基于无人机多光谱遥感和机器学习的苎麻理化性状估测

苎麻生理生化性状是其遗传基础和环境条件综合影响的结果，能够反映特定胁迫环境下苎麻的生长发育状况。无人机遥感技术为大规模田间作物长势监测提供了有效手段，利用无人机搭载多光谱相机对苎麻理化性状进行综合评价具有实际意义。因此，以苎麻种质资源为研究对象，采用无人机多光谱遥感获取苎麻冠层的光谱参数和纹理参数，运用相关性分析法(Pearson correlation analysis, PCA)、递归特征消除法(Recursive feature elimination, RFE)2种最优特征筛选方法和线性回归(Linear regression, LR)、决策树(Decision tree, DT)、随机森林回归(Random forest, RF)、支持向量机(Support vector machines, SVM)、偏最小二乘回归分析(Partial least squares regression analysis, PLSR)5种机器学习算法分别构建了苎麻叶绿素相对含量(SPAD值)、叶面积指数(Leaf area index, LAI)和叶片相对含水量(Relative water ...     

基于无人机遥感表型监测的苎麻优质种质资源筛选方法

苎麻是重要的纤维作物之一,由于土地资源紧缺及优良品种的推广应用等原因,苎麻遗传变异和遗传多样性减少,对苎麻种质资源多样性调查和保护的需求日趋加大。基于无人机遥感的作物表型测量方法可以对不同基因型作物的生长特性进行频繁、快速、无损、精准的监测,实现作物种质资源调查,筛选特异优质品种。为了实现苎麻种质资源表型的高效综合评价,辅助筛选优势苎麻品种,本研究提出了一种基于无人机遥感影像的苎麻种质资源表型监测及筛选方法。首先,基于无人机遥感影像,利用Pix4dmapper软件生成试验区的数字地表模型（Digital Surface Model,DSM）和正射影像;然后,对苎麻种质资源关键表型参数（株高、株数、叶面积指数、叶片叶绿素含量、含水量）进行估测。基于DSM采用“差分法”提取苎麻株高,基于正射图像采用目标检测算法提取苎麻株数,采用机器学习方法估测苎麻叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）、叶片叶绿素含量（SPAD值）、含水量;最后,根据提取的各项遥感表型参数,采用变异性分析和主成分分析方法对苎麻种质资源进行遗传多样性分析。结果表明,（1）基于无人机遥感的苎麻表型估测效果较好,株高的拟合精度为0.93,均方根误差为5.65 cm;SPAD值、含水量、LAI的拟合指标分别达到0.66、0.79、0.74,RMSE分别为2.03、2.21、0.63;（2）苎麻种质资源的遥感表型存在较大差异,LAI、株高和株数的估测值变异系数分别达到20.82%、24.61%和35.48%;（3）利用主成分分析法将苎麻种质资源的遥感表型聚类为因子1（株高、LAI）和因子2（LAI、SPAD值）,因子1可用于苎麻种质资源结构特征评价,因子2可以作为高光效苎麻资源的筛选指标。本研究将为作物种质资源表型监测和育种相关分析提供参考。     

无人机遥感监测作物病虫害胁迫方法与最新研究进展

病虫害是作物生产面临的主要胁迫之一.近年来,随着无人机产业的快速发展,无人机农业遥感因其图像空间分辨率高、数据获取时效性强和成本低等特点,在作物病虫害胁迫监测应用中发挥了重要作用.本文首先介绍了利用无人机遥感监测作物病虫害胁迫的相关背景;其次对目前无人机遥感监测作物病虫害胁迫中的常用方法进行了概述,主要探讨无人机遥感监...     

