中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (20): 4094-4106.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.20.014
齐欣(), 汪洋, 黄玉芳, 叶优良, 郭宇龙(
), 赵亚南(
)
收稿日期:
2024-04-24
接受日期:
2024-07-01
出版日期:
2024-10-16
发布日期:
2024-10-24
通信作者:
联系方式:
齐欣,E-mail:xinqi@henau.edu.cn。
基金资助:
QI Xin(), WANG Yang, HUANG YuFang, YE YouLiang, GUO YuLong(
), ZHAO YaNan(
)
Received:
2024-04-24
Accepted:
2024-07-01
Published:
2024-10-16
Online:
2024-10-24
摘要:
【目的】便捷准确地诊断作物氮素营养状况是实现作物精准施肥和氮肥资源合理利用的关键。近年来应用数码相机等工具进行作物营养诊断的研究受到广泛关注。本研究采用智能手机相机获取玉米冠层图像,建立完善的基于手机相机的氮素营养诊断技术,并比较传统的图像均值方法和直方图方法对氮素营养诊断的可靠性,以探明夏玉米氮素营养诊断的最佳适用模型。【方法】基于田间氮肥用量试验,采用智能手机相机获取夏玉米拔节期冠层图像,提取夏玉米冠层图像的G/R、G/B、NRI [R/(R+G+B)]、NGI [G/(R+G+B)]、NBI [B/(R+G+B)]和(G-R)/(R+G+B) 6种颜色指数均值及直方图敏感区间,分别建立冠层图像色彩参数均值模型与直方图模型,分析其与玉米叶片含氮量和产量的关系。利用决定系数(R 2)、均方根误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)对比不同指数模型模拟估算玉米叶片含氮量和产量的稳定性和准确性,建立基于手机相机获取夏玉米冠层图像的氮素营养诊断模型。【结果】施氮量显著影响玉米叶片含氮量、产量及冠层图像色调和植被覆盖度。直方图波峰b随叶片含氮量的增加而发生变化,相较于冠层图像色彩参数指数均值方法,指数直方图法适用于不同品种的氮素诊断。色彩参数(G-R)/(R+G+B)直方图可以更好地反映作物覆盖率及整体颜色信息,指数直方图与玉米叶片含氮量和产量也呈现较好的相关性。基于神经网络模型验证数据集精度评价指标,指数直方图模型中玉米叶片含氮量和产量的MAPE值和RMSE值均低于指数均值模型,R 2达到0.753,大于指数均值模型。指数直方图模型验证结果MAPE值达到5.80%,RMSE值为0.07,估算精度高,泛化性强。结果表明,冠层图像色彩参数指数直方图在估算叶片含氮量和产量时具有更高精度和更强鲁棒性,能够有效利用玉米叶片覆盖度、颜色等特点,具有较好的稳定性。【结论】bbbbb利用智能手机相机获取玉米冠层数字图像,结合冠层图像色彩参数直方图方法建立的神经网络模型具有较好的应用效果,提高了估测精度,作为一种新方法在玉米氮素营养快速无损诊断和精准施肥中具有较好的应用潜力。
齐欣, 汪洋, 黄玉芳, 叶优良, 郭宇龙, 赵亚南. 基于直方图的手机玉米冠层数字图像氮素诊断方法[J]. 中国农业科学, 2024, 57(20): 4094-4106.
