基于無人機(jī)多光譜遙感的棉花生長參數(shù)和產(chǎn)量估算

一、引言

無人機(jī)低空遙感技術(shù)的快速發(fā)展為高時(shí)間與高空間分辨率的快捷精確地進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集提供了前所未有的機(jī)遇。

盡管目前已有許多關(guān)于棉花SPAD、株高等指標(biāo)的遙感長勢監(jiān)測研究,但在利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行棉花長勢監(jiān)測與單株產(chǎn)量估算的研究方面,探索較少。同時(shí),利用無人機(jī)多光譜數(shù)據(jù)預(yù)測棉花產(chǎn)量的研究也相對(duì)有限。因此,以山東省濱州市棉花為研究對(duì)象,應(yīng)用無人機(jī)多光譜遙感技術(shù),采用多元線性回歸、隨機(jī)森林和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種機(jī)器學(xué)習(xí)方法,構(gòu)建棉花的株高、葉綠素相對(duì)含量和單株產(chǎn)量的估計(jì)模型,并進(jìn)行驗(yàn)證。以探究其在棉花株高和葉綠素含量反演方面的應(yīng)用潛力,為作物產(chǎn)量的實(shí)時(shí)預(yù)測提供理論依據(jù),并探討無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)在作物長勢監(jiān)測方面的應(yīng)用效果。

二、材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

本文于2022年7-9月在山東省濱州市秦皇臺(tái)鄉(xiāng)(山東濱州棉花科技小院)進(jìn)行田間試驗(yàn),該地北緯37.22°,東經(jīng)118.02°,海拔約11m,一年只種植一季棉花育種材料。試驗(yàn)田屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,半濕潤地區(qū),冬季寒冷干燥,夏季炎熱多雨。年平均氣溫約為12.3℃,年降雨量626mm左右,其中夏季降雨量較大,占全年的60%～70%,其他月份降雨較少。試驗(yàn)棉花魯研棉37于2022年4月28日采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)播種。行距0.76m,株距0.16m,種植密度為90000株/hm2。試驗(yàn)田栽培管理措施與一般大田管理措施相同。本試驗(yàn)在試驗(yàn)田內(nèi)均勻布設(shè)3個(gè)地面控制點(diǎn),由紅色噴漆作為標(biāo)志(避免在獲取不同時(shí)期無人機(jī)遙感影像時(shí)發(fā)生空間位置的移動(dòng))。利用智能系統(tǒng)測量控制點(diǎn)的三維空間地理位置,以便進(jìn)行幾何校正和圖像配準(zhǔn)。試驗(yàn)田長100m,寬30m,平均分為30個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)9m×10m,如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置及試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置

2.2無人機(jī)多光譜圖像采集與處理

采用無人機(jī)多光譜對(duì)測試區(qū)域進(jìn)行多光譜圖像采集。在圖像拼接過程中,將無人機(jī)多光譜圖像導(dǎo)入軟件,軟件能夠自動(dòng)讀取相機(jī)配置信息和定位系統(tǒng)數(shù)據(jù),然后進(jìn)行輻射校準(zhǔn)。最后,生成數(shù)字地表模型、數(shù)字正射影像,并進(jìn)行幾何校正和圖像配準(zhǔn)。

2.3 無人機(jī)多光譜圖像的植被指數(shù)提取

為篩選出適合棉花無人機(jī)遙感估產(chǎn)的植被指數(shù),本文基于無人機(jī)多光譜影像紅、綠、藍(lán)、紅外、近紅外波段的光譜信息,從65種植被指數(shù)中選取了8種與產(chǎn)量相關(guān)性較高的植被指數(shù),計(jì)算植被指數(shù)的公式如表1所示。采用計(jì)算工具提取植被指數(shù)。構(gòu)建感興趣區(qū)域提取每個(gè)小區(qū)的植被指數(shù),并選擇每個(gè)小區(qū)的平均反射率進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

表1植被指數(shù)及計(jì)算公式

三、結(jié)果與分析

3.1 葉綠素相對(duì)含量、株高、產(chǎn)量

盛花期、成熟期棉花植株株高與葉綠素相對(duì)含量的基本信息如表2、表3所示。數(shù)據(jù)顯示不同生長階段的棉花葉綠素含量、株高存在較小差異,可能是由于盛花期至成熟期間產(chǎn)量已相對(duì)穩(wěn)定,不排除另有其他環(huán)境因素的變化,使得觀察到的差異較小。圖2為測產(chǎn)樣點(diǎn)棉花單鈴重的頻數(shù)分布圖,曲線為依據(jù)樣本均值、方差繪制的正態(tài)分布曲線。棉花產(chǎn)量實(shí)測數(shù)據(jù)顯示,棉花單株產(chǎn)量集中于90～150g。

