300TC機載高光譜成像儀助力美洲黑楊健康監(jiān)測

美洲黑楊（Populus deltoides Marshall）是一種重要的速生用材樹種，廣泛栽培于中國溫帶平原地區(qū)。它生長迅速、早熟、豐產(chǎn)、易于更新，因此在生態(tài)防護林和工業(yè)用材林中具有廣泛應(yīng)用。研究其表型性狀，特別是葉片葉綠素含量（LCC），對于篩選出適應(yīng)不同環(huán)境和管理條件的優(yōu)良基因型至關(guān)重要。

為什么不再“采一片葉子”？

傳統(tǒng)測定葉綠素含量的方法依賴實驗室化學(xué)分析，不僅操作繁瑣、耗時長，而且具有破壞性。對于覆蓋數(shù)千株樣木的大型試驗林來說，這種方法顯然難以適應(yīng)大范圍、高頻率的監(jiān)測需求。

遙感技術(shù)，尤其是無人機搭載高光譜傳感器的應(yīng)用，為這一問題提供了有效解決方案。研究表明，葉綠素對光具有特定吸收特性，尤其集中在可見光和紅邊波段。通過獲取葉片反射的光譜信息，研究人員可以“無接觸式”地反演葉綠素含量，實現(xiàn)對林分健康狀態(tài)的快速評估。

圖 1. 研究區(qū)域位置。

本研究選取湖北省石首縣國家優(yōu)質(zhì)楊樹種苗基地為研究區(qū)域，如圖1所示，開展無人機高光譜數(shù)據(jù)獲取與建模分析工作。該區(qū)域種植面積約 83,600平方米，共有 3000余株不同基因型的美洲黑楊，具備良好的實驗基礎(chǔ)。

圖 2. DJI 350M無人機搭載300TC高光譜成像儀。

設(shè)備：DJI 350M 無人機搭載 300TC 高光譜成像儀（北京依銳思遙感技術(shù)有限公司）

光譜通道數(shù)：308

波段范圍：393–1007nm

空間分辨率：20cm/像素

飛行時間：5月14日 10:00–15:00，天氣晴朗、風(fēng)速較低

影像處理軟件：Mega Cube v11.0.13（北京依銳思遙感技術(shù)有限公司），用于輻射、幾何及正射校正

同時，現(xiàn)場采集了葉片樣本，通過實驗室分析獲得真實的LCC值，用于模型訓(xùn)練與驗證。

圖 3. 美洲黑楊樹葉的收集、儲存和 LCC 提取。

01 從數(shù)據(jù)中“找關(guān)鍵波段”：集成特征選擇框架

面對海量的光譜數(shù)據(jù)，如何從中篩選出與葉綠素密切相關(guān)的波段，是模型構(gòu)建的關(guān)鍵。

本研究提出了一種集成特征選擇框架，融合多種算法優(yōu)勢，在不同機器學(xué)習(xí)模型（如 GBRT、SVR、GPR）下實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的波段子集提取。具體做法包括：

改進嵌入式特征選擇算法，引入SHAP解釋值，增強波段排序的可解釋性；

綜合嵌入式與包裝器方法，提升特征選擇的全局最優(yōu)性；

重點關(guān)注紅邊波段（680–760 nm）的作用，改善高LCC區(qū)間的估計偏差。 

圖4. (a) GBRT模型在逐步降維過程中的RMSE值；(b) SVR模型在逐步降維過程中的RMSE值；(c) GPR模型在逐步降維過程中的RMSE值。

圖 5 (a) GBRT-50V 和 GBRT-Optimal 模型中使用的高光譜波段；(b) SVR-50V 和 SVR-Optimal 模型中使用的高光譜波段；(c) GPR-50V 和 GPR-Optimal 模型中使用的高光譜波段。

02 精度表現(xiàn)如何？

在以28個精選波段和GBRT模型組合的最佳方案中，LCC估算模型表現(xiàn)優(yōu)異：

R²=0.848

RMSE=1.454 μg/cm²

MAE=1.121 μg/cm²

相比全波段模型，RMSE降低了24.37%

 

03 研究結(jié)論與意義

本研究表明：

集成特征選擇方法具有更強魯棒性與解釋能力，在多模型間表現(xiàn)穩(wěn)定；

紅邊波段對LCC估算模型貢獻顯著，是精度提升的關(guān)鍵；

無人機高光譜遙感技術(shù)在林木表型研究中具備巨大潛力，有望在優(yōu)良種質(zhì)篩選、健康監(jiān)測、精準(zhǔn)施肥等方向中實現(xiàn)應(yīng)用推廣。本研究展示了遙感與人工智能在林業(yè)育種與管理中的融合應(yīng)用，不僅提升了數(shù)據(jù)獲取效率，也推動了林木性狀研究向高通量、智能化方向發(fā)展。