基于AdaBoost模型和mRMR算法的小麦白粉病遥感监测

除选择合适的建模方法外,选择合适的特征选择算法来优选建模特征对提高作物病害的遥感监测水平具有重要作用。选取陕西省关中平原西部小麦白粉病为对象,基于Landsat 8遥感影像共提取了18个特征变量,通过相关性分析(correlation analysis,CA)和最小冗余最大相关(minimum redundancy maximum relevance,mRMR)2种特征选择算法筛选出了2组不同的特征变量,分别将其输入Fisher线性判别分析(Fisher linear discriminant analysis,FLDA)、支持向量机(support vector machine,SVM)和AdaBoost 3种方法,构建小麦白粉病发生严重程度监测模型,并对其进行精度验证与对比分析。结果表明,2种AdaBoost模型对小麦白粉病发生严重程度的总体监测精度分别比FLDA模型和SVM模型高出27.9%、27.9%和14.0%、9.3%,mRMR算法筛选特征所建FLDA、SVM及AdaBoost监测模型的总体监测精度分别比CA筛选特征所建模型高出7.0%、11.7%和7.0%,且mRMR算法筛选特征结合AdaBoost方法所建监测模型的精度和Kappa系数分别为88.4%和0.807,为所有模型中最高。说明将AdaBoost方法用于作物病害遥感监测效果较好,在作物病害监测模型的特征变量选择中mRMR算法比常用CA算法更具优势。研究结果可为其他作物病害遥感监测提供方法参考。     

小波分析与支持向量机结合的冬小麦白粉病遥感监测

为利用遥感影像数据在区域尺度上实现快速、准确地监测小麦白粉病的发生、发展情况,该研究基于环境与灾害监测预报小卫星(HJ-1A/1B)数据对地表温度(land surface temperature,LST)进行反演、提取4个波段反射率数据并构建7个植被指数。耦合K-mean和Relief算法对小麦白粉病遥感特征进行筛选。通过支持向量机(support vector machine,SVM)与小波特征(Gabor)结合SVM(Gabor SVM)的方法分别建立河北省晋州市小麦白粉病发生监测模型,并对2种模型的监测精度进行对比。结果表明:归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)、比值植被指数(simple ratio index,SR)和地表温度3种特征参量可较好地表征小麦白粉病的发生情况,Gabor SVM的总体精度达到86.7%,优于SVM的80%。因此,小波分析与支持向量机结合的方法可用于基于卫星遥感影像的大面积病害监测,对提高病害监测精度具有重要应用价值。     

基于网格搜索随机森林算法的工矿复垦区土地利用分类

为提高工矿复垦区遥感影像土地利用分类精度,为土地复垦监测工作提供数据支持,该文探讨了基于网格搜索(Grid-Search)的随机森林(random forest)复垦区土地利用分类方法。研究利用GF-1影像、DEM(digital elevation model)和野外调查等数据,以随机森林分类算法为框架,采用基于OOB(Out-of-Bag)误差的网格搜索法对算法进行参数寻优,结合影像光谱、地形、纹理、空间信息,计算选取了33个特征变量,构建了4种变量组合模型开展随机森林分类试验,4个组合模型的分类精度分别达到82.79%、84.91%、86.75%、88.16%。为去除33个特征变量中的冗余信息、降低影像波段变量维度、缩短分类执行时间并保证影像分类精度,试验分别利用变量重要性估计和Relief F方法进行特征选择后再次执行随机森林分类,将分类结果与不同组合模型、不同分类方法进行比较,结果表明:基于网格搜索参数寻优的随机森林算法在多特征变量的影像分类中可以达到88.16%的分类精度,在利用不同方法降维后依然可以将分类精度保持在85%以上,精度优于相同特征变量下的SVM(support vector machine)和MLC(maximum likelihood classification)分类方法;在效率方面,随机森林分类方法执行时间优于SVM,并且在处理多维特征变量时能力更强。由此可见,采用基于网格搜索的随机森林方法对工矿复垦区土地利用信息进行分类提取可以得到较高的精度,基于该方法开展遥感影像解译可为土地复垦监测工作提供技术支持和理论参考。     

