Estimativa e mapeamento do conteúdo de textura do solo com base em imagens hiperespectrais de veículos aéreos não tripulados

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14097 (2023) Citar este artigo

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A textura do solo é uma das importantes propriedades físicas e naturais do solo. Grande parte da pesquisa atual concentra-se no monitoramento da textura do solo usando espectrômetros geofísicos sem imagem. No entanto, há menos estudos utilizando dados hiperespectrais de veículos aéreos não tripulados (UAV) para monitoramento da textura do solo. Câmeras hiperespectrais montadas em UAV podem ser usadas para obter informações espaciais de alta resolução da textura do solo com rapidez e precisão. Uma base foi lançada para a realização de levantamentos rápidos da textura do solo usando dados hiperespectrais aéreos não tripulados, sem amostragem de campo. Este estudo selecionou três áreas agrícolas típicas na Bacia Huangshui de Qinghai como área de estudo, e um total de 296 amostras de solo foram coletadas. Calibração de dados de espectros de UAV usando espectros de laboratório e espectros in situ de campo para explorar a viabilidade de aplicação de modelos de textura de solo de laboratório diretamente às condições de campo. Estes resultados mostram que as imagens hiperespectrais do UAV combinadas com o aprendizado de máquina podem obter um conjunto de métodos de processamento ideais. O pré-processamento dos dados espectrais pode obter alta precisão na estimativa da textura do solo e bom efeito de mapeamento. Os resultados deste estudo podem fornecer apoio técnico eficaz e assistência na tomada de decisões para o futuro planeamento de terras agrícolas no Planalto Tibetano. A principal inovação deste estudo é estabelecer um conjunto de procedimentos e métodos de processamento aplicáveis ​​às imagens hiperespectrais de UAV para fornecer dados de referência para o monitoramento da textura do solo em campos agrícolas no Planalto Tibetano.

A textura do solo é uma importante propriedade física e natural do solo. Representa a combinação de partículas do solo e está intimamente relacionada à permeabilidade da ventilação do solo e à retenção de água e fertilidade. De acordo com o tamanho das partículas do solo, a textura do solo pode ser dividida em partículas de argila (< 0,002 mm), partículas de silte (0,002–0,05 mm) e partículas de areia (0,05–2 mm)1,2. A textura do solo afeta significativamente a estrutura e a diversidade da comunidade bacteriana do solo, afetando, portanto, a fertilidade do solo3. É um índice importante no domínio da qualidade das terras cultivadas e na avaliação da aptidão das culturas4. A estimativa e o mapeamento da distribuição espacial da textura do solo podem não só enriquecer e melhorar a base de dados digital do solo, mas também fornecer uma base e suporte de dados para pesquisas sobre a distribuição espacial dos atributos do solo e o planejamento da produção agrícola5. Portanto, o manejo agrícola de precisão é urgentemente necessário para a quantificação e monitoramento de alta resolução e alta precisão das características de distribuição espacial e temporal da textura do solo em escala de campo.

Os métodos tradicionais de medição da textura do solo dependem de amostragem de campo do solo e análises químicas laboratoriais, que são demoradas, trabalhosas e caras, dificultando a condução do monitoramento do conteúdo da textura do solo em larga escala e multifrequência6,7. Nos últimos anos, o rápido desenvolvimento da tecnologia hiperespectral de visão no infravermelho próximo tem sido amplamente utilizada na estimativa do conteúdo da textura do solo para resolver a contradição entre a demanda por grandes dados da textura do solo e o alto custo8. Dependendo da relação de resposta espectral entre a refletância espectral do solo e a textura do solo, muitos pesquisadores usaram a espectrometria de objetos terrestres para desenvolver a tecnologia hiperespectral do solo como um meio convencional de quantificar a textura do solo9,10,11. No entanto, a inversão da textura do solo baseada em um espectrômetro de objeto terrestre geralmente obtém dados pontuais com baixa densidade. Isto dificulta o atendimento aos requisitos de visualização rápida da distribuição espacial no contexto da agricultura de precisão12. As plataformas de UAV têm as vantagens da mobilidade e flexibilidade e têm sido amplamente utilizadas em levantamentos espaciais de recursos terrestres nos últimos anos13. Através da combinação orgânica de UAV e tecnologia hiperespectral, foram realizados monitoramento do crescimento da vegetação, classificação precisa e identificação de objetos terrestres, monitoramento de pragas, estimativa de produção e rendimento e outras diversas aplicações. No entanto, relativamente poucas aplicações utilizaram esta tecnologia para monitorizar as propriedades do solo, particularmente a textura do solo14.