利用Dualex氮平衡指數(shù)儀估算冬小麥集約種植系統(tǒng)的氮素吸收

熱點(diǎn)
小麥含氮量只能用哨-21的10m波段
在冠層水平上準(zhǔn)確估計(jì)了小麥氮含量。
像素內(nèi)的異質(zhì)性影響GAI估計(jì)精度。
紅邊帶增加了生長(zhǎng)季節(jié)的GAI估計(jì)精度。

摘要
在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，減少氮輸入是最常見的調(diào)整環(huán)境氮輸入的方法之一。這種調(diào)整通常與基于作物冠層（分別為NC和CNC）中臨界和實(shí)際吸收氮（kg/ha）概念的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)（NNI）有關(guān)。因此，基于免費(fèi)提供的衛(wèi)星圖像，在大面積范圍內(nèi)準(zhǔn)確估計(jì)NC和CNC是需要解決的關(guān)鍵問題。本研究基于農(nóng)民田地的大量數(shù)據(jù)集，強(qiáng)調(diào)了高度相關(guān)性（R2） = 用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）從Sentinel-2（S2）反演的小麥CNC和冠層葉綠素含量（CCC）之間的差異為0.90）。估計(jì)值與4和21kg/ha（取決于生長(zhǎng)階段）的誤差有關(guān)，這是評(píng)估NNI的一個(gè)有前景的結(jié)果。這個(gè)結(jié)果有四個(gè)主要結(jié)果：（i）在樹冠水平上工作的重要性；（ii）與所考慮品種的關(guān)系的獨(dú)立性；（iii）關(guān)系對(duì)成長(zhǎng)階段的依賴性；以及（iv）僅使用10個(gè) M S2波段，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)開辟道路。同時(shí)，研究了與CNC和NC相關(guān)的三個(gè)生物物理變量（BV）的估計(jì)精度，即綠地指數(shù)（GAI）、葉片葉綠素含量（Cab）和CCC。從這一分析中，對(duì)紅邊帶的附加值進(jìn)行了量化，以改進(jìn)對(duì)3個(gè)感興趣BV的估計(jì)，以及與現(xiàn)場(chǎng)異質(zhì)性相關(guān)的性能降低。

關(guān)鍵詞：氮含量，冠層葉綠素含量，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，紅邊帶，哨兵-2，縮放問題，集約種植制度



Retrieval of the canopy chlorophyll content from Sentinel-2 spectral bands to estimate nitrogen uptake in intensive winter wheat cropping systems
Highlights
The wheat nitrogen content can be estimated only with the 10 m bands of Sentinel-2.
The wheat nitrogen content is accurately estimated at the canopy level.
Within-pixel heterogeneity affects the GAI estimation accuracy.
The red-edge bands increase the GAI estimation accuracy along the growing season.

Abstract
One of the most common approaches to reducing the environmental impact of nitrogen (N) fertilisation in intensive agrosystems is to adjust the N input of the crop requirement. This adjustment is frequently related to the nitrogen nutrition index (NNI) based on the concepts of the critical and actual N absorbed (kg/ha) in the crop canopy (respectively, NC and CNC). Accurate estimation of the NC and CNC at the field scale over large areas based on freely available satellite imagery is thus a key issue to address. Relying on a large dataset of farmers' fields, this study highlights the high correlation (R2 = 0.90) between the wheat CNC and canopy chlorophyll content (CCC) retrieved from Sentinel-2 (S2) with an Artificial Neural Network (ANN). The estimation is related to errors of 4 and 21 kg/ha (depending on the growing stage), which is a promising result for evaluating the NNI. There are four major outcomes from this result: (i) the importance of working at the canopy level; (ii) the independence of the relationship to the considered cultivars; (iii) the dependence of the relationship on the growing stage; and (iv) the potential to use only the 10 m S2 bands, opening the way for precision agriculture. In parallel, estimation accuracies were investigated for the three biophysical variables (BV) related to the CNC and NC, i.e., the green area index (GAI), leaf chlorophyll content (Cab) and CCC. From this analysis, the added value of the red-edge bands for improving the estimation of the 3 BVs of interest was quantified as was the performance reduction related to the field heterogeneity.

Keywords
Nitrogen content
Canopy chlorophyll content
Artificial neural network
Red-edge bands
Sentinel-2
Scaling issue
Intensive cropping systems

Dualex是一款源自于法國(guó)國(guó)家科學(xué)院 (CNRS)及巴黎第十一大學(xué)技術(shù)，由奧地利PESSL公司生產(chǎn)（原法國(guó)Force-A公司）開發(fā)的新型多功能葉片測(cè)量?jī)x。它可同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量葉片的葉綠素含量、葉片表層的類黃酮和花青素含量，適用于植物生理學(xué)和農(nóng)學(xué)（如水稻葉綠素濃度，玉米氮素狀況，葡萄藤等）相關(guān)研究。其測(cè)量對(duì)象可以是單子葉植物，雙子葉植物或多年生植物。這款設(shè)備簡(jiǎn)單易用，可進(jìn)a行實(shí)時(shí)和非破壞性測(cè)量。由于不需要校準(zhǔn)標(biāo)定和事先的樣品制備，測(cè)量工作可在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)完成。此外，該設(shè)備在各種溫度的和環(huán)境光照條件下均可正常使用。系統(tǒng)采用專利設(shè)計(jì)，光學(xué)傳感器可進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速、無損測(cè)量葉片中的葉綠素、多酚以及花青素。

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