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表1
不同氮肥用量下夏玉米拔节期叶片含氮量及产量"
品种 Cultivar | 氮水平 Nitrogen level | 叶片含氮量 Leaf N content (%) | 产量 Yield (kg·hm-2) |
---|---|---|---|
登海605 Denghai 605,DH605 | N0 | 0.77±0.14b | 5766±1817b |
N120 | 0.86±0.03b | 8612±738a | |
N180 | 1.07±0.04a | 9469±772a | |
N240 | 0.98±0.12ab | 8499±522a | |
N360 | 0.86±0.15b | 6297±591b | |
平均Mean | 0.91 | 7729 | |
CV (%) | 12.24 | 12.76 | |
科玉188 Keyu 188,KY188 | N0 | 0.57±0.02b | 7202±1642a |
N120 | 0.89±0.08a | 8131±200a | |
N180 | 0.92±0.07a | 8956±1418a | |
N240 | 0.84±0.10a | 8592±1022a | |
N360 | 0.97±0.11a | 9037±987a | |
平均Mean | 0.84 | 8384 | |
CV(%) | 8.51 | 12.79 |
表2
拔节期夏玉米冠层图像色彩参数均值"
品种 Cultivar | 氮水平 Nitrogen level | 色彩参数 Color parameter | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
G/R | G/B | NRI | NGI | NBI | (G-R)/(R+G+B) | ||
登海605 Denghai 605,DH605 | N0 | 0.93±0.24a | 1.55±0.26a | 0.25±0.04a | 0.31±0.07a | 0.16±0.04a | 0.07±0.02a |
N120 | 0.99±0.22a | 1.61±0.22a | 0.26±0.03a | 0.33±0.06a | 0.18±0.04a | 0.07±0.03a | |
N180 | 1.07±0.15a | 1.59±0.36a | 0.28±0.05a | 0.36±0.06a | 0.21±0.03a | 0.07±0.01a | |
N240 | 1.10±0.09a | 1.66±0.12a | 0.27±0.01a | 0.36±0.02a | 0.20±0.01a | 0.09±0.01a | |
N360 | 1.01±0.04a | 1.60±0.02a | 0.27±0.00a | 0.34±0.01a | 0.19±0.01a | 0.07±0.01a | |
平均Mean | 0.15 | 0.20 | 0.03 | 0.04 | 0.03 | 0.02 | |
CV(%) | 14.90 | 12.44 | 10.51 | 12.98 | 13.89 | 24.31 | |
科玉188 Keyu 188,KY188 | N0 | 0.97±0.03a | 2.15±0.28a | 0.32±0.03a | 0.38±0.03a | 0.18±0.02ab | 0.05±0.02a |
N120 | 0.95±0.02a | 1.54±0.34b | 0.27±0.02bc | 0.34±0.03a | 0.20±0.02a | 0.05±0.01a | |
N180 | 0.93±0.12a | 1.54±0.21b | 0.25±0.02c | 0.34±0.04a | 0.21±0.03a | 0.05±0.01a | |
N240 | 0.89±0.30a | 1.47±0.43b | 0.19±0.04d | 0.29±0.10a | 0.13±0.08b | 0.07±0.03a | |
N360 | 0.97±0.02a | 1.85±0.18ab | 0.31±0.01ab | 0.37±0.02a | 0.20±0.01a | 0.05±0.01a | |
平均Mean | 0.10 | 0.29 | 0.02 | 0.05 | 0.03 | 0.02 | |
CV(%) | 10.68 | 17.50 | 9.94 | 14.073 | 18.902 | 28.69 |
表3
夏玉米拔节期色彩参数均值与叶片含氮量及产量的相关性"
品种 Cultivar | 色彩参数 Color parameter | 叶片含氮量 Leaf N content (%) | 产量 Yield (kg·hm-2) |
---|---|---|---|
登海605 Denghai 605, DH605 | G/R | 0.334 | 0.563 |
G/B | 0.166 | 0.406 | |
NRI | 0.256 | 0.568 | |
NGI | 0.301 | 0.560 | |
NBI | 0.368 | 0.632 | |
(G-R)/(R+G+B) | 0.299 | 0.392 | |
科玉188 Keyu 188,KY188 | G/R | 0.159 | -0.460 |
G/B | -0.237 | -0.610 | |
NRI | -0.193 | -0.326 | |
NGI | 0.082 | -0.530 | |
NBI | 0.417 | -0.166 | |
(G-R)/(R+G+B) | -0.017 | -0.244 |
表4
夏玉米拔节期色彩参数直方图与叶片含氮量及产量的相关系数"
品种 Cultivar | 色彩参数 Color parameter | 叶片含氮量 Leaf N content (%) | 产量 Yield (kg·hm-2) |
---|---|---|---|
登海605 Denghai 605, DH605 | G/R | 0.456 | 0.345 |
G/B | -0.342 | -0.416 | |
NRI | 0.588 | 0.689 | |
NGI | -0.070 | -0.031 | |
NBI | 0.432 | 0.526 | |
(G-R)/(R+G+B) | -0.633 | -0.588 | |
科玉188 Keyu 188, KY188 | G/R | 0.493 | 0.660 |
G/B | -0.121 | -0.667 | |
NRI | 0.796 | 0.250 | |
NGI | 0.394 | 0.625 | |
NBI | 0.244 | -0.257 | |
(G-R)/(R+G+B) | -0.550 | -0.590 |
表5
神经网络模型误差对比"
模型 Model | 指标 Indicators | 训练数据集 Training dataset | 验证数据集 Validation dataset | R2 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
MAPE (%) | RMSE | MAPE (%) | RMSE | |||
指数均值 Color parameter mean | 叶片含氮量 Leaf N content | 20.48 | 0.211 | 14.60 | 0.223 | 0.265 |
产量 Yield | 12.97 | 1362.953 | 15.56 | 1481.131 | 0.435 | |
指数直方图 Color parameter histogram | 叶片含氮量 Leaf N content | 10.92 | 0.126 | 5.80 | 0.070 | 0.753 |
产量 Yield | 10.42 | 1177.432 | 9.20 | 918.267 | 0.653 |
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