基于热红外图像的小麦花后氮含量估算研究

【作者】 李瑞； 王敦亮； 刘涛； 张祖建； 孙成明；

【机构】 江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室； 江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心扬州大学；

【摘要】 【研究背景】小麦作为世界三大粮食作物之一,在我国种植面积广、种植比例大,小麦的高产稳产对保障粮食安全、发展国民经济具有重要意义。作物温度是作物对外界环境如光照强度、大气温度、相对湿度和空气流动性等响应的一个重要指标,也是表现作物一定生理过程的变化参数。冠层温度是作物温度的重要组成,具体是指作物冠层包括上部的茎、叶以及生育后期的穗等部分表面温度的平均值,是冠层与外界进行能量交换的结果。国内外众多研究表明,冠层温度变化与作物自身调节、环境因素影响有关,其差异不仅影响作物呼吸、光合、蒸腾等过程,而且对蛋白质和淀粉的合成也产生巨大影响。【材料与方法】本研究以扬麦23为供试材料,通过选用16种对小麦植株氮含量有较好预测性的图像特征参数,具体包括红光指数(R)、绿光指数(G)、蓝光指数(B)、绿红差值(G-R)、绿红比值(G/R)、超绿值(2*NGI-NRI-NBI)、超红值(1.4*NRI-NBI)、超绿超红差值(ExG-ExR)、归一化红光指数[R/(R+G+B)]、归一化绿光指数[G/(R+G+B)]、归一化蓝光指数[B/(R+G+B)]、归一化红绿差值指数[(NRI-NGI)/(NRI+NGI+0.01)]、归一化红蓝差值指数[(NRI-NBI)/(NRI+NBI+0.01)]、归一化植被指数[(G-R)/(G+R)]、叶片温度(LT)和穗部温度(PT),运用Pearson相关分析计算小麦花后氮素含量与图像特征参数的相关系数并分析其相关性,应用多元线性回归(MLR)分析建立小麦花后叶片氮含量估测模型和穗部氮含量估测模型。【结果与分析】不同种植密度下施氮量处理对小麦花后冠层温度日变化的影响基本一致,均呈现先上升后下降的变化趋势,且日间温度最大值出现在12:00-16:00。小麦花后冠层温度与种植密度和氮肥水平显著相关,一般N0水平下的小麦冠层温度最高,N300的冠层温度最低。花后冠层温度与植株氮含量间的关系为极显著负相关(P<0.01),具体表现为花后7d>花后14d>花后21d。利用图像处理技术提取小麦温度信息,通过分析图像特征参数和小麦植株温度与花后氮含量的相关关系,分别构建小麦花后叶片氮含量及穗部氮含量最佳估测模型,结果表明,应用多元线性回归分析构建的小麦花后叶片氮含量估测模型的R~2值在花后7d时最高,随生育期的推移R~2呈下降趋势,但在不同密肥处理下,建模过程中R~2均在0.82以上,RMSE较小,早期估测模型的R2在0.90以上;花后7d的叶片氮含量估测模型准确率最高,花后21d的准确率最低,但不同时期的估测模型R~2均在0.80以上。此外,相对于基于植株温度的单因素估测模型,应用多元线性回归构建的小麦叶片氮含量估测模型,其拟合效果更好。花后穗部氮含量估测模型结果表明,应用多元线性回归分析进行建模时,其模型R~2均超过0.74,且随着生育时期的推移,R~2呈上升趋势。不同花后生育时期下的估测模型RMSE较小,花后21d估测模型的R~2为0.872,花后7d穗部氮含量估测模型R~2为0.743,模型检验的R~2均在0.67以上。因此,小麦花后穗部氮含量回归模型较之单因素估测模型,其模型拟合效果更好,精度更高。【结论】利用温度和提取的图像颜色特征参数建立小麦花后叶片氮含量回归模型以及穗部氮含量回归模型,无论是叶片还是穗部氮含量模型,决定系数R~2均高于单因素估测模型,且模型检验效果良好,由此表明,利用热红外图像温度数据结合RGB图像颜色特征参数可以很好地实现小麦花后植株的氮含量估测。更多还原