基于冠层图像的海南粗榧苗期生长状态无损监测方法研究

作者：石蒙蒙; 王雪峰^*; 袁莹; 陈飞飞; 黄川腾; 王鹏; 陈星京

来源：植物营养与肥料学报, 2023, 29(11): 2181-2192.

• 海南粗榧
• 多重比较
• 颜色特征参数
• SPAD值估测
• 生长评估

【目的】海南粗榧是国家重点保护植物，利用冠层图像无损估测叶绿素含量和生长状况，可对生长受限制的幼苗进行诊断预警，为精准管理提供参考。【方法】采用L9(34)正交设计和单因素设计，于2021—2022年在海口市云龙镇进行盆栽试验，试验材料为一年生粗榧幼苗。3个因素包括灌溉量(W)、透光率(S)和氮肥施用量(N)，为使海南粗榧幼苗生长呈现较大差异，各因素水平相差较大，3个灌溉量分别为2500、5000、7500mL;3个相对透光率分别为30%、10%、5%;3个氮肥施用量分别为0、5、10 g/plant。在幼苗处理一个月后开始测量幼苗基径、株高、冠长、侧枝长度和叶绿素相对含量，每两个月测定一次，共7次。采用Duncan法进行多重比较，比较结果差异显著性较低的为幼苗生长不适宜环境，记为0，否则记为1。每个处理选3株代表性幼苗获取冠层图像，然后进行图像分割，提取颜色特征参数作为自变量构建分类模型，以诊断该环境是否适宜生长。采用偏最小二乘回归(PLSR, partial least squares regression)和逐步回归(SR, stepwise regression)模型，同时将二分类转换为哑变量加入模型，估测叶绿素相对含量(SPAD)。【结果】光照(透光率)和灌溉量对海南粗榧幼苗的生长影响显著，氮肥用量影响不显著，且3个因素间无明显交互效应。海南粗榧生长过程中的SPAD值与各生长指标间呈显著正相关，与冠层图像中的颜色参数也呈显著相关。在低透光率和高灌溉量环境下海南粗榧生长发育迟缓，为不适宜生长环境。依据海南粗榧生长指标间的多重比较结果，将幼苗分别标记为不宜环境和适宜环境的幼苗样本。支持向量机(SVM, support vector machines)模型能较好的判别处于不宜环境下的幼苗(假阳性率为14%);PLSR和SR模型对SPAD值都有较好的估测效果，但PLSR模型较SR模型适应能力更强，且PLSR能更好的解决共线和降维问题；将二分类变量转换为哑变量加入PLSR模型，模型整体预测能力没有明显提高，但对处于不宜环境下的幼苗SPAD值的预测能力有明显提高，通过该模型反演不宜环境下幼苗冠层SPAD分布发现，在下部叶尖部位叶绿素相对含量最低，叶尖有黄化现象。【结论】海南粗榧幼苗生长的主要影响因素是透光率和灌溉量，光照和灌溉对下部叶尖处影响较大。冠层图像能较准确地诊断出幼苗生长状况，PLSR加哑变量模型能提高0类样本(生长在不宜环境下) SPAD值的预测能力，实现生长环境受限预警，为幼苗管理提供依据。

• 单位
  中国林业科学研究院资源信息研究所