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可见光光谱的冬小麦苗期地上生物量估算

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【作者】 张领先陈运强李云霞马浚诚杜克明郑飞翔孙忠富

【Author】 ZHANG Ling-xian;CHEN Yun-qiang;LI Yun-xia;MA Jun-cheng;DU Ke-ming;ZHENG Fei-xiang;SUN Zhong-fu;College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University;Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences;

【通讯作者】 马浚诚;

【机构】 中国农业大学信息与电气工程学院中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

【摘要】 地上生物量是表征冬小麦苗期长势的重要参数之一,对于监测冬小麦苗期长势,预测产量具有重要的实际意义。目前,通过计算光谱指数进行生物量估算是冬小麦苗期地上生物量无损测量的主要方法,但该方法需要一定的平台支撑,在便捷性方面存在一定的不足。为此,利用可见光图像数据获取方便、准确率高的特点,基于冬小麦苗期冠层可见光图像数据开展冬小麦苗期地上生物量估算研究。采用数码相机,采集冬小麦苗期冠层可见光图像并利用Canopeo进行冬小麦冠层与背景的分割。在获取冠层分割图像后,提取了CC(canopy cover)、 ExG(excessg reen)、 ExR(excess red)、 ExGR(ExG-ExR)、 NGRDI(normalized green-red difference index)、 GLI(green leaf index)、 RGRI(red-green ratio index)和RGBVI(RGB vegetation index)共8个可见光图像特征。利用相关性分析进行特征优选,选择与冬小麦苗期地上生物量实测数据相关性较高的图像特征构建估算模型。利用优选的图像特征,分别构建偏最小二乘回归(PLSR)、 BP神经网络(BPNN)、支持向量机回归(SVR)和随机森林(RF)模型,开展冬小麦苗期地上生物量估算研究,并定量分析特征数量和播种密度对估算模型准确率的影响。结果表明, ExR, GLI和RGBVI与生物量实测数据相关性较低,因此,将这3个特征剔除。CC, ExG, ExGR, NGRDI和RGRI与生物量实测数据的相关性较高,其中CC, ExG和ExGR与生物量实测数据呈正相关,而NGRDI和RGRI与生物量实测数据呈负相关。利用优选的图像特征构建估算模型,研究结果表明,基于优选的5个图像特征, PLSR的估算准确率最高,模型R2为0.801 5, RMSE为0.0788 kg·m-2,表明PLSR能够实现冬小麦苗期地上生物量的准确估算。特征数量是影响估算模型准确率的因素之一,随着特征数量的减少,模型估算的准确率逐步下降。利用不同播种密度数据集对估算模型进行测试,结果表明, PLSR在不同的播种密度数据集上均取得了最高的估算准确率,模型R2分别为0.897, 0.827 9和0.788 6, RMSE分别为0.062, 0.072和0.079 1 kg·m-2,表明PLSR估算的冬小麦苗期地上生物量数据与实测生物量数据之间具有良好的相关关系。随着播种密度的增加,所有估算模型的准确率均出现下降,而PLSR的准确率下降程度最小。由此可见,基于可见光图像数据,能够实现冬小麦苗期地上生物量的准确估算,为冬小麦苗期田间管理提供参考。

【关键词】 冬小麦苗期地上生物量可见光光谱估算
【基金】 国家自然科学基金项目(31801264);中国科协青年人才托举工程第四届项目(2018QNRC001);国家“十三五”重点研发计划项目(2016YFD0300606和2017YFD0300402)资助
  • 【分类号】S512.11;S127
  • 【下载频次】32
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