无人机遥感图像助力柑橘 SPAD 值与叶水含量精准反演：技术融合解锁农业灌溉新密码

为解决西南地区柑橘生长监测及精准灌溉问题，研究人员利用无人机多光谱图像，结合特征选择和集成学习算法开展柑橘 SPAD 值（Soil and Plant Analyzer Development value，土壤与植物分析发展值）与叶水含量（LWC，Leaf Water Content）反演研究。结果表明 WOA-SVR-AdaD3模型精度最高，为精准农业提供支持。

　　在广袤的农业领域，柑橘产业占据着重要地位。作为世界上种植面积和产量都名列前茅的水果，柑橘的生长状况直接关系到农民的收入和农业经济的发展。然而，西南地区作为我国主要的柑橘产区，近年来却面临着诸多挑战。频繁出现的极端天气，尤其是季节性干旱，严重影响了柑橘的产量和品质。为了应对这些问题，实时、准确地监测柑橘的生长状态，特别是其关键生理参数，变得至关重要。

在众多的生理参数中，柑橘叶片的叶绿素含量和叶水含量（LWC）对其生长发育起着关键作用。叶绿素作为植物光合作用的重要色素，能够反映植物的营养状况、生长发育阶段；而叶水含量则是衡量作物需水情况的关键指标，对于指导田间灌溉实践意义重大。土壤与植物分析发展值（SPAD 值）是叶绿素含量的直接指标，传统测量方法中，SPAD 值虽可通过 SPAD - 502 设备快速测量，但叶水含量仍需繁琐的烘干法测定，且二者测量都需要对柑橘树冠不同方向的叶片进行重复测量，不仅耗时费力，还难以满足大规模种植条件下精准高效监测的需求。

在这样的背景下，四川省相关研究人员开展了一项旨在利用无人机遥感技术实现柑橘 SPAD 值和 LWC 快速、高效监测的研究。该研究成果发表在《Agricultural Water Management》上，为柑橘产业的可持续发展带来了新的曙光。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，借助 DJI Phantom 4 Multispectral（DJI P4M）无人机获取多光谱图像，并通过随机森林分类（RFC）提取柑橘树冠。同时，同步测量柑橘的 SPAD 值和 LWC 作为地面数据。其次，从无人机多光谱图像中提取植被指数（VI）和纹理特征（TF），利用决策树（DT）和最小绝对收缩和选择算子（Lasso）算法筛选特征变量。最后，使用支持向量机回归（SVR）、AdaBoost（Ada）、SVR - AdaBoost（SVR - Ada）和 WOA - SVR - Ada 等算法构建柑橘 SPAD 值和 LWC 的反演模型。

在研究结果方面：

• 特征变量筛选：不同的特征选择方法筛选出的生理参数特征变量及其数量存在差异。DT 算法筛选出的柑橘 SPAD 值和 LWC 的三类特征变量数量相对均衡，均在 20 以内；而 Lasso 算法筛选出的变量数量在不同类型间差异显著，V_L-VI变量较少，V_L-VI+TF变量较多。
• 模型构建与比较：构建了基于不同机器学习算法的柑橘 SPAD 值和 LWC 估计模型。结果显示，WOA - SVR - Ada 模型的精度最高，其 R²和 RMSE 在各模型中表现最优。例如，以 VI + TF 为输入的 WOA - SVR - Ada_D3模型，对 SPAD 值的 R²可达 0.82 - 0.91，RMSE 为 2.07 - 2.27；对 LWC 的 R²为 0.72 - 0.80，RMSE 为 3.02 - 3.86%。同时，研究发现集成学习算法 Ada 的估计精度优于 SVR，SVR - Ada 模型的模拟精度又高于单个的 SVR 和 Ada 模型。
• 模型性能评估：DT 算法在识别敏感变量方面表现出色，基于 DT 算法构建的模型估计精度更高。融合 VI 和 TF 的模型在 SPAD 值和 LWC 估计上表现更优，单独以 TF 为输入构建的模型精度最差。
• 最优反演模型：基于 DT 方法，以 VI 和 VI + TF 为输入，结合 WOA - SVR - Ada 构建的模型对 SPAD 值和 LWC 的拟合精度最高，其中 WOA - SVR - Ada_D3模型预测散点最接近 1:1 线。

在研究结论和讨论部分，研究表明将特征选择方法与集成学习算法相结合，能够显著提高柑橘 SPAD 值和 LWC 的估计精度。DT 算法与优化机器学习模型的结合，在 SPAD 值和 LWC 反演中表现出更好的性能。VI 和 TF 的融合增强了模型的反演性能，且 VI 对柑橘 SPAD 值和 LWC 的反演精度贡献显著。此外，研究还指出，尽管本研究为柑橘生长监测和精准农业灌溉施肥管理提供了重要的技术支持，但由于数据仅来自单一年份，模型的泛化性和适用性可能受到限制。未来需要整合多年遥感数据，并扩展到其他柑橘种植区域进行研究，以增强模型对气候波动的适应性。

总体而言，这项研究为西南地区季节性干旱区域的柑橘果园精准水管理和灌溉施肥决策提供了有效的途径，为柑橘产业应对气候变化、实现可持续发展奠定了坚实的技术基础。