飞机上的强大传感器可高精度检测作物氮作者：Lauren Quinn， 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校贴在小型飞机上的高光谱传感器可以准确检测农作物的氮素状态。图片来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校正如我们所知，合成氮肥在绿色革命期间改变了农业，将作物产量和粮食安全提升到了新的高度。然而，尽管作物氮利用效率有所提高，但对表现不佳的担忧仍会导致化肥过度使用。过量的氮最终会进入水道，包括地下水，并以强效温室气体的形式进入大气。预测特定年份特定作物所需的氮量是棘手的。第一步是实时了解作物氮素状态，但在整个季节期间手动测量叶片氮素既不现实也不可扩展。

在一项首创的研究中，伊利诺伊大学的一个研究小组将高光谱传感器放在飞机上，以快速准确地检测玉米中的氮状态和光合能力。

“田间氮测量非常耗时费力，但飞机高光谱传感技术使我们能够以每英亩几秒钟的速度非常快速地扫描田地。它还提供比使用卫星图像的类似研究更高的光谱和空间分辨率”农业生态系统可持续发展中心 (ASC) 和伊利诺伊大学自然资源与环境科学系 (NRES) 研究助理教授王盛说。王是该研究的主要作者。

“我们的方法填补了现场测量和卫星之间的空白，并为可持续精准农业中的作物氮管理提供了一种经济高效且高度准确的方法，”他补充道。

这架飞机配备了能够检测可见光和近红外光谱（400-2400 纳米）波长的顶级传感器，在 2019 年生长季节飞过伊利诺伊州的一个实验田三次。研究人员还将现场叶片和冠层测量作为地面实况数据，用于与传感器数据进行比较。

这些飞行检测了叶片和冠层氮特征，包括与光合能力和谷物产量相关的几个特征，准确率高达 85%。

“这接近于真实的质量，”该研究的合著者、ASC 的创始主任、NRES 副教授关凯宇说。“我们甚至可以依靠机载高光谱传感器来取代地面实况收集，而不会牺牲太多的准确性。同时，机载传感器使我们能够以低成本覆盖更大的区域。”遥感获取从地面反射的能量。叶子的化学成分，包括它们的氮和叶绿素含量，会微妙地改变反射能量的多少。高光谱传感器在其整个范围内检测到的差异仅为 3 到 5 纳米，这是其他遥感技术无法比拟的灵敏度。

“其他机载遥感技术可以拾取可见光谱和可能的近红外，只有四个光谱带。这甚至比我们用这种高光谱传感器所能做的还差。它真的很强大，”关说。

研究人员在流行的最大氮回报率 (MRTN) 玉米氮率计算器中看到了他们的发现的用途。

王解释说：“在我们的方法下，我们可以检测作物的氮素状态，并为农业利益相关者进行一些实时调整。MRTN 根据土壤氮肥施用量和最终施用量之间的经济权衡提供推荐的施氮量。季节产量。我们的遥感方法可以将植物养分状态输入 MRTN 系统，实现实时作物氮管理。它可能会将当前基于生长前季节、以土壤为中心的施肥的建议转变为基于真实的诊断-时间植物营养，提高农业生态系统氮利用效率。”

重要的是，研究小组制定了最佳数学算法来检测来自高光谱传感器的氮反射率数据。他们希望随着新技术的出现，它将被投入使用。

“与其他商业卫星公司一样，NASA 正在计划一项新的卫星高光谱任务。我们的研究可能为这些任务提供算法，因为我们已经在飞机高光谱数据中证明了它的准确性，”王说。

关说，将这项技术带到卫星上是最终目标，可以在生长季节的早期查看每个田地的氮状况。这一进步将使农民能够就氮肥的搭配做出更明智的决定。

当然，最终目标是提高农艺系统中氮肥的环境可持续性。关说精确是到达那里的方法。

“本质上，你无法管理你无法衡量的东西。这就是我们在这项技术上投入如此多精力的原因。”

这篇文章发表在国际应用地球观测和地理信息杂志上。