束美艳等：基于高光谱数据的玉米叶面积指数和生物量评估（2021年第1期）

引用格式：

束美艳,陈向阳,王喜庆,马韫韬.基于高光谱数据的玉米叶面积指数和生物量评估[J].智慧农业(中英文),2021,3(1):29-39.

SHU Meiyan, CHEN Xiangyang, WANG Xiqing, MA Yuntao. Estimation of Maize Leaf Area Index and Aboveground Biomass Based on Hyperspectral Data[J]. Smart Agriculture, 2021, 3(1): 29-39.

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基于高光谱数据的玉米叶面积指数和生物量评估

束美艳1，陈向阳2，王喜庆2*，马韫韬1*

（1. 中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193；2. 中国农业大学 生物学院，北京 100193）

在高通量测序技术的飞速发展下作物重要性状的基因型的挖掘取得了极大的进步，而表型组学的研究仍然相对落后。传统的田间表型分析方法费力、低效，结果有一定的滞后性，且大面积的田间破坏性取样会影响群体作物的生长状况。遥感技术以其空间覆盖广、效率高和无破坏性等特点被广泛应用于农业生产及监测过程。近年来无人机及传感器的快速发展为作物育种提供了新方法。

本研究基于3个种植密度和5份玉米材料的田间试验，获取玉米大喇叭口期的地面ASD高光谱数据与无人机高光谱影像，分析不同种植密度下不同遗传材料的叶面积指数（LAI）和单株地上部生物量，利用偏最小二乘回归法构建基于全波段、敏感波段和植被指数的LAI和单株地上部生物量高光谱估算模型，比较分析两类数据在玉米冠层参数上的应用能力。

试验小区分布图

注：OE1—OE4分别代表生物技术材料 807的 4个转基因株系

结果表明，野生型玉米材料的冠层光谱反射率在近红外波段随着种植密度的增大而增大。同一种植密度下的野生型玉米材料的光谱反射率在可见光和近红外波段均最低。在可见光波段550 nm的波峰处，4种转基因材料的光谱反射率比野生型玉米材料的光谱反射率提高4.52%~19.9%。在近红外波段870 nm 的波峰处，4种转基因材料的光谱反射率比野生型玉米材料的光谱反射率提高 23.64%~57.05%。

(a)

(b)

野生型材料在 3种种植密度下的光谱曲线（a）和5种材料在 120，000株/ha密度下的光谱曲线（b）

基于21个高光谱植被指数构建的模型对 LAI的估算效果最好，测试集决定系数 R2为0.70，均方根误差RMSE为0.92，相对均方根误差rRMSE 为15.94%。敏感波段反射率（839~893 nm 和 1336~1348 nm）对玉米单株地上部生物量估算效果最佳，测试集R2为0.71，RMSE为12.31 g，rRMSE为15.89%。

LAI的实测值与预测值的结果

地上部生物量的实测值与预测值的结果

田间非成像高光谱和无人机成像高光谱在玉米LAI及生物量估算方面具有较好的一致性，能够快速有效地提取地块尺度玉米农学参数信息。本研究可为高光谱技术在小区尺度的精准农业管理应用提供参考。

来源：《智慧农业（中英文）》2021年第1期