基于无人机多光谱影像的槟榔黄化病遥感监测

黄化病是一种严重危害槟榔生长的病害,迫切需要及时、准确地监测其侵染的严重度差异和空间分布。低空无人机遥感可有效解决槟榔种植区由于多云雨天气而造成光学卫星影像获取不足,提高槟榔黄化病监测的实时性。该文利用大疆精灵Phantom 4 Pro V2.0四旋翼无人机搭载MicaSense RedEdge-M多光谱相机获取5波段多光谱影像,基于最小冗余最大相关算法(Minimum Redundancy Maximum Relevance,m RMR)从15个潜在的植被指数中优选比值植被指数(Ratio VegetationIndex,RVI)、改进的简单比值指数(ModifiedSimpleRatioIndex,MSR)和花青素反射指数(Anthocyanin Reflectance Index,ARI)作为敏感特征,分别利用后向传播神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN)、随机森林(Random Forest, RF)和支持向量机(Support Vector Machine, SVM)分类算法,构建了槟榔黄化病严重度监测模型。结果表明,BPNN模型总体精度达到91.7%,分别比RF模型和SVM模型提高6.7%和10.0%,且Kappa系数为0.875,为所有模型中最高,漏分、错分误差也最小,健康,轻度和重度分别为11.1%、15.8%,13.6%、9.5%和0、0。研究结果证明了无人机多光谱遥感影像监测槟榔黄化病的可行性,同时也可为其他热带作物病害监测提供案例研究。     

Sentinel-2影像和BP神经网络结合的小麦条锈病监测方法

选用包含红边等多种不同波段信息的多光谱卫星数据,为区域尺度上展开作物病害监测研究提供更加丰富有效的信息,相比于常规的宽波段卫星遥感影像,搭载红边波段的Sentinel-2影像对作物病害胁迫更加敏感,能显著提高模型精度。该文以陕西省宁强县小麦条锈病为研究对象,基于Sentinel-2影像共提取了26个初选特征因子:3个可见光波段反射率(红、绿、蓝)、1个近红外波段反射率、3个红边波段反射率、14个对病害敏感的宽波段植被指数和5个红边植被指数。结合K-Means和ReliefF算法筛选病害敏感特征,最终筛选出3个宽波段植被指数,包括:增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)、结构加强色素指数(structure intensive pigment index,SIPI)、简单比值植被指数(simple ratio index,SR),2个红边波段植被指数:归一化红边2植被指数(normalized red-edge2 index,NREDI2)、归一化红边3植被指数(normalized red-edge3 index,NREDI3)。利用BP神经网络方法(back propagation neural network,BPNN),分别以宽波段植被指数和宽波段植被指数结合红边波段指数作为输入变量构建小麦条锈病严重度监测模型,对比2种模型的监测精度。结果显示,基于宽波段植被指数结合红边波段植被指数的监测模型的总体精度达到83.3%,Kappa系数0.73,优于仅基于宽波段植被指数特征所建监测模型的精度73.3%,Kappa系数0.58。说明红边波段能够为病害监测提供有效信息,采用宽波段植被指数和红边波段植被指数相结合的方法能够有效提高作物病虫害监测模型精度。     

基于近红外高光谱成像技术鉴别杂交稻品系

种子的筛选和鉴别是农业育种过程中的关键环节。该文基于近红外高光谱成像技术(874~1 734 nm)结合化学计量学方法以及图像处理技术实现杂交稻种的品系鉴别及可视化预测。采集了3类不同品系共2 700粒杂交水稻的高光谱图像,用SPXY算法,按照2∶1的比例划分建模集和预测集。基于水稻样本的光谱特征,采用主成分分析(PCA)方法初步探究3类样本的可分性。采用连续投影算法(SPA),提取出7个特征波长:985.08、1 106、1 203.55、1 399.04、1 463.19、1 601.81、1 645.82 nm。基于特征波长和全波段光谱,建立了偏最小二乘判别分析(PLS-DA)和支持向量机(SVM)模型。试验结果表明,所建模型判别效果较好,识别正确率均达到了90%以上,其中,SVM模型的判别效果优于PLS-DA模型,基于全谱的判别分析模型结果优于基于特征波长的判别模型。结合SPA-SVM校正模型和图像处理技术,生成样本预测伪彩图,可以直观的鉴别不同品系的水稻种子。结果表明,近红外高光谱成像技术可以实现杂交稻的品系识别及可视化预测,为农业育种过程中种子的快速筛选及鉴定提供了新思路。     