无人机遥感在饲草作物生长监测中的应用研究进展

饲草作物生长的动态监测与定量估算对于饲草规模化生产具有重要意义。无人机遥感分辨率高、灵活性强、成本低,近年来在饲草作物生长监测领域发展迅速,应用场景不断拓展。为了掌握无人机在饲草监测的国内外应用现状,确定重点发展方向,本文首先从数据获取、数据处理和饲草作物生长监测关键技术三个方面简述了无人机遥感在饲草作物监测中的基本研究方法。其次按照传感器类型从可见光、多光谱、高光谱、热红外和激光雷达遥感五个方面阐述了无人机遥感饲草作物生长监测的应用现状。最后针对研究应用中尚未解决的关键技术问题展望了未来的发展方向,提出融合饲草作物时空尺度数据和多源遥感数据、进一步拓展数据获取手段、研发智能化数据分析综合平台是未来饲草作物监测领域应用创新的关键所在。     

节水抗旱稻研究及创新发展

以水稻为主的粮食受干旱等自然灾害影响,导致其产量受到严重破坏。受水分的胁迫,稻种的形态、生化、生理和产量等形状与环境结合发生的综合反应生成了抗旱性,由遗传基因所控制。利用抗旱种质资源对抗旱节水稻种子进行选育和开发,能够体现出生态安全、粮食安全和生产安全,使生物节水得以实现。本文对抗旱节水稻发展进行分析,旨在进一步加强水稻节水抗旱性。     

无人机遥感技术在精量灌溉中应用的研究进展

以提高农业用水效率为目标的精量灌溉是未来农业灌溉的主要模式,精量灌溉的前提条件是对作物缺水的精准诊断和科学的灌溉决策。用于作物缺水诊断和灌溉决策定量指标的信息获取技术主要基于田间定点监测、地面车载移动监测及卫星遥感。无人机从根本上解决了卫星遥感由于时空分辨率低而导致的瞬时拓延、空间尺度转换、遥感参数与模型参数定量对应等技术难题,也克服了地面监测效率低、成本高、影响田间作业等问题。近几年的研究结果表明,无人机遥感系统可以高通量地获取多个地块的高时空分辨率图像,使精准分析农业气象条件、土壤条件、作物表型等参数的空间变异性及其相互关系成为可能,为大面积农田范围内快速感知作物缺水空间变异性提供了新手段,在精量灌溉技术应用中具有明显的优势和广阔的前景。无人机遥感系统已经应用在作物覆盖度、株高、倒伏面积、生物量、叶面积指数、冠层温度等农情信息的监测方面,但在作物缺水诊断和灌溉决策定量指标监测方面的研究才刚刚起步,目前主要集中在作物水分胁迫指数(CWSI)、作物系数、冠层结构相关指数、土壤含水率、叶黄素相关指数(PRI)等参数估算的研究,有些指标已经成功应用于监测多种作物的水分胁迫状况,但对于大多数作物和指标,模型的普适性还有待进一步研究。给出了无人机遥感在精准灌溉技术中应用的技术体系,并指出,为满足不同尺度的高效率监测和实现农业用水精准动态管理的需求,今后无人机遥感需要结合卫星遥感和地面监测系统,其中天空地一体化农业水信息监测网络优化布局方法与智能组网技术、多源信息时空融合与同化技术、作物缺水多指标综合诊断模型、农业灌溉大数据等将是未来重点研究内容。     

基于低空无人机遥感的高粱生长状况监测

配备多光谱相机的无人机可实现对农作物生长状况的快速无损监测,为评估无人机遥感监测高粱作物长势的可行性和准确性,利用无人机搭载的多光谱相机获取高粱拔节期、抽穗开花期、灌浆成熟期多光谱遥感图像,构建常用的4种植被指数与叶面积指数LAI和植被覆盖度FVC之间的回归模型。经过精确度评价,确定归一化差异植被指数NDVI为最优植被指数,LAI-NDVI和FVC-NDVI估算模型的决定系数R~2分别为0.91和0.88,均方根误差RMSE分别为0.28和0.06;平均绝对误差MAPE分别为11%和8%。基于此,选择归一化差异植被指数NDVI,分析LAI和FVC无人机遥感估算值和实测值之间的关系,通过交叉验证得到LAI值:R~2=0.94,RMSE=0.16,MAPE=13%;FVC值:R~2=0.90,RMSE=0.05,MAPE=4%,说明两者存在高度拟合性。结果表明:根据无人机遥感得到的归一化差异植被指数NDVI可准确地估算高粱作物的叶面积指数和植被覆盖度,无人机遥感适用于对高粱作物生长状态的监测。     

