Спектроскопическая визуализация предсказывает водный стресс у дикой голубики
Спектроскопическая визуализация может помочь предсказать водный стресс на полях дикой голубики, согласно исследованию под руководством Университета Мэна.
Эта технология измеряет свет, отраженный от объектов на снимках с дронов, спутников и других систем дистанционного зондирования, чтобы классифицировать объекты и собрать информацию о них. Она может точно измерить свет в десятках или даже сотнях цветовых диапазонов. Спектры отражения могут показывать уровень питательных веществ, содержание хлорофилла и другие индикаторы здоровья для различных сельскохозяйственных культур.
Ученые из Университета Мэна, Института Скудик и компании Wyman's обнаружили, что при включении в модели спектроскопическая визуализация может помочь предсказать, будет ли на полях дикой голубики достаточно воды. Эта технология также может помочь фермерам оценивать режимы орошения и управлять водными ресурсами, не нанося ущерба урожаю.
Методология исследования
Команда собрала данные спектроскопической визуализации с помощью дрона, оснащенного спектрометром для захвата видимого и ближнего инфракрасного света, над полями компании Wyman's в Дейбоисе, Мэн. Изображения были обработаны для измерения спектров отраженного света от растений, указывающих на уровень хлорофилла и другие свойства, помогающие оценить их водный потенциал — основную силу, управляющую потоком воды и индикатор водного стресса. Параллельно собирались образцы веток с листьями для оценки водного потенциала и валидации спектральных оценок. Данные собирались весной и летом 2019 года на стадиях пика цветения, зеленых плодов и изменения цвета ягод.
Результаты и модели
Данные со снимков дрона и наземных образцов были включены в модели, разработанные с использованием машинного обучения и статистического анализа, для оценки водного потенциала и прогнозирования водного стресса. Модели на основе наземных данных помогли в разработке и валидации модели, созданной на основе изображений. Результаты обеих моделей были сопоставимы, что демонстрирует способность спектроскопической визуализации точно предсказывать водный стресс в разные периоды вегетационного сезона.
Значение и применение
Понимание того, как устойчиво управлять водными ресурсами для снижения рисков, связанных с учащающимися засухами, крайне важно для производителей дикой голубики. Потепление и засухи, усугубляемые изменением климата, наряду с заморозками и патогенами, увеличили потребность в прогностических инструментах, таких как спектроскопическая визуализация.
Исследование проводилось при поддержке лаборатории экологической спектроскопии (lecospec) Института Скудик, финансируемой Фондом улучшения экономики Мэна, Консорциумом космических грантов Мэна, NASA и другими фондами. Команда использовала специальное программное обеспечение, позволяющее дронам и спектрометрам измерять свет в гораздо большем количестве спектральных диапазонов, чем обычная камера.
«Мы объединяем спектральные данные и участки с известным водным потенциалом на полях дикой голубики с помощью машинного обучения, создавая модель для дальнейшего прогнозирования областей, которые могут испытывать водный стресс», — говорит аспирантка Кэтрин Чан, ведущий автор исследования.
«Это исследование дает ключевые знания для обеспечения долгосрочной жизнеспособности дикой голубики для будущих поколений», — добавляет агроном Wyman's Брюс Холл.
Отчет об исследовании опубликован в журнале Remote Sensing.