基于最优二叉决策树分类模型的奶牛运动行为识别

针对奶牛行为分类过程中决策树算法构建主观性强、阈值选取无确定规则,易导致分类精度差的问题,该文提出一种基于最优二叉决策树分类模型的奶牛运动行为识别方法,首先选取描述奶牛腿部三轴加速度数值大小、对称性、陡峭程度、变异程度、不确定性及夹角的24个统计特征量,其次通过构建ROC(receiver operating characteristic,ROC)曲线获得各统计特征量的最佳行为类别分组方式及最优阈值,然后利用信息增益作为最优二叉决策树划分属性的选择标准,最终构建最优二叉决策树分类模型对奶牛运动行为进行分类识别。试验结果表明,该分类模型能够有效区分奶牛的站立、平躺、慢走、快走、站立动作、躺卧动作6种运动行为,平均准确率、平均精度、平均F1值分别为76.47%、76.83%、76.57%,相较传统的ID3(iterative dichotomiser 3,ID3)决策树算法分别高5.71、5.4和5.61个百分点,分别高于K-means聚类算法7.51、8.02和7.77个百分点,优于支持向量机算法6.77、6.72和6.57个百分点。该方法可为提高奶牛行为分类精度提供有效的理论支撑。     

基于近红外光谱的绿茶滋味品质估测模型北大核心CSCD

绿茶中的茶多酚与氨基酸含量之比(即酚氨比)是评价绿茶滋味品质的量化指标。本文提出利用近红外光谱技术快速分析绿茶汤的酚氨比,并对光谱的特征变量进行筛选以提高模型的精度和稳定性。试验采用联合区间偏最小二乘法(siPLS)结合连续投影算法(SPA)筛选特征变量,建立酚氨比的估测模型,并与PLS、iPLS和siPLS方法建立的模型性能相比较。结果表明,应用siPLS结合SPA优选7个特征变量,主成分因子数为4时,所建模型性能最好,模型预测集相关系数(R p)为0.906,预测均方根误差(RMSEP)为0.258。对预测集30个样本的预测值与参考值进行t检验时,预测值与参考值无显著差异,说明模型准确可靠,可实现绿茶滋味品质的近红外光谱快速估测。     

基于Landsat 8 OLI影像纹理特征的面向对象土地利用/覆盖分类

针对如何提高中低分辨率遥感影像分类精度,该研究以河北省石家庄市Landsat 8 OLI遥感影像为研究对象,对灰度共生矩阵(gray-level co-occurrence matrix,GLCM)纹理与伽博(Gabor)滤波器下的Gist纹理特征进行对比,应用J-M(Jeffries-Matusita)距离可分离性分析GLCM最优纹理特征,并利用最佳指数法(optimum index factor,OIF)获取GLCM与Gist纹理特征的最佳特征组合;其次对面向对象分类的分割尺度进行研究,提出整体最优分割尺度计算方法;最后进行基于纹理特征的面向对象分类识别与精度评价,并与基于原始数据的面向对象分类结果进行对比。研究表明:Gist纹理特征使分类精度有了一定的提高,基于纹理数据的面向对象支持向量机(support vector machine,SVM)分类及面向对象K邻近法(K-nearest neighbor,KNN)分类的总体分类精度(overall accuracy,OA)分别比基于原始数据的2种方法分类精度提高3.67和3.33个百分点,基于纹理的面向对象SVM方法具有最高的精度,OA达到85.67%。不管是基于原始数据还是纹理数据,面向对象分类精度远高于最大似然分类(maximum likelihood classification,MLC)、马氏距离分类(mahalanobis distance classification,MDC)和SVM分类精度,且面向对象分类方法对纹理数据更为敏感。该文提出的基于纹理的面向对象分类方法有效提高了遥感影像分类精度,为区域土地利用/覆盖信息提取提供了有效的途径。     

柑桔叶片黄龙病光谱特征选择及检测模型

为探索高光谱技术诊断黄龙病及分类的可行性,通过变量筛选方法组合为高维数据实用化提供参考。采集柑桔叶片高光谱图像并进行普通(polymerase chain reaction,PCR)鉴别分为轻度、中度、重度、缺锌和正常5类样品。用无信息变量消除算法(uninformative variable elimination,UVE)剔除无关信息,组合遗传算法(genetic algorithm,GA)和连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)筛选变量,对数据进行降维。结合极限学习机(extreme learning machine,ELM)和最小二乘支持向量机(least squares support vector machine,LS-SVM)构建柑桔黄龙病判别模型。对预测样品进行诊断分类,来评价模型判别能力。经对比发现,UVE组合SPA筛选变量后的LS-SVM模型效果最好,该模型以Link_kernel函数为核函数,惩罚因子(γ)最小为1.07,误判率最低为0。用全谱作输入变量时LS-SVM模型复杂程度最高且预测能力最差,误判率最高为11.9%,可能是包含无用信息和冗余信息变量造成的。研究显示,UVE组合SPA筛选变量,结合LS-SVM对柑桔黄龙病诊断并分类具有一定可行性,为高维度数据实用化提供一定参考价值。     