表2 棉花葉綠素相對(duì)含量統(tǒng)計(jì)

表3 棉花株高數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖2 棉花單株產(chǎn)量分布直方圖

3.2植被指數(shù)與葉綠素相對(duì)含量、株高相關(guān)性分析

利用建模數(shù)據(jù)集中實(shí)測的SPAD、株高分別與8種植被指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 植被指數(shù)與SPAD、株高相關(guān)系數(shù)

從表4可以看出,SPAD與8種植被指數(shù)的相關(guān)系數(shù)在0.528～0.792之間,其中SPAD與GDVI相關(guān)系數(shù)最強(qiáng),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.792;NDRE與株高之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系,其余7種植被指數(shù)均與株高呈正相關(guān)關(guān)系。與棉花株高具有最好的相關(guān)性的植被指數(shù)為GDVI,相關(guān)系數(shù)為0.738。因此,選擇表4中的8種植被指數(shù)對(duì)于構(gòu)建棉花的生長參數(shù)及產(chǎn)量的反演模型具有一定可行性。

3.3 棉花各植被指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

8種植被指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性分析結(jié)果如表5所示,其中GDVI在盛花期與產(chǎn)量相關(guān)性最佳,相關(guān)系數(shù)為0.755;而在成熟期DVI是與產(chǎn)量相關(guān)性最佳的植被指數(shù),相關(guān)系數(shù)為0.718。表5植被指數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)

表5 植被指數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)

3.4 棉花無人機(jī)多光譜遙感生長參數(shù)及估產(chǎn)模型

為提高模型預(yù)測精度,本文以8種植被指數(shù)作為估算模型的輸入,采用多元逐步線性回歸法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)森林法構(gòu)建不同生育期棉花葉綠素含量、株高、產(chǎn)量之間的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型。

如表6所示,可得基于MLR、基于RF和基于BPNN構(gòu)建的盛花期和成熟期棉花株高估算模型的R2、RMSE和NRMSE；基于MLR、基于RF和基于BPNN構(gòu)建的盛花期和成熟期棉花SPAD估算模型的R2、RMSE和NRMSE；基于MLR、基于RF和基于BPNN構(gòu)建的盛花期和成熟期棉花產(chǎn)量估算模型的R2、RMSE和NRMSE。

從表6可以看出,不管是在盛花期還是成熟期,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度均高于其他兩種模型方法。

表6不同模型方法預(yù)測棉花各項(xiàng)指標(biāo)的模型概況

3.5 基于無人機(jī)遙感的棉花生育期植被指數(shù)估測產(chǎn)量驗(yàn)證

本文使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)8個(gè)植被指數(shù)和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,并進(jìn)行驗(yàn)證?；谔镩g試驗(yàn)共獲取花蕾期和成熟期各150組SPAD和株高樣本、150組產(chǎn)量樣本,對(duì)所有樣本進(jìn)行從小到大排序,在這些樣本中隨機(jī)選取110組樣本作為建模集,剩余40組樣本作為驗(yàn)證集。以表1中的植被指數(shù)作為自變量,以棉花株高作為因變量,采用BPNN構(gòu)建棉花盛花期、成熟期株高估算模型,從R2、RMSE、NRMSE3個(gè)方面綜合評(píng)定模型精度,不同建模方法對(duì)于棉花株高的預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

圖3基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的棉花生長參數(shù)和產(chǎn)量預(yù)測精度驗(yàn)證

四、結(jié)論

本文以山東省濱州市棉花為研究對(duì)象,利用無人機(jī)獲取了棉花不同時(shí)期的多光譜影像,并采用多元線性回歸、隨機(jī)森林、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種方法分別構(gòu)建了棉花的株高、葉綠素相對(duì)含量、產(chǎn)量的估計(jì)模型。同時(shí)還深入探討了不同機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)棉花長勢參數(shù)與產(chǎn)量估算精度的影響,旨在為更加精準(zhǔn)、快速地獲取棉花生長參數(shù)與產(chǎn)量預(yù)測提供理論參考。

目前無人機(jī)遙感影像與植被指數(shù)結(jié)合的相關(guān)研究在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。本文通過無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)反演棉花的株高和葉綠素含量,并分析其與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián),從而為作物生長參數(shù)的監(jiān)測和農(nóng)作物產(chǎn)量的預(yù)測提供可靠數(shù)據(jù)支持。

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