付虹雨，趙亮，王輝，崔國賢,2*，佘瑋，曹曉蘭，劉婕儀，劉皖慧，王昕惠

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所，湖南 長沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128；3.保險(xiǎn)職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410000)

苧麻作為特色經(jīng)濟(jì)作物和纖維作物，是中國重要的紡織工業(yè)原料和傳統(tǒng)出口創(chuàng)匯產(chǎn)品。氮素是苧麻生長發(fā)育過程中主要的養(yǎng)分限制元素和產(chǎn)量影響元素之一[1-2]，不合理的氮供應(yīng)不僅會(huì)對苧麻的品質(zhì)和產(chǎn)量造成影響，還會(huì)降低氮肥的利用率，造成環(huán)境污染[3]。因此，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行苧麻氮素營養(yǎng)診斷以掌握營養(yǎng)豐缺狀況，對合理控制氮肥用量、促進(jìn)苧麻生長具有重要意義。

冠層葉片色彩分析是作物氮素營養(yǎng)診斷的重要手段，其主要原理是利用作物不同氮水平下葉色變化來反映氮素豐缺。隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，基于冠層葉片色彩分析的氮素診斷方法逐漸由定性或半定量向精準(zhǔn)定量的方向發(fā)展。如何彩蓮等[4]利用數(shù)碼相機(jī)分析了不同施氮水平下，圖像色彩數(shù)字化指標(biāo)評估不同生育時(shí)期馬鈴薯氮含量的效果。張玨等[5]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析了r、G/B、G-R等9個(gè)顏色參數(shù)與甜菜不同生育期冠層葉片含氮量的相關(guān)性。數(shù)字圖像氮素診斷技術(shù)以其無損、準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn)在甜菜[6]、夏玉米、黃瓜[7]、棉花[8-9]、油菜[10]等作物中得到廣泛研究，充分證明數(shù)字圖像色彩參數(shù)可作為診斷氮素狀況的良好指標(biāo)。

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，以無人機(jī)遙感為代表的高效無損診斷平臺(tái)受到廣泛的關(guān)注[11-12]，成為解決快速獲取大范圍作物冠層圖像問題的關(guān)鍵。在基于無人機(jī)遙感系統(tǒng)的氮素診斷研究上，魏鵬飛等[13]利用無人機(jī)-多光譜遙感系統(tǒng)獲取夏玉米3個(gè)關(guān)鍵生育期的多光譜影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對夏玉米葉片氮含量的較高精度監(jiān)測。張玲等[14]利用無人機(jī)對夏玉米不同生育期的冠層氮素營養(yǎng)進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果確定G/(R+G+B)和G/L可作為氮素營養(yǎng)動(dòng)態(tài)診斷的最佳色彩參數(shù)。高開秀等[15]基于無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)獲取的寬波段植被指數(shù)對不同時(shí)期冬油菜冠層氮素營養(yǎng)狀況進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明，紅光標(biāo)準(zhǔn)值和藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)值與傳統(tǒng)氮測量指標(biāo)極顯著相關(guān)。綜上所述，基于無人機(jī)遙感圖像的作物氮素診斷是可行的，但是受作物品種以及生育時(shí)期等因素影響，表征作物氮素營養(yǎng)狀況的敏感色彩參數(shù)各有差異。如G/(R+G+B)為診斷黃瓜結(jié)果期[16]以及夏玉米十葉期[17]氮素營養(yǎng)狀況的適宜參數(shù)，而R/(R+G+B)為冬油菜蕾薹期[18]以及水稻拔節(jié)期[19]氮素營養(yǎng)預(yù)測的最佳色彩指標(biāo)。因此，選取合適的觀測生育時(shí)期以及敏感顏色參數(shù)，對準(zhǔn)確評估作物營養(yǎng)狀況具有重要意義。

