Stima e mappatura del contenuto della tessitura del suolo basata sull'imaging iperspettrale di veicoli aerei senza pilota

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14097 (2023) Citare questo articolo

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La struttura del suolo è una delle proprietà fisiche e naturali più importanti del suolo. Gran parte della ricerca attuale si concentra sul monitoraggio della struttura del suolo utilizzando spettrometri geofisici senza imaging. Tuttavia ci sono meno studi che utilizzano dati iperspettrali di veicoli aerei senza pilota (UAV) per il monitoraggio della struttura del suolo. Le telecamere iperspettrali montate sugli UAV possono essere utilizzate per ottenere in modo rapido e accurato informazioni spaziali ad alta risoluzione sulla struttura del suolo. Sono state gettate le basi per la realizzazione di rilievi rapidi della struttura del suolo utilizzando dati iperspettrali aerei senza equipaggio senza campionamento sul campo. Questo studio ha selezionato tre tipiche aree agricole nel bacino Huangshui del Qinghai come area di studio e sono stati raccolti un totale di 296 campioni di terreno. Calibrazione dei dati degli spettri UAV utilizzando spettri di laboratorio e spettri in situ sul campo per esplorare la fattibilità dell'applicazione di modelli di tessitura del suolo di laboratorio direttamente alle condizioni sul campo. Questi risultati mostrano che le immagini iperspettrali degli UAV combinate con l’apprendimento automatico possono ottenere una serie di metodi di elaborazione ideali. La pre-elaborazione dei dati spettrali può ottenere un'elevata precisione nella stima della tessitura del suolo e un buon effetto di mappatura. I risultati di questo studio possono fornire un supporto tecnico efficace e un’assistenza decisionale per la futura pianificazione del territorio agricolo sull’altopiano tibetano. La principale innovazione di questo studio è stabilire una serie di procedure e metodi di elaborazione applicabili alle immagini iperspettrali degli UAV per fornire dati di riferimento per il monitoraggio della struttura del suolo nei campi agricoli sull'altopiano tibetano.

La struttura del suolo è un'importante proprietà fisica e naturale del suolo. Rappresenta la combinazione di particelle del suolo ed è strettamente correlato alla permeabilità alla ventilazione del suolo e alla ritenzione di acqua e fertilità. In base alla dimensione delle particelle del terreno, la struttura del suolo può essere suddivisa in particelle di argilla (< 0,002 mm), particelle di limo (0,002–0,05 mm) e particelle di sabbia (0,05–2 mm)1,2. La struttura del suolo influisce in modo significativo sulla struttura e sulla diversità della comunità batterica del suolo, influenzando quindi la fertilità del suolo3. Si tratta di un indice importante nel campo della qualità dei terreni coltivati ​​e nella valutazione dell'idoneità delle colture4. La stima e la mappatura della distribuzione spaziale della tessitura del suolo possono non solo arricchire e migliorare il database digitale del suolo, ma anche fornire una base e un supporto dati per la ricerca sulla distribuzione spaziale degli attributi del suolo e sulla pianificazione della produzione agricola5. Pertanto, è urgentemente necessaria una gestione agricola di precisione per la quantificazione e il monitoraggio ad alta risoluzione e precisione delle caratteristiche di distribuzione spaziale e temporale della tessitura del suolo su scala di campo.

I metodi tradizionali di misurazione della tessitura del suolo si basano sul campionamento del terreno sul campo e sull’analisi chimica di laboratorio, che richiedono molto tempo, sono laboriosi e costosi, rendendo difficile condurre un monitoraggio su larga scala e multifrequenza del contenuto della tessitura del suolo6,7. Negli ultimi anni, la tecnologia iperspettrale di visione nel vicino infrarosso in rapido sviluppo è stata ampiamente utilizzata nella stima del contenuto della tessitura del suolo per affrontare la contraddizione tra la domanda di big data sulla tessitura del suolo e i costi elevati8. A seconda della relazione di risposta spettrale tra riflettanza spettrale del suolo e struttura del suolo, molti ricercatori hanno utilizzato la spettrometria degli oggetti terrestri per sviluppare la tecnologia iperspettrale del suolo come mezzo convenzionale per quantificare la struttura del suolo9,10,11. Tuttavia, l'inversione della tessitura del suolo basata su uno spettrometro di oggetti terrestri di solito ottiene dati puntiformi con bassa densità. Ciò rende difficile soddisfare i requisiti di visualizzazione rapida della distribuzione spaziale nel contesto dell’agricoltura di precisione12. Le piattaforme UAV presentano i vantaggi della mobilità e della flessibilità e negli ultimi anni sono state ampiamente utilizzate nelle indagini spaziali sulle risorse terrestri13. Attraverso la combinazione organica di UAV e tecnologia iperspettrale, sono stati condotti il ​​monitoraggio della crescita della vegetazione, la classificazione accurata e l'identificazione degli oggetti terrestri, il monitoraggio dei parassiti, la stima della produzione e della resa e altre diverse applicazioni. Tuttavia, relativamente poche applicazioni hanno utilizzato questa tecnologia per monitorare le proprietà del suolo, in particolare la struttura del suolo14.