Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

I traditionella fältförsök har den vanligaste metoden för att bestämma biomassa och
kvävemängd varit att klippa prover i den växande grödan. Denna bestämning blir
tidskrävande och på så sätt dyr, vilket gör den svår att utföra flera gånger under en
växtsäsong. Efterfrågan har därför vuxit efter en tillförlitlig metod som är effektiv och som
därmed gör det möjligt att mäta med tätare intervaller, men som ändå inte är oskäligt dyr.
Detta examensarbete har inriktat sig till att undersöka om grödors reflektans som mäts med
en hyperspektral sensor kan vara användbar för att bestämma biomassa, kvävemängd och
kvävehalt och på så vis vara användbar i försöksverksamheten. Dessutom har metoden
bildanalys jämförts med sensormätningar.

Försöket startade 2010-04-16 och pågick med löpande mätningar till 2010-06-30 i sju
jordbearbetningsförsök. För att mäta reflektansen har Yara’s handburna sensor använts,
vilken mäter grödreflektansen mellan 400 och 1000 nm. Fyra mätningar gjordes i varje ruta
vid flera tillfällen under våren och försommaren. Fram till och med att grödan slöt sig
fotograferades även varje ruta vid samma tillfälle som reflektansmätningarna. Detta utfördes
genom att fyra fotografier togs i varje försöksruta med en digitalkamera på stativ, vilket gav
en yta på 0,22 m2/foto. Bilderna analyserades sedan digitalt för att ge den andel som grödan
täckte av marken. Vid varje tillfälle bestämdes även biomassan genom att klippa en
kvadratmeter och sedan väga denna efter torkning. För att korrelera reflektansen till
biomassa, kvävemängd och kvävehalt användes följande vegetationsindex; NDVI, OSAVI,
GNDVI, NIR/Red, NIR/Green, REIP, TrVI, TCARI och TC/OS. Dessutom testades
parametrarnas samband med reflektansen för våglängderna, 780 nm, 850 nm och 780-670
nm.

Resultaten visade på goda korrelationer mellan biomassan och flera av indexen. Även
kvävemängden visade god korrelation till indexen. Mellan kvävehalten och indexen var det
däremot svårt att hitta någon hög korrelation. De fyra indexen som generellt sett gav högst
korrelation var NDVI, NIR/Green, 780 nm och 780-670 nm. NIR/Green var det index som
visade allra högst korrelation till parametrarna och kom därför att användas vid bestämning
av ledskillnader i försöken. Bildanalysen gav god korrelation till både NDVI och NIR/Green.
Problem som kunde ses med biomassabestämning genom grödreflektans var att skörderester
kunde ge upphov till en högre reflektans vid tidiga mätningar. En annan brist var att det var
svårt att finna en god korrelation med kvävehalten. För övrigt fungerade metoden mycket
tillfredställande och kan definitivt vara ett hjälpmedel för biomassabestämning, men kanske
framförallt bidra med en förklaring till utvecklingen mellan leden i fältförsök.

In traditional Swedish field experiments in crop production, plant development during
vegetative stages is usually determined by visual assessment or by cutting the crop.
Measurements of canopy reflectance as well as digital image analysis offer non-destructive
and quick methods which can be used to determine crop biomass and area covered by
vegetation. The objective of the work presented here was to compare measurements of
canopy reflectance with measurements of aboveground plant biomass, content of nitrogen in
the crop and image analysis of leaf area coverage.

Measurements were made between 16 April and 30 June in 2010 in totally 7 field
experiments with soil tillage. A handheld Yara N-sensor equipment was used which
measured reflectance in the interval 400-1000 nm. Four measurements were made in each
plot of the experiments at several occasions during the spring and early summer. Until
canopy closure, the crop was photographed at the same occasions as the reflectance
measurements. Four pictures per plot were taken with a camera mounted on a tripod, each
picture covered an area of approximately 0.22 m2. The pictures were digitally analyzed to
calculate the area covered by green leaves. At each measuring occasion, the aboveground
biomass was determined. This was normally done in one of the treatments by cutting the crop
in 1 m2, followed by drying and weighing. The vegetation indices that were used to correlate
the parameters to the reflectance was: NDVI, OSAVI, GNDVI, NIR/Red, NIR/Green, REIP,
TrVI, TCARI and TC/OS. Wavelengths of 780 nm, 850 nm och 780-670 nm were also used
to test the correlation with the three parameters.

There was generally a good correlation between biomass and the different indices. Also for
the amount of nitrogen there was a good correlation with the indices. For nitrogen
concentration in the plants the correlation with the indices was much lower. The highest
correlations were found for the indices NDVI, NIR/Green, 780 nm and 780-670 nm, and
were used for further analysis of the data. NIR/Green had the highest correlation to all
parameters and was therefore used to determine differences between treatments in the field
experiments. The area covered by plants in the image analysis had also good correlations to
both NDVI and NIR/Green.

A problem with measuring crop reflectance was that harvest residues could be a source of
reflectance, especially in non tillage treatments. There was also a poor correlation between
the indices and the nitrogen concentration. Apart from this, the method worked very well and
can definitely be valuable to determine the aboveground biomass and follow the development
in field experiments.