高通量表型技术在作物干旱胁迫中的应用研究进展

干旱胁迫是限制作物生长的重要因素之一。在全球气候变暖的大环境下，干旱造成大量作物产量损失，使得世界范围内粮食安全受到威胁。为应对这一问题，必须实现生产过程中作物水分含量的实时监测，以指导合理灌溉。同时有必要加快选育耐旱、抗旱的作物品种，以保证干旱胁迫下农业的可持续稳定发展。近年来，借助遥感技术、光谱技术、机器学习技术的集成能力，基于高通量表型技术的作物生长监测研究取得极大进展，为干旱胁迫下，大规模作物水分含量快速、无损、精确研究提供可能。高通量表型技术在作物干旱胁迫中的应用有助于指导精准灌溉，提高作物水分利用效率，并帮助育种学家快速筛选耐旱作物品种，辅助优质作物改良。系统阐述了高通量表型技术的原理以及其在作物干旱胁迫中的应用进展，以期为相关研究提供参考。     

基于无人机多光谱遥感的棉花生长参数和产量估算

及时准确地监测棉花长势和产量是精准农业栽培管理的关键。无人机(UAV)平台能够快速获取高时空分辨率的遥感数据,在作物生长参数和产量估算方面显示出巨大的潜力。以山东省滨州市棉花为研究对象,利用安装在无人机上的多光谱相机获取遥感影像,分别提取各波段反射率,筛选出8种植被指数,采用多元线性回归(MLR)、随机森林(RF)、人工神经网络(BPNN)3种方法分别构建棉花的株高、叶绿素相对含量、单株产量的估计模型并进行验证。结果表明,基于BPNN的预测模型精度明显优于MLR和RF模型,盛花期与成熟期棉花株高估计模型验证集的R²分别为0.842和0.670;叶绿素相对含量估算模型验证集的R²分别为0.725和0.765;产量估算模型验证集的R²分别为0.860和0.846。为无人机遥感在作物生长参数与产量估算领域中的应用提供理论依据,为进一步优化农业生产管理、科学决策提供参考。     

基于深度语义分割的无人机多光谱遥感作物分类方法

为精准获取农田作物种植分布信息以满足农业精细化管理需求,基于Deep Lab V3+深度语义分割网络提出了一种面向无人机多光谱遥感影像的农田作物分类方法。通过修改输入层结构、融合多光谱信息和植被指数先验信息、并采用Swish激活函数优化模型,使网络在响应值为负时仍能反向传播。基于2018—2019年连续2年内蒙古自治区河套灌区沙壕渠灌域的无人机多光谱遥感影像,在2018年数据集上构建并训练模型,在2019年数据集上测试模型的泛化性能。结果表明,改进的Deep Lab V3+模型平均像素精度和平均交并比分别为93.06%和87.12%,比基于人工特征的支持向量机(Support vector machine,SVM)方法分别提高了17.75、20.8个百分点,比Deep Lab V3+模型分别提高了2.56、2.85个百分点,获得了最佳的分类性能,且具有较快的预测速度。采用本文方法能够从农田作物遥感影像中学习到表达力更强的语义特征,从而获得准确的作物分类结果,为利用无人机遥感影像解译农田类型提供了一种新的方法。     

病害胁迫下玉米LAI遥感反演研究

为了在病害发生条件下进行玉米LAI的遥感估算,针对41个不同抗性的玉米自交系品种,通过人工接种方法,获得了不同病害严重程度(1～9级)的LAI数据,同时采集了地面高光谱和无人机多光谱数据,构建了K近邻算法、支持向量机、梯度提升分类树和决策分类树分类模型对病害进行分类,对玉米种质资源抗病性进行了划分。基于不同玉米病害胁迫程度分类结果,采用随机森林回归、梯度提升回归树、极端梯度增强算法、轻量梯度提升机4种机器学习模型对玉米LAI进行反演,讨论了不同模型在病害胁迫下的鲁棒性。研究结果表明,对不同生育期玉米病害程度进行划分,基于地面高光谱识别精度分别为84.72%(梯度提升分类树)、47.67%(支持向量机)、55.05%(K近邻算法)、83.02%(决策分类树)。基于病害分类结果,本文利用无人机多光谱数据估算了不同病情等级胁迫下的玉米LAI。构建了4种集成学习模型对不同病情等级的LAI进行估算,4个LAI反演模型的总体反演精度(rRMSE)分别为：19.11%(梯度提升回归树)、15.94%(轻量梯度提升机)、14.51%(随机森林回归)和15.45%(极端梯度增强算法)。其中极端梯度增强算...     