遥感与气象数据结合预测小麦灌浆期白粉病

利用多源数据对区域尺度上小麦白粉病的发生状况准确及时地预报能为农业服务和农业植保等部门提供重要信息,实现小麦白粉病的有效预防。研究利用一景2014年5月6日的landsat8遥感影像提取出植被指数、地表温度(land surface temperature,LST)和影像中各波段反射率特征,同时用2014年3月-5月份的站点逐日地面气象资料计算获得各气象特征,并经过GIS空间插值分析得到相应的空间气象特征。通过Relief算法和泊松相关系数相结合的方式进行遥感和气象特征的筛选,最终得出改进的简单比值指数(modified simple ratio index,MSR)、重归一化植被指数(re-normalized difference vegetation index,RDVI)、3月21日-4月20日总日照时数和4月11日-5月10日大于0.1 mm降雨日数。采用相关向量机(relevance vector machine,RVM)的方法分别用筛选出的遥感、气象数据特征及2种数据特征相结合的方式构建了河北省石家庄市藁城、晋州和赵县3地区小麦灌浆期白粉病的发生预测模型,并对3种不同数据模型进行了验证与评估。试验结果表明,遥感气象数据模型的总体精度达到84.2%,优于遥感数据模型的80.0%和气象数据模型的74.7%。进而得出,相比于单站点准确和空间不连续的气象数据和类型单一的遥感数据,遥感气象数据更适合于区域尺度范围内的作物病虫害发生发展状况的预测研究。     

基于HJ卫星CCD数据的冬小麦病虫害面积监测

遥感在农作物病虫害监测中广泛采用的简单植被指数阈值法难以判别冬小麦的健康状况。该研究选择二值逻辑回归法,分别建立实测光谱得到的植被指数与其健康状况之间的关系模型。结果表明,重归一化植被指数RDVI模型和三角植被指数TVI模型可信度较好。考虑到遥感监测冬小麦病虫害时,涉及的地域范围广,冬小麦生长状况存在明显的局域差异,采用了3×3邻域像元的一致性假设消除局部环境差异。将模型应用到中国新近发射的环境与灾害监测预报小卫星星座HJ-CCD传感器数据,得到提取的冬小麦受病虫害胁迫范围与枣阳市植保站普查结果相符,也与地面实测结果相一致,其中,TVI模型结果的精度达到76.47%,能够满足农作物病虫害面积遥感监测要求。     

基于因子分析-BP神经网络的小麦叶片白粉病反演模型

明确白粉病胁迫下小麦叶片受害程度并构建误差小、精度高的反演模型,是实现小麦白粉病遥感监测和精确防控的基础。基于大田小区小麦白粉病人工接种试验,采用高光谱仪测试不同白粉病危害程度下冬小麦叶片光谱反射率,利用常规光谱特征参数、比值指数和归一化指数及因子分析(factor analysis,FA)与BP神经网络(back propagation neural network,BPNN)相结合的方法对小麦叶片白粉病严重度进行模型模拟并对模型拟合精度与适用性比较。结果表明:对小麦白粉病反应敏感的光谱波段为415、485~495、620~640 nm。常规光谱参数中表现较好的光谱植被指数和两波段比值及归一化植被指数的决定系数范围为0.6~0.8,均方根误差范围为8.5~11.5,其中,RI(670,855)、NDVI(680,880)、RGRcn和PSRI对白粉病反演精度及误差控制表现得相对较好。经过FA提取敏感波段的公共因子,进而利用BPNN算法进行模拟,较常规光谱参数有效提高了病情严重度的估算精度,各个测定时期模拟检验决定系数大于0.80,模型的检验均方根误差小于8.09,整个灌浆期反演模型检验的均方根误差和相对误差分别为7.84和7.56%,反演模型对小麦白粉病的整个病症期均具有很好的适用性。由此可得,基于FA-BPNN法所建立的反演模型精度高、误差小,对小麦白粉病病害时期兼容性好,研究结果对植物病害精确防控具有重要意义。     

