基于图像特征的水稻叶片全氮含量估测模型研究

探究水稻叶片生长外部颜色、几何形态特征与其全含氮量之间的定量描述关系,可以快速且准确地诊断水稻氮素营养状况。研究筛选了全氮含量估测敏感叶位,并比较了基于多元线性回归和机器学习方法的水稻敏感叶位全氮含量估测模型,为构建高性能的氮素营养定量诊断模型提供思路和方法。水稻田间试验于2017—2018年在江西省南昌市成新农场进行,供试水稻品种为两优培九,设置4个施氮水平(施氮水平从低到高为0、210、300和390 kg·hm^-2)。在水稻幼穗分化期和齐穗期,分别扫描获取水稻顶部第一完全展开叶叶片(顶1叶)、顶部第二完全展开叶叶片(顶2叶)以及顶部第三完全展开叶叶片(顶3叶)图像,共4 800张图像。通过图像处理技术获取25项水稻扫描叶颜色和几何形态特征,采用多元线性回归进行全氮含量估测,筛选出两个时期的敏感叶位,并应用机器学习方法建立水稻敏感叶位的全氮含量估测模型。与人工测量相比,通过图像处理方法获取的水稻叶片长宽平均相对误差分别为0.328%、3.404%;幼穗分化期顶3叶和齐穗期顶2叶较其他同期叶位更为敏感,且以幼穗分化期顶3叶最为敏感;应用机器学习建立的水稻敏感叶位全氮含量估测模型略优于多元线性回归模型,且采用BP神经网络建模最佳,幼穗分化期顶3叶模型验证集的RMSE_v=0.089、MRE_v=0.034、 $R^{2}_{v}$=0.887,齐穗期顶2叶模型验证集的RMSE_v=0.132、MRE_v=0.046、$R^{2}_{v}$=0.820。幼穗分化期顶3叶和齐穗期顶2叶的叶片图像特征最具有代表性,进行全氮含量估测更具可行性,可作为水稻氮素营养诊断的有效叶位。

Study on estimation model of total nitrogen content in rice leaves based on image characteristics