綜合前人在數(shù)字圖像氮素診斷方面的研究進(jìn)展，當(dāng)前研究傾向于以地面獲取的作物冠層數(shù)字圖像為材料，而基于無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行較大面積作物氮素診斷的研究較少；分析常見數(shù)字圖像色彩參數(shù)的研究較多，而構(gòu)建特定作物敏感顏色參數(shù)的研究較少。為此本文以苧麻為研究對象，基于無人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取的苧麻冠層葉片數(shù)碼圖像，首先在HSV色彩通道中對苧麻植株進(jìn)行分割，提取苧麻圖像的紅、綠和藍(lán)通道的平均DN(digital number)值，進(jìn)而計(jì)算12個(gè)色彩參數(shù)，然后分析各色彩參數(shù)與葉片氮含量之間的關(guān)系，結(jié)合主成分分析法篩選最適合苧麻氮素監(jiān)測的數(shù)字化圖像參數(shù)，以期進(jìn)一步提升應(yīng)用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行苧麻營養(yǎng)監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為湖南省長沙市芙蓉區(qū)湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園教學(xué)基地(28°11’01.981″ N，113°04’10.159″ E)，位于長江流域中部，屬典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。該地降水充沛，光熱條件良好，地形平坦，利于無人機(jī)進(jìn)行苧麻遙感監(jiān)控。本試驗(yàn)供試材料為湘苧3號和湘苧7號，2個(gè)品種各包含12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積約為12 m2，4行×8列(圖1a)。試驗(yàn)于2019年開始選用尿素和控釋肥為供氮肥料僅進(jìn)行氮肥處理，于每季麻苗期進(jìn)行施加，到2020年第二季苧麻共施肥4次。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)氮肥梯度，分別為0(N0)、15(N1)、22.5(TB2)、45(TB1) kg/hm2，其中2號施氮水平施加尿素，3、4號采用控釋肥，每處理3次重復(fù) (圖1c)。從2020年第二季苧麻苗期開始，采用無人機(jī)可見光遙感系統(tǒng)采集苧麻冠層圖像。

圖1 研究區(qū)域及試驗(yàn)點(diǎn)布置Fig.1 Study area and arrangement of the experimental sites

1.2 苧麻葉片SPAD值獲取

為保證數(shù)據(jù)的一致性，于無人機(jī)拍攝同天，采用日本KONICA MINOLTA公司生產(chǎn)的SPAD-502型葉綠素儀測量，隨機(jī)選取各處理小區(qū)15株苧麻測定葉片SPAD值[20-22]。測量部位為植株頂部下倒4葉或倒5葉，在葉基部開始 20%～80%區(qū)域的主葉脈兩端，避開葉脈測量5個(gè)點(diǎn)，取平均值。

1.3 苧麻冠層圖像獲取

采用大疆悟2四旋翼無人機(jī)作為遙感平臺(tái)，搭載高清數(shù)碼相機(jī)(zenmusex5s 35 mm)，相機(jī)拍攝影像最大分辨率為 5280×3956。2020年第二季苧麻生長階段，分別于苗期、封行期、旺長期和成熟期4個(gè)主要時(shí)期采集苧麻試驗(yàn)田的冠層影像。執(zhí)行飛行拍攝任務(wù)時(shí)，選擇在晴朗無風(fēng)天氣，上午10:00～12:00進(jìn)行飛行以避免云層遮擋以及太陽光線影響，無人機(jī)距地高度為20 m，搭配-90°云臺(tái)俯仰角，同時(shí)設(shè)置主航向上重疊率 80%、主航線間圖像重疊率 70%以確保圖像信息的完整。拍攝參數(shù)在飛行任務(wù)執(zhí)行前設(shè)置完成，數(shù)碼相機(jī)的曝光模式選擇自動(dòng)，每次飛行任務(wù)可獲取55張圖像，所有圖像都儲(chǔ)存為24位TIFF格式真彩色圖像。飛行獲取的冠層局部圖像需要拼接形成試驗(yàn)田完整圖像，這個(gè)步驟在Pix4Dmapper軟件自動(dòng)完成。

1.4 冠層數(shù)字圖像預(yù)處理

利用無人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)對作物冠層進(jìn)行拍攝可最大限度地獲取頂部展開葉信息，但不可避免也包含了陰影、裸地等非作物信息[23]。為避免干擾信息的影響，研究選擇HSV通道對土壤進(jìn)行分割。HSV 顏色空間模型是根據(jù)人觀察色彩的生理特征而創(chuàng)建的一種顏色空間模型，其中三個(gè)分量分別為 H(色調(diào))、S(飽和度)、V(明度)[24]。在HSV通道圖像中，H通道的灰度直方圖具有明顯的峰谷，表明苧麻與土壤的色調(diào)信息有顯著差別，針對H通道選定合適的閾值進(jìn)行土壤分割，當(dāng)閾值為0.3時(shí)，可以較為準(zhǔn)確地分割土壤和苧麻植株。基于圖像中苧麻部分像素所占比例大，利用最大間類方差法進(jìn)行雜草的分割，得到較為理想的分割效果。

