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Precision monitoring of leaf area index and chlorophyll content of major field crops in Northern Europe using UAV remote sensing and radiative transfer modeling

遥感 叶面积指数 环境科学 大气辐射传输码 多光谱图像 均方误差 天蓬 反演(地质) 辐射传输 精准农业 归一化差异植被指数 高光谱成像 生长季节 叶绿素 多光谱模式识别 光谱辐射计 遥感应用 稳健性(进化) 空间变异性 大气科学 含水量 反射率 光化学反射率指数
作者
Shangharsha Thapa,El Houssaine Bouras,Per‐Ola Olsson,Erik Alexandersson,Thomas Georg Roitsch,Johannes Albertsson,Axel Hörteborn,Lars Eklundh
出处
期刊:Precision Agriculture [Springer Science+Business Media]
卷期号:27 (5)
标识
DOI:10.1007/s11119-026-10403-z
摘要

Abstract Purpose Long-term monitoring of crop biophysical and biochemical traits remains challenging in high-latitude regions due to short growing seasons, frequent cloud cover, and highly variable weather. In this context, unmanned aerial vehicles (UAVs) offer flexible, high-resolution observations, but their added value relative to low-cost proximal sensors and their effectiveness for radiative transfer model (RTM) inversion across diverse crop canopies remain insufficiently quantified. This study evaluated the potential of a two-band proximal spectral reflectance sensor (SRS) and a five-band multispectral UAV sensor for retrieving leaf area index (LAI), leaf chlorophyll content (LCC), and canopy chlorophyll content (CCC) using PROSAIL inversion across major crops in Northern Europe over two growing seasons (2023–2024). Methods and Results Two inversion approaches – look-up table (LUT) and artificial neural network (ANN) were applied to PROSAIL simulations. UAV–PROSAIL–ANN outperformed LUT-based inversion and SRS observations, achieving the highest accuracy for LAI (R 2 = 0.81–0.95; RMSE = 0.27–0.77 m 2 /m 2 ), followed by CCC (R 2 = 0.58–0.94; RMSE < 60 μg/cm 2 ), while LCC remained less accurately estimated (R 2 = 0.26–0.78; RMSE < 16 μg/cm 2 ). Across sensors and methods, retrieval accuracy decreased in the order of LAI, CCC, and LCC, reflecting the stronger spectral control of canopy structure compared to biochemical traits. Conclusions The UAV–PROSAIL–ANN framework effectively captured spatial and temporal variability in crop traits, producing canopy-scale maps consistent with field observations. These results demonstrate the robustness and scalability of hybrid PROSAIL–ANN inversion for high-latitude crop monitoring, while highlighting current limitations in biochemical trait retrieval using multispectral data.

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