 预测的 OK 技术。

研究结果如下

01 吸光度转换、MSC、SG 和 FD 技术对SOM的预测效果良好。经过这些预处理后,光谱和 SOM 之间的绝对最大相关系数从 0.41 增加到 0.58。

02 SOM的特征波段位于450-600 nm和750-900 nm,这可能是由于O-H、C-H和N-H特征官能团的振动频率造成的。

03 采用100 m × 100 m网格采样设计,UAV-RF模型预测SOM的R2为0.53,RMSE为1.48 g kg−1,而采用相同采样策略的OK方法未能预测SOM(RMSE = 2.17g kg−1;R2 = 0.02)。预测精度较差是因为样本密度低从而削弱了半协方差函数描述SOM空间变异性的能力。只有当采样密度增加时,才能使用 OK 成功预测 SOM,其结果与UAV-RF相当。

04 基于PS-RF的SOM预测结果与基于UAV-RF的预测结果基本一致,RMSE值为1.41 g kg−1和1.48 g kg−1,R2值为0.57和0.53。这些研究结果为未来研究和发展无人机高光谱技术在减少样本量的情况下进行SOM预测提供了参考。


请点击下方链接,阅读原文:

https://mp.weixin.qq.com/s/rQg24iUDAQZruT1teTP2Kg


News / 相关新闻 More
2026 - 10 - 26
研究背景漂流木在海岸生态系统中扮演着重要角色,既能拦截泥沙、保护沙丘,也能为动物栖息和植被生长提供条件。然而,漂流木常因影响海滩景观而被清理,因此,如何准确识别其分布,成为海岸带生态监测与管理的重要课题。遥感技术为地表材料识别与海岸环境监测提供了有效手段。无人机凭借高空间分辨率和灵活的采集方式,为海滩精细化调查创造了条件,但目前漂流木遥感研究仍主要集中于河流、湖泊等环境,针对海滩场景的高光谱识别研究相对有限。针对这一问题,法国佩皮尼昂大学CEFREM研究团队结合地面光谱测量与无人机高光谱影像,分析漂流木与其他地表材料的光谱差异,并比较多种分类算法的识别表现,为高光谱技术应用于海滩漂流木监测提供了研究依据。图1.研究区域的地理位置、漂流木堆积物的详细测绘图,以及本研究部分内容所用裁剪图像的范围界定。此外,还包括漂流木与芦竹样方照片,以及背景中可见的自然海滩漂浮物堆积线。研究方法研究区域:本研...
2026 - 10 - 26
研究背景真菌病原可通过侵染植物组织、损害光合作用和养分吸收,降低草地生产力。放牧是影响草地生态系统的重要人为活动,既可能通过移除染病组织抑制病害,也可能因造成组织损伤、改变宿主组成和土壤养分而增加感染风险。然而,现有研究主要关注地上叶部病害,对土壤这一潜在病原库及其与叶部病害的联系认识不足。不同放牧强度如何影响土壤病原真菌,并进一步关联植物群落叶部病害,仍缺乏试验证据。为此,兰州大学与青海大学研究团队依托青藏高原高寒草甸连续开展8年的放牧试验,结合叶部病害调查、土壤真菌分析和土壤养分测定,系统评估不同放牧强度对土壤病原真菌与植物群落叶部病害的影响,进一步解析二者的关联及潜在作用机制。相关成果发表于 《Frontiers in Plant Science》。图1.两种优势物种:矮嵩草和旱生苔草的叶斑症状及菌落形态。(a, d)田间症状;(b, e)在PDA培养基上23°C培养7天后...
2026 - 09 - 24
研究背景在干旱荒漠绿洲地区,农业生产与生态系统稳定高度依赖有限的水资源。农田防护林在防风固沙、改善田间微气候的同时,也会与林缘作物竞争水分,改变邻近农田的土壤水分分布。现有研究多以土壤含水量评价这种影响,对林木与作物取水来源及其重叠程度的认识仍不充分,也难以解释水分竞争下的土壤微生物功能变化。不同林带结构如何改变作物取水来源,并影响微生物的渗透调节与碳代谢,仍有待明确。为此,北京林业大学肖辉杰老师团队以新疆杨—玉米复合系统为对象,结合氢氧稳定同位素示踪与宏基因组测序,比较不同林龄和行数配置下的水分竞争格局,分析其与土壤微生物功能变化的关系,为干旱区农田防护林配置及水分管理提供科学依据。相关研究发表于《Applied Soil Ecology》。图1.a) 利用无人机(UAV)拍摄的试验样地航拍图,展示了每种样地类型(A–F)的四个重复之一。b) 展示各样地内采样点与样线布局的示意图。c) ...
2026 - 09 - 16
研究背景植物胁迫会引起叶片细胞结构和色素组成的改变,但现有检测方法难以兼顾无损分析、组织分层与光谱表征。传统视觉和RGB成像灵敏度有限,生化与分子检测具有破坏性,常规高光谱成像缺乏深层结构信息,而高分辨率显微技术又难以同步获取连续光谱。因此,亟需构建兼具高空间分辨率、高光谱分辨率和光学层析能力的成像平台,实现完整叶片结构与色素变化的同步、分层和无损检测。近日,新加坡南洋理工大学与曼尼帕尔高等教育学院曼尼帕尔理工学院的研究人员开发了一套结构光照明高光谱显微镜。该系统将结构光照明显微成像的光学层析能力与高光谱成像的精细光谱识别能力结合,可对完整叶片开展分层、无损的结构与色素表征。相关成果发表于《Information Processing in Agriculture》。图1.结构光照明高光谱显微镜实验方案。研究方法研究团队构建了结构光照明高光谱显微镜(SIHM),以超连续谱激光器为光源,通过...
【关闭窗口】【打印】
Copyright ©2018-2023 北京理加联合科技有限公司
犀牛云提供企业云服务

北京理加联合科技有限公司

地址:北京市海淀区安宁庄东路18号光华创业园5号楼(生产研发)
          光华创业园科研楼四层
电话:13910499761 13910124070  010-51292601
传真:010-82899770-8014
邮箱:info@li-ca.com
邮编:100085

 



 


 


  • 您的姓名:
  • *
  • 公司名称:
  • *
  • 地址:
  • *
  • 电话:
  • *
  • 传真:
  • *
  • 电子邮箱:
  • *
  • 邮政编码:
  • *
  • 留言主题:
  • *
  • 详细说明:
  • *
在线留言
关注我们
  • 官方微信
  • 官方手机端
友情链接:
X
1

QQ设置

3

SKYPE 设置

4

阿里旺旺设置

等待加载动态数据...

等待加载动态数据...

5

电话号码管理

  • 010-51292601
6

二维码管理

等待加载动态数据...

等待加载动态数据...

展开