1.5 數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的獲取與處理

圖像剔除土壤背景以及雜草干擾后，采用Matlab提取苧麻冠層部分的平均紅光值R、綠光值G和藍(lán)光值B，為更好地探究各顏色參數(shù)與苧麻冠層葉片氮營養(yǎng)之間的相關(guān)性，研究充分考慮各單色分量的表征力，對R、G、B進(jìn)行處理得到綠光與紅光比值(G/R)、綠光與藍(lán)光比值(G/B)、紅光與藍(lán)光比值 (R/B)、紅光標(biāo)準(zhǔn)化值NRI=[R/(R + G + B)][25]、綠光標(biāo)準(zhǔn)化值NGI=[G/(R + G +B)]、藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)化值NBI=[B/(R + G + B)]、紅綠藍(lán)植被指數(shù)RGBVI = (G×G-R×B)/(G×G + R×B)、可見光大氣阻抗植被指數(shù)VARI=(G-R)/(G+R-B)、過紅指數(shù)ExR=1.4×r-g、過綠指數(shù)ExG=1.4×g-r-b、超紅綠指數(shù)ExGR=ExG-1.4×r-g、沃貝克指數(shù)WI=(g-b)/(r-g)共12個(gè)色彩參數(shù)。

將各生育期獲取的色彩參數(shù)與SPAD值進(jìn)行相關(guān)性分析，并分析不同生育時(shí)期各色彩參數(shù)的變異系數(shù)，對最佳診斷參數(shù)進(jìn)行篩選。由于各參數(shù)之間的耦合性較高，研究進(jìn)而采用主成分分析法，把12個(gè)復(fù)雜指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)主成分，在所含信息互不重復(fù)的基礎(chǔ)上反映原始變量的大部分特征信息。

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理，對各時(shí)期不同施氮水平下苧麻葉片SPAD值及各項(xiàng)色彩參數(shù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下苧麻葉片SPAD值的變化規(guī)律

由圖2可知，兩個(gè)苧麻品種N0處理的葉綠素含量在整個(gè)生育期都明顯低于其他3個(gè)處理。不同品種苧麻葉片葉綠素含量對施氮水平的反應(yīng)不同，湘苧3號各時(shí)期SPAD值表現(xiàn)為N1>TB1>TB2>N0。而湘苧7號各時(shí)期SPAD值表現(xiàn)為TB1>TB2>N1>N0?？傮w來看，不同施氮處理間，隨著施氮水平的提高，兩個(gè)品種葉片氮含量呈現(xiàn)增加趨勢，但差異不顯著。在相同施氮水平處理下，湘苧7號葉片平均氮含量略高于湘苧3號，這說明，苧麻品種差異會(huì)導(dǎo)致相同施氮水平的葉片含氮量存在差異。

圖2 不同施氮水平下苧麻葉片SPAD值的變化特征Fig.2 Changes of SPAD of ramie canopy leaves under different nitrogen application levels

2.2 不同施氮水平下苧麻冠層圖像基本數(shù)字化指標(biāo)的變化規(guī)律

由圖3、4可知，湘苧3號和湘苧7號的顏色特征r和g的動(dòng)態(tài)變化相似，兩個(gè)品種都遵循一個(gè)規(guī)律，即隨出苗后天數(shù)增加，r值逐漸下降，g值逐漸上升，并且在不同施氮水平處理間，r值和g值普遍表現(xiàn)為N0>N1>TB2>TB1，這表明隨著施氮水平的提高，苧麻冠層葉片圖像的紅光標(biāo)準(zhǔn)化值和綠光標(biāo)準(zhǔn)化值都呈下降趨勢。對顏色特征指數(shù)r值和g值進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，各處理苧麻冠層葉片圖像的r值和g值均表現(xiàn)為線現(xiàn)函數(shù)，其擬合方程式為：y=ax+b。如表1所示，r值擬合方程的擬合度較高，各處理R2在0.6300～0.7600，并且隨著施氮水平提高，湘苧3號參數(shù)a值逐漸減小，湘苧7號參數(shù)a逐漸增大，b值逐漸減??；g值擬合方程R2均大于0.8500，并且隨著施氮水平提高，兩品種參數(shù)a均逐漸減小，參數(shù)b逐漸增大。

圖3 不同施氮水平下苧麻冠層葉片圖像紅色標(biāo)準(zhǔn)化值的變化特征Fig.3 Changes of the red standardized of ramie canopy leaves under different nitrogen application levels

圖4 不同施氮水平下苧麻冠層葉片圖像綠色標(biāo)準(zhǔn)化值的變化特征Fig.4 Changes of the green standardized of ramie canopy leaves under different nitrogen application levels

