Hyperspectral field reflectance measurements to estimate wheat grain yield and plant height

ABSTRACT

Hyperspectral crop reflectance data are useful for several remote sensing applications in agriculture, but there is still a need for studies to define optimal wavebands to estimate crop biophysical parameters. The objective of this work is to analyze the use of narrow and broad band vegetation indices (VI) derived from hyperspectral field reflectance measurements to estimate wheat (Triticum aestivum L.) grain yield and plant height. A field study was conducted during the winter growing season of 2003 in Campinas, São Paulo State, Brazil. Field canopy reflectance measurements were acquired at six wheat growth stages over 80 plots with four wheat cultivars (IAC-362, IAC-364, IAC-370, and IAC-373), five levels of nitrogen fertilizer (0, 30, 60, 90, and 120 kg of N ha-1) and four replicates. The following VI were analyzed a) hyperspectral or narrow-band VI (1. optimum multiple narrow-band reflectance, OMNBR; 2. narrow-band normalized difference vegetation index, NB_NDVI; 3. first- and second-order derivative of reflectance; and 4. four derivative green vegetation index); and b) broad band VI (simple ratio, SR; normalized difference vegetation index, NDVI; and soil-adjusted vegetation index, SAVI). Hyperspectral indices provided an overall better estimate of biophysical variables when compared to broad band VI. The OMNBR with four bands presented the highest R² values to estimate both grain yield (R² = 0.74; Booting and Heading stages) and plant height (R² = 0.68; Heading stage). Best results to estimate biophysical variables were observed for spectral measurements acquired between Tillering II and Heading stages.

RESUMO

Dados hiperespectrais de reflectância de culturas agrícolas são úteis para diversas aplicações e ainda existe a necessidade de estudos para definir as melhores bandas para estimar parâmetros biofísicos de culturas. O objetivo deste trabalho é analisar o uso de índices de vegetação (IV) de bandas estreitas e largas obtidas de medidas de reflectância hiperespectral a campo para estimar a produtividade de grãos e a altura de plantas do trigo (Triticum aestivum L.). Um experimento a campo foi conduzido durante a entre safra de 2003 em Campinas, São Paulo, Brasil. Medidas de reflectância foram adquiridas ao longo de seis estádios da cultura em 80 parcelas (quatro cultivares, cinco níveis de adubação nitrogenada e quatro repetições). Os IV testados foram a) de banda estreita ou hiperespectrais (1. ótima reflectância de múltiplas bandas estreitas, OMNBR; 2. índice de vegetação da diferença normalizada com banda estreita, NB_NDVI; 3. primeira e segunda derivada da reflectância e; 4. quatro índices de derivadas da vegetação verde) e b) de banda larga (razão simples, SR; índice vegetativo da diferença normalizada, NDVI e; índice vegetativo ajustado para solo, SAVI). Os índices hiperespectrais forneceram melhores estimativas quando comparados às estimativas dos IV de banda larga. O índice OMNBR com quatro bandas apresentou os maiores valores de R² para estimar a produtividade de grãos (R² = 0,74; Emborrachamento e Espigamento) e a altura das plantas (R² = 0,68; Espigamento). Os melhores resultados foram observados entre os estádios de Perfilhamento II e Espigamento.