农业干旱卫星遥感监测与预测研究进展

干旱是影响农业生产的主要气候因素.传统的农业干旱监测主要是基于气象和水文数据,虽然能提供监测点上较为精确的干旱监测结果,但是在监测面上的农业干旱时,仍存在一定的局限.遥感技术的快速发展,尤其是目前在轨的卫星传感器感测的电磁波段涵盖了可见光、近红外、热红外和微波等波段,为区域尺度农业干旱监测提供了新的手段.充分利用卫星遥...     

无人机农业遥感在农作物病虫草害诊断应用研究进展

农田作物信息的快速获取与解析是开展精准农业实践的前提和基础。根据农作物病虫草害的实际程度进行变量喷施和作业管理,可减少农业生产成本、优化作物栽培、提高农作物产量和品质,从而实现农业精准管理。近年来,随着无人机产业的快速发展,无人机农业遥感技术因其空间分辨率高、时效性强和成本低等特点,在农作物病虫草害监测应用中发挥了重要作用。本文首先介绍了精准农业航空的基本思想与系统组成和无人机遥感在精准农业航空的地位。接着探讨了无人机农业遥感系统常见的成像方式和遥感影像解析方法,并阐述了国内外无人机农业遥感技术在农作物病虫草害检测研究的最新进展。最后总结了无人机农业遥感技术发展至今面临的挑战并展望了未来的发展方向。本文将为开展无人机农业遥感技术在精准农业航空领域的研究提供理论参考和技术支撑。     

基于特征优选与机器学习的农田土壤含盐量估算研究

土壤盐渍化是影响农业可持续发展的重要制约因素,为准确及时地获取土壤中盐分含量,实现盐渍化精准监测,以内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县境内的覆被农田为研究对象,探讨无人机多光谱遥感平台结合机器学习模型估测不同深度土壤含盐量的可行性。首先,利用无人机搭载五波段多光谱相机获取研究区域高时空分辨率遥感图像数据,并同步采集地面不同深度处土壤盐分数据,使用皮尔逊相关系数法(PCC)、极端梯度提升(XGBoost)和灰色关联分析法(GRA)对构建的光谱指数进行优选;然后,采用决策树(DT)、反向传播神经网络(BPNN)、支持向量机(SVM)和随机森林(RF)4种机器学习方法建立植被覆盖下不同深度的农田土壤含盐量反演模型。结果表明,使用方案3(XGBoost-GRA)变量优选方法可以有效地筛选出敏感光谱指数,且基于此方法优选后的光谱指数建立含盐量估算模型的精度高于仅使用PCC或XGBoost法构建的反演模型。对比不同建模方法在不同土壤深度处的反演精度,可知随机森林RF模型整体表现最优,同时另外3种反演模型也取得了较好的预测效果,0～20 cm土壤深度处的预测效果是3个土壤深度中最优的,其中精度最高模型的决...     

基于无人机多光谱遥感的大豆生长参数和产量估算

为适应现代农业发展对作物生长动态、连续、快速监测的要求，本文基于无人机多光谱遥感技术，以西北地区大豆作为研究对象，分别筛选出与大豆叶面积指数(Leaf area index, LAI)、地上部生物量和产量相关性较好的5个植被指数，采用支持向量机(Support vector machine, SVM)、随机森林(Random forest, RF)和反向神经网络(Back propagation neural network, BPNN)分别构建了大豆LAI、地上部生物量和产量的估计模型，并对模型进行了验证。结果表明，基于RF模型构建的大豆LAI和地上部生物量预测模型的精度显著高于SVM与BP模型，LAI估计模型验证集的R²为0.801,RMSE为0.675 m²/m²,MRE为18.684%;地上部生物量估算模型验证集的R²为0.745,RMSE为1 548.140 kg/hm²,MRE为18.770。而在产量的估算模型构建中，在大豆开花期(R4)基于RF模型构建的大豆产量预...