表1 不同施氮水平下r值和g值擬合模型參數(shù)變化

由圖5可知，不同生育時(shí)期作物對不同波段的反應(yīng)程度存在差異，苧麻冠層葉片圖像r值和g值受施氮量影響不明顯，而b值差異顯著，并且隨著苧麻的生長，差異逐漸增大。不同生育期，b值對施氮量的反應(yīng)也不同，在苗期階段，苧麻冠層葉片圖像b值最高，隨后逐漸下降并在封行期達(dá)到最低值，此時(shí)湘苧3號各施氮水平下b值表現(xiàn)為N1>TB2>TB1>N0，湘苧7號表現(xiàn)為TB1>TB2>N1>N0。到旺長期和成熟期，b值又有所回升，不同氮素處理間均表現(xiàn)為TB1>TB2>N1>N0。綜合全生育期苧麻冠層葉片圖像b值變化趨勢，不同施氮水平處理間，b值普遍表現(xiàn)為TB1>TB2>N1>N0，這表明，隨著施氮水平的提高，苧麻冠層葉片圖像的藍(lán)色標(biāo)準(zhǔn)值呈上升趨勢。對b值進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合方程式為：y=ax2+bx+c。如表2所示，湘苧3號和湘苧7號冠層葉片圖像b值擬合度高，均達(dá)到了顯著或極顯著水平，但不同施氮水平間，參數(shù)a、b、c隨施氮量的增加變化不規(guī)律，無法準(zhǔn)確評判顏色特征指數(shù)是否能反應(yīng)不同施氮水平帶來的影響。

圖5 不同施氮水平下苧麻冠層葉片圖像藍(lán)色標(biāo)準(zhǔn)化值的變化特征Fig.5 Changes of the blue standardized of ramie canopy leaves under different nitrogen application levels

表2 不同施氮水平下b值擬合模型參數(shù)變化

2.3 不同生育期冠層圖像色彩參數(shù)與葉片SPAD值的關(guān)系

不同作物在不同波段的反射特性和吸收特性各異，通過對不同波段進(jìn)行組合運(yùn)算，可以使得植被信息最大化。為構(gòu)建適合苧麻的數(shù)字化色彩指標(biāo)，選取上述12項(xiàng)色彩參數(shù)與葉片SPAD值進(jìn)行相關(guān)分析。由表3可知，除參數(shù)g、(G×G-R×B)/(G×G+R×B)、ExG外，其他冠層圖像色彩參數(shù)均與湘苧3號不同時(shí)期SPAD值有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系。其中，G/R、ExGR與苗期SPAD值呈極顯著相關(guān)，r、(G-R)/(G+R-B)與成熟期SPAD值呈極顯著相關(guān)，而封行期各色彩參數(shù)對SPAD值的反應(yīng)程度不敏感。

表3 湘苧3號不同生育時(shí)期冠層圖像色彩參數(shù)與SPAD值之間的相關(guān)關(guān)系

從表4可以看出，除參數(shù)g外，其他冠層圖像色彩參數(shù)均與湘苧7號不同時(shí)期SPAD值有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系。其中，R/B、r、WI與封行期SPAD值呈極顯著相關(guān)，ExGR與旺長期SPAD值呈極顯著相關(guān)，而成熟期各色彩參數(shù)對SPAD值的反應(yīng)程度不敏感。

表4 湘苧7號不同生育時(shí)期冠層圖像色彩參數(shù)與SPAD值之間的相關(guān)關(guān)系

2.4 主成分分析

由于上述12個(gè)苧麻冠層色彩參數(shù)之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，研究采用主成分分析法在解釋原始變量間的相關(guān)性的同時(shí)簡化變量維數(shù)，以獲得能夠充分反映苧麻冠層氮素狀況的綜合指標(biāo)。表5為2個(gè)苧麻品種不同時(shí)期主成分分析的各成分累計(jì)貢獻(xiàn)率，除湘苧3號成熟期僅得到一個(gè)主成分變量外，各時(shí)期數(shù)據(jù)都將原有12項(xiàng)苧麻冠層色彩參數(shù)信息降維至2個(gè)主成分變量，累計(jì)貢獻(xiàn)率均達(dá)到99%以上。為進(jìn)一步探究各項(xiàng)主成分與SPAD值的相關(guān)性，將主成分分析結(jié)果與SPAD值進(jìn)行相關(guān)性分析。由表6可知，各主成分與SPAD值之間的相關(guān)性較單項(xiàng)苧麻冠層圖像色彩參數(shù)有所上升。

