作物氮素遥感估算的研究综述

2024-03-24高菊GAOJu王家强WANGJiaqiang

价值工程 2024年3期

高菊GAO Ju；王家强WANG Jia-qiang

（塔里木大学农学院，阿拉尔 843300）

0 引言

氮素是各类作物生长发育的核心元素之一，是组成作物体内蛋白质、核酸的重要基础元素，与作物叶片光合作用能力密切相关，是作物生长发育和产量形成的关键因素[1]。现代作物的生产正朝着精细管理、高效种植的方向发展[2]，准确了解作物氮素信息有助于及时采取相关的田间干预措施，从而保证作物高效高质生产[3]。对作物氮素含量的监测由来已久，传统的监测方法主要分为人工目视解译和生理生化分析监测法[4-5]。人工目视解译通过对作物外部形态的目测来判断是否缺乏氮素，缺点在于时效性差且难以衡量氮素缺乏的量。相关研究人员根据水稻叶片含氮量不同会呈现出不同颜色这一原理，研制了水稻标准叶色卡，并成功地用它来分析田间水稻氮素缺乏情况[6]。生理生化分析法主要通过在实验室进行生理生化试验，对植株中全氮含量进行测量，该方法虽然结果较为准确，但是检测过程长，对植物破坏性较大，难以在实际生产中快速规模化应用[7]。

现代遥感技术的快速发展为作物氮素的估算提供了新的途径。遥感技术可以实现对物体反射光谱的高效、快速、大尺度测量[8]，并且整个过程不会对作物造成伤害[9]。因此，遥感技术逐渐成为作物氮素含量反演中的研究热点。遥感反演作物氮素的机理是基于氮素含量不同，其光谱响应也会存在差异，通过这些差异构建相应的光谱特征参数，进而构建作物氮素含量和光谱之间的函数关系，从而实现对作物氮素含量的反演[10]。利用光谱信息快速获取作物氮素营养状况已经在多种作物上实现[11-13]，相关研究也构建了大量用于监测作物氮素的光谱指数[14-16]，并且采用一元线性回归、支持向量机、偏最小二乘回归、神经网络、随机森林、主成分分析等方法进行分析和建模。本文对作物氮素含量遥感估算的研究进展进行综述，论述了常见的几种建模方法，总结了基于叶片尺度和冠层尺度的作物氮素含量估算研究进展，分析了影响作物氮素含量估算的两大因素：作物氮素的垂直分布、光谱数据采集的角度差异，最后分析探讨了当前该研究领域存在的问题，并进行了展望。

1 作物氮素遥感估算中的估算模型

相关研究人员采用众多建模方法对作物氮素进行遥感估算，主要为线性回归、支持向量回归、偏最小二乘回归、神经网络、随机森林、主成分分析等方法。对不同作物不同时期进行氮素估算时，其最优模型也往往不尽相同。本文详细介绍线性回归模型、支持向量回归和随机森林三种模型。

1.1 线性回归模型

线性回归模型主要分为简单线性回归模型和多元线性回归模型。如公式（1），简单线性回归模型是根据自变量X 和因变量Y 之间的函数关系，建立两者之间的线性回归方程并进行预测的方法。在作物氮素遥感估算中，自变量为光谱信息，因变量为作物氮素含量。

如公式（2），多元线性回归指的是建立多个自变量与一个因变量之间的关系，在作物氮素遥感估算中，多个自变量往往为多个波段的光谱数据或者多个光谱指数，因变量为作物氮素含量。

1.2 随机森林

随机森林是一种设计给决策树使用的集成学习套袋法，具有运算快、精度高等优点，并可以计算出多个自变量对因变量的重要性评分。随机森林算法已经运用到多个领域的建模中，在作物氮素遥感估算研究中的运用更是普遍。随机森林算法结合多个决策树的反演值输出最终预测结果，而每个决策树都是根据随机森林的随机向量值所建立的，进而输出高准确率的结果。

