基于无人机遥感的作物氮素营养诊断研究

V11 stage
S1-S2 stage
N application rate
推扫成像：几何校正 是难点，需要配合高 精度的定位定姿系统， 经过复杂计算
画幅成像：不同波段 成像有时间差，其获 取数据处理的难点在 于光谱信息的校正
S185 vs 地物光谱仪
光谱曲线波形相似 度
整个生育期的变化 趋势
S185光谱反射与 地物光谱仪光谱 反射率之间的相
析
陈鹏飞*,李刚,石雅娇,徐志涛,杨粉团,曹庆军.一款无人机高光谱传感器的验证及其在玉米叶面积指数反演中的应 用.中国农业科学,2018,51(8):1464-1474.
polar
leaves
10 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50
N%
植株氮浓度与SPAD之
细胞结构及 各种色素 排列方式
含水量
控制叶片反射率 的主要因素
间的定量关系（玉米）
鲜
叶绿素
水吸收带
叶
吸收带
反射率 Re反fl射ec率tance Reflectance
片
的
反
射
光
谱
多施用的氮肥不但不能增加产量，还会污染大气、水源，降低农民收益！
• 2015年，农业部印发《到2020年化肥使用零增长行动方案》 • 2016，作为科技部设立的第一批重点研发项目，“化学肥料和
农药减施增效综合技术研发”专项启动 • 2019年中央一号文件《中共中央、国务院关于坚持农业农村优
先发展做好“三农”工作的若干意见》中提出“开展农业节肥 节药行动，实现化肥农药使用量负增长”
形
形
相
0.30
相
似
0.20
似
度
度
分
0.10
R²= 0.9982
分
析
0.00
析
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
玉米不同生育期S185与地物光谱仪反射率 曲线（施氮量210 kg·ha-1）
ASD Reflectance
每对地物光谱仪光谱与S185 光谱之间的相
关性都大于 0.99 (其中一个样本示例如下).
• 为什么要用无人机开展作物氮素营养诊断研究？
航空遥感技术
航天遥感技术
Baidu Nhomakorabea
地基遥感技术
不同遥感平台的优缺点：
平台类型 卫星遥感 有人机遥感
地基遥感 无人机遥感
优点
缺点
能实现大面积同步监测 重访周期长、时间分辨率低， 且容易受天气因素干扰
能实现获取较大区域的 高空间、时间分辨率的 影像
需要专业跑道，飞行成本高、 一次飞行准备时间长、飞行人 员专业技术要求高的问题
反射率反射率 RefRleectfalnceectance
片
N素的吸收区域
50
的
反
40
SPAD
射
30
光
R²= 0.65
谱
20
波长波W长av(enlemn)gth (nm)
图1-2 Figure
杨1-树 2WR干aevf叶elelec片ntag反 ntch射 e(ns率pme光 )ctr谱a 曲 of 线dry
诊 断 方 法
作物自身养分指标测定：氮素/叶绿素浓度（单位干物质含氮、叶绿 素量）、氮素/叶绿素累积量（单位土地面积含氮、叶绿素总量）、 生物量、叶面积指数、氮素营养指数等。
与正常植株相比，作物氮素营养缺乏时，其自身生理、生化参数 发生一系列改变，这些参数能及时、真实反映作物氮素营养状况！
干
叶
60
整
个
波
730
生
形
727
育
相
724
期
似
721
变
度
718
化
分
715
析
R²= 0.93 Difference ranged from 0.09-3.90 nm,
with averaged value 1.10 nm
趋 势
712 712 715 718 721 724 727 730
分
Red edge position calculated by S185 data
二、基于无人机高光谱遥感的玉米氮素营养诊断
• 田间实验
吉林四平市梨树县蔡家镇
无人机高光谱
地面高光谱
叶面积指数
SPAD
生物量
M600 pro + S185高光谱传感器: 450-950 nm，采样间隔4 nm，共 125个通道
• 无人机高光谱影像的验证
无人 机高 光谱 影像
V5-V6 stage
能实现高空间、时间分 观测范围小、视野窄的缺陷 辨率影像的获取
价格便宜、飞行技术门 适合县域尺度及地块尺度地 槛低；机动、灵活，不 物的遥感探测；不适合省域 需要专业跑道，可根据 及全国尺度的短时间监测 天气情况随时起飞，受 天气因素影响小，容易 获得高时间、空间分辨 率影像；
氮肥优化管理需要在作物吸肥的关键期进行，在较短时间 内实现作物氮素营养状况的精准探测是关键，无人机遥感具有 不易受天气影响，能提供高时间、空间分辨率影像， 且其观测 尺度适合田块尺度的田间管理，因此开展基于无人机遥感的作 物氮素营养诊断意义重大!
玉米养分吸收曲线(Heard, 2006)
小籽粒作物（小麦、大麦等） 养分吸收曲线(Heard, 2006)
根据作物需肥规律和氮素营养状况，合理施用肥料，对提高肥 料利用率可行！
土壤养分测定：总氮含量、有效氮含量等
作
物
氮
素 营 养
由于农田小气候的影响，测土施肥法很难准确确定当季作物生 长过程中到底有多少氮被土壤释放，并用于作物生长需要。
关关系
基于S185曲线估测红边位 置与基于地物光谱仪曲线 估测红边位置的相关性与
差异
基于S185光谱曲线与地物光谱 仪光谱曲线计算常见光谱指数
在整个生育期间的相关性
0.50
波
0.40
波
Red edge position calculated by ASD data S185 Reflectance
波波长长W(namve)length (nm) 图1-3 杨W树ave鲜le叶ng片th 反(n射m)率光谱曲线
生物量与LAI之间的定 量关系（玉米）
遥感技术可以用于作物氮素营养状况快速、无损探测！ 图1-3 杨Fig树ur鲜e 1叶-3片R反efl射ect率an光ce谱sp曲ec线tra of fresh polar leaves Figure 1-3 Reflectance spectra of fresh polar leaves
一、研究意义
• 为什么要做氮素营养诊断？
植物体中的氮存在
植物氮循环
全球氮肥总消耗量和单位面积消耗量（Lu et al., 2017）
大量的氮肥被施入土壤
2010，美国氮肥利用率60%以 上；中国氮肥利用率30%左右 （Shen et al., 2017）
世界前五位氮肥消耗国的单位面积氮肥消耗量 （Lu et al., 2017）