表5 主成分特征向量及其累積貢獻(xiàn)率

表6 主成分與SPAD值之間的相關(guān)性

3 討論

由于不同施氮水平下苧麻冠層氮素含量存在一定程度的差異，使得葉片對光的反射、吸收效果不同，進(jìn)而導(dǎo)致葉片呈現(xiàn)不同的顏色特性，這就為利用冠層顏色信息測量苧麻葉片氮含量提供了理論依據(jù)。葉綠素儀可以通過測量葉片在兩種波長范圍內(nèi)的透光系數(shù)來確定葉片葉綠素的相對數(shù)量，常被用來快速無損地監(jiān)測診斷作物氮素營養(yǎng)[26]。趙犇等[27]研究證明小麥上部不同葉位SPAD值與含氮量呈顯著正相關(guān)，因此，SPAD值能夠較好地快速診斷小麥氮素是否虧缺。本文以苧麻冠層圖像為研究材料，以SPAD值為輔助監(jiān)測指標(biāo)，對不同施氮處理下各時(shí)期苧麻進(jìn)行氮素監(jiān)測。結(jié)果表明，2個(gè)苧麻品種各時(shí)期SPAD值在N0處理下均最低，隨著施氮水平的增加，SPAD值有所提高，說明不同的氮肥處理對調(diào)節(jié)苧麻功能葉片氮素營養(yǎng)含量起到積極作用，同時(shí)SPAD值可用于快速無損診斷苧麻氮素營養(yǎng)狀況，這一結(jié)果與李朝東等[28]的研究結(jié)果相符。比較相同施氮水平處理下2個(gè)品種SPAD值，湘苧7號葉片SPAD值略高于湘苧3號，這說明苧麻品種差異會(huì)導(dǎo)致相同施氮水平下葉片葉綠素含量存在差異。

本文基于無人機(jī)可見光遙感圖像提取了苧麻冠層葉片圖像的色彩參數(shù)指標(biāo)，并將12項(xiàng)色彩參數(shù)與SPAD值進(jìn)行相關(guān)分析，篩選出穩(wěn)定反映不同苧麻品種在不同生育期含氮水平的色彩參數(shù)。結(jié)果表明，對于湘苧3號，G/R、(G-R)/(G+R-B)、ExR和ExGR在苗期與SPAD值有顯著或極顯著相關(guān)性，G/R、r、(G-R)/(G+R-B)、ExR和WI在旺長期與SPAD值顯著相關(guān)，r、(G-R)/(G+R-B)在成熟期與SPAD值極顯著相關(guān)；對于湘苧7號，WI在苗期與SPAD值顯著相關(guān)，R/B、r、WI在封行期與SPAD值有極顯著相關(guān)性，ExGR在成熟期與SPAD值顯著相關(guān)。各色彩參數(shù)對不同品種在不同生育期下的SPAD值敏感程度不同，因此可根據(jù)品種和生育期需要采用最佳色彩參數(shù)指標(biāo)。研究以湘苧3號和湘苧7號苧麻品種為材料，采用主成分分析方法對不同時(shí)期獲取的苧麻冠層葉片圖像的色彩參數(shù)進(jìn)行降維，并與SPAD值進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，各主成分與SPAD值的相關(guān)性有所提高。

4 結(jié)論

基于無人機(jī)可見光遙感進(jìn)行作物氮素營養(yǎng)診斷具有快速、低成本、無損、高效等優(yōu)勢，不少學(xué)者已在基于無人機(jī)遙感的作物氮素營養(yǎng)診斷研究中取得一定成果，但以苧麻為對象的研究還鮮有報(bào)道。本研究初步對苧麻冠層葉片遙感圖像獲取的色彩參數(shù)進(jìn)行探究，得到如下結(jié)論：

(1)2個(gè)苧麻品種各時(shí)期SPAD值在N0處理下均最低，隨著施氮水平的增加，SPAD值有所提高，因此，SPAD值可用于反映苧麻氮素營養(yǎng)狀況。

(2)作物冠層圖像色彩參數(shù)對不同品種不同生育期氮素水平的反映不同，因此，在以后的研究中，應(yīng)盡量獲取適用于全生育期的色彩參數(shù)，使無人機(jī)遙感技術(shù)在發(fā)揮其優(yōu)勢的同時(shí)更加準(zhǔn)確，以更好地應(yīng)用于作物氮素診斷。