1.3 支持向量回归

支持向量机是利用超平面分割数据的机器学习模型，其分割数据的方法为将数据分类，然后向量使数据的分割最大化。支持向量回归是支持向量机的推广形式，该模型在解决非线性关系建模中具有一定优势，在作物氮素估算中的使用也非常普遍，其通过采用核函数来代替线性回归方程中的线性项，常用的核函数包括：

多项式核函数：

径向基核函数（γ 为正则化系数）：

2 基于遥感不同尺度对作物氮含量估算的研究进展

利用遥感技术对作物氮素含量进行估算的研究中，大多是获取叶片或者冠层两个层次的高光谱遥感数据，从而实现对叶片尺度或者冠层尺度的作物氮素含量监测。在叶片尺度，往往是使用手持高光谱测量仪，对叶片的光谱特征进行一一测量[17]；在冠层尺度，有利用手持高光谱测量仪进行获取光谱数据的，也有利用无人机遥感平台[18]、卫星遥感平台[19]来获取大面积作物冠层叶片的遥感影像，从而实现对其氮素的估算。在不同尺度上对氮素含量的遥感估算呈现出不同的特点。

2.1 基于叶片尺度的作物氮素含量遥感估算

基于叶片尺度的作物氮素含量估算是通过手持光谱测量仪获取作物叶片的光谱信息，确定叶片中氮素的特征波段和光谱参数，从而构建估算模型对作物氮素实现估算。

已有研究表明在叶片尺度上，氮素敏感的波段分别是近红外、红边和绿光波段，特别是在450-750nm；此外，短波红外（2100nm 和2132nm）也是氮素敏感区域，这些波段均可作为作物叶片氮素含量估算的输入参数[20]。田永超等研究表明通过构建水稻叶片光谱反射率指数可以准确地反演其氮素含量[21]；李粉玲等人利用光谱仪获取了小麦冠层光谱数据，通过波谱响应函数对冠层叶片氮素含量进行了估算[22]。赵明家等研究发现基于高光谱优化的NDVI 值能更加准确快速地估算到玉米叶片中的氮素含量[23]；冯伟等人研究显示作物的红边面积对预测叶片氮素含量有较好的效果[24]；其他一些研究者也在叶片尺度上利用遥感技术对小麦和水稻的氮素含量进行了估算，精度均较高[25-27]。然而，叶片尺度对氮素估算的缺点在于只能获取点信息，难以实现对作物大范围的监测。

2.2 基于冠层尺度的作物氮素含量遥感估算

直接基于叶片尺度建立作物氮素估算模型的做法仅适用于手持光谱测量仪，如果基于冠层尺度对作物氮素进行遥感估算则可以利用无人机遥感平台、飞机遥感平台和卫星遥感平台，从而可以实现大范围的迅速低成本作物氮素估算。

已有众多研究人员在作物冠层尺度对其氮素含量进行遥感估算。Chen 等人利用红边指数DCNI 估算了玉米和小麦的冠层氮含量，结果显示精度较高[28]；Yao 等人通过构建NDSI、RSI、NDS 和RSI 指数成功地对小麦冠层氮素含量进行了预测[29]；张晓东和李哲等人基于油菜和甜菜的冠层光谱特征，对其冠层氮素进行了成功估算[30-31]；冯伟等人利用小麦冠层高光谱遥感影像，提取了特征波段和多种光谱参数，得到了小麦氮素含量和冠层高光谱影像之间的关系，构建了小麦冠层氮素的反演模型[32]。然而，基于冠层尺度的作物氮素含量遥感估算大部分是基于无人机遥感平台、卫星遥感平台，通过这些平台获取的光谱数据的采集角度、大气环境、地表情况均会对光谱产生影响。

3 作物氮素遥感估算的影响因素

在叶片尺度上，由于使用手持光谱仪进行直接测量，使得作物氮素光谱只受到手持光谱仪精度的影响，受外界影响较小[33]。而在冠层尺度中，由于遥感平台与作物冠层之间距离较远，会产生一系列影响光谱数据精度的因素。作物的光谱会受到冠层结构、水分状况、土壤背景和水分等因素的综合影响[34]。为了去除掉非光谱信息对光谱反射率的影响，相关研究人员进行了一系列工作，有人利用大气校正来减小大气气体分子和气溶胶散射以及气态物质吸收引起的污染[35]；有人使用影像平滑函数来去除数据中的噪声[36]；有人通过波段深度归一化来减少传感器信噪比、大气效应和背景土壤暴露的影响[37]。除了上述这些影响作物光谱的因素外，作物氮素的垂直分布和光谱数据采集的角度差异影响更大。

3.1 作物氮素的垂直分布

作物在生长过程中遇到氮素缺乏时，冠层下层叶片将先由深绿变为黄色；随着氮素的持续缺乏，冠层的中层、下层叶片将出现衰老症状，继而变黄。在这个过程中，上层叶片的变化最为缓慢，下层叶片对氮素缺乏的敏感性远高于上层叶片，而传统的遥感主要是自上而下对作物进行观测，从而导致遥感监测作物氮素含量的精准性和及时性。加上作物种类繁多，冠层结构各不相同，即便是同一作物的不同生育时期其冠层结构也存在很大差异，结构的不同加上氮素供应差异的影响，使得作物的冠层氮含量存在明显的空间异质性特征，而传统遥感的垂直观测只能获取作物部分光谱信息，难以全面反映整体的光谱信息。

王纪华等人计算了差值植被指数，并据此估算了小麦上、中和下层氮积累量，建立了小麦不同垂直层叶片氮素含量预测模型[38]；廖钦洪测定了玉米关键生长发育时期不同叶层叶片的光谱数据，并建立了基于连续小波变换的叶绿素含量估算模型，其反演效果优于植被指数估算模型[39]。Li 等人将小麦不同叶层的叶片分别摘除，来研究摘除不同叶层情况下对小麦叶绿素和氮素的估算精度，结果表明去除倒一叶和倒二叶会对预测精度产生显著影响，去除其他叶层则影响微弱[40]；也有研究表明摘除冬小麦下部叶片不会影响模型预测精度[41]。Luo 等人的研究表明如果将芦苇的叶层分为5 层的话，利用其上3 层光谱预测叶片氮素含量较为有效[42]。综上所述，需要获取全面的作物冠层信息，并对获取的光谱信息进行整合，从而进一步提高作物养分状况的监测精度。

3.2 光谱数据采集角度的差异

观测角度的改变将影响作物的冠层反射率，传统遥感往往是垂直观测，这种观测往往只能得到作物某一方向的光谱数据，并不能反映作物的立体结构，使得许多光谱指数在叶面积指数较大时会出现不敏感现象，难以对作物氮素实现高精度反演[43]。

而多角度遥感可以获得多个角度的作物光谱信息，且提供了一种表征冠层反射率各向异性的方法，有助于更好地提取理化信息[44]。此外，多角度遥感观测可以改善传统垂直向下方观测时未充分考虑冠层结构参数、环境等综合效应的不足，提高作物冠层氮素的估算精度[45]。Wang 等人分别采用不同的观测角度来监测冬小麦上中下层的叶片叶绿素含量[46]；有研究人员从不同角度和观测平面获取了小麦冠层叶片的高光谱遥感数据，建立了小麦氮素含量的多角度高光谱监测模型[47]。肖春华等人研究发现不同观测角度下小麦的光谱信息丰富度也不同，在最低点观测可以获得小麦上部的更多信息，而30°和60°观测则可以获取小麦更多的下部信息，通过调整观测角度，可以明显提高作物冠层光谱监测的精度[48]。于是一些研究人员通过对作物组合多角度的光谱观测来估算其理化组分，如冠层叶片氮素含量、叶绿素密度等，发现可以提高估算的精度[49-50]。需要注意的是，任何观测角度获得的光谱信息都不可避免地具有土壤背景、光阴影等信息，因此最小化这些不利因素的影响是提高氮素监测效果的关键。