群体小麦条锈病发病动态无人机遥感监测方法

针对当前育种群体小麦条锈病表型分析手段单一、效率低下等问题,该研究提出了一种基于无人机低空遥感和多光谱成像技术的群体小麦田间条锈病高通量表型动态分析方法。该方法利用无人机采集自然发病的育种群体小麦（共600个样本,516个基因型）冠层多时相的光谱图像,并提取22个植被指数作为后续分析的表型,同时按照发病后的时间顺序与传统条锈病人工鉴定标准记录条锈病发病阶段和发病严重度数据;使用随机森林算法建立22个光谱植被指数同条锈病发病阶段与病害严重度的分类模型,并筛选出对上述两个分类问题敏感的植被指数;同时,使用随机蛙跳算法对特征进行筛选以降低仅使用随机森林算法对特征筛选的偶然性,并将随机蛙跳算法给出被选择概率排名在约前1/3的特征作为SVM算法的输入,构建发病阶段与病害严重度模型以验证随机蛙跳算法对特征筛选的有效性;综合两次特征选择的结果,分别筛选出对发病阶段和病害严重度敏感的3个植被指数,并基于这些指数响应的时间序列分析了群体中6个参考品种发病动态的差异。对条锈病发病阶段的分类模型构建中,随机森林和SVM模型测试集的F1分数分别为0.970和0.985;对条锈病严重度等级分类中,二者的F1分数为0.740和0.780,表明通过所建立的模型可以实现对群体小麦发病阶段和病害严重度等级的分类,且随机森林算法和随机蛙跳算法都能够筛选出对条锈病发病阶段和病害严重度敏感的特征。筛选出的差分植被红边指数（Difference Vegetation Index - Rededge,DVIRE）的响应对病害胁迫较为敏感,可用于同时描述田间条锈病发病阶段和严重度。该研究提出的高通量表型分析方法,基于无人机成像光谱提取的植被指数对群体小麦田间条锈病进行时间序列动态分析,能够精准量化群体小麦受条锈病胁迫状态,并可为其他作物抗病育种的表型分析提供一定的参考。     

基于特征优选随机森林算法的农耕区土地利用分类

为了提高农耕区土地利用分类精度,该文采用较高空间分辨率和丰富光谱信息的Sentinel-2数据生成光谱特征、无红边波段的植被指数、红边指数和纹理特征4种基本特征变量,并对以上特征变量优选后进行特征重要性排序,进而构建7种特征组合方案,基于随机森林算法和支持向量机对农耕区土地利用信息进行提取并对比验证分类精度。研究结果表明:通过特征优选的随机森林算法进行土地利用信息提取效果最佳,总体精度达到88.24%,Kappa系数为0.84,精度优于相同特征变量下的支持向量机分类方法。该方法能够有效提高农耕区土地利用分类精度,可为土地资源监测、管理提供技术支持和理论参考。     

高光谱图像技术诊断温室黄瓜病害的方法

利用高光谱图像技术研究了诊断温室黄瓜病害的方法,以提高诊断的准确性和效率。试验以黄瓜霜霉病、白粉病为研究对象,利用高光谱图像采集系统获取黄瓜病叶的高光谱图像数据,在450～900 nm范围内的高光谱图像数据中,选出特征波长下的图像;然后,对该图像进行去除噪声的滤波处理,并提取黄瓜病叶的色度矩纹理特征向量;最后采用支持向量机分类方法对黄瓜病害进行诊断。研究结果表明,采用高光谱图像新技术与线性核函数对黄瓜霜霉病、白粉病的正确诊断率达100%,采用高光谱图像技术可以实现对温室黄瓜病害进行快速、精确的分类诊断。     

地下部分隔对间作小麦养分吸收和白粉病发生的影响

通过根系分隔的盆栽试验,探讨了地下部分隔对小麦//蚕豆间作系统中小麦的养分吸收和白粉病发生的影响。结果表明:根系不分隔小麦的生物量和N、P、K吸收量均大于尼龙网分隔处理和根系完全分隔处理。根系分隔方式还影响了小麦白粉病的发生,小麦白粉病的发病率和发病指数均表现为根系不分隔(I)尼龙网分隔(M)完全分隔(P)。表明地下部的相互作用改善了小麦的生长,提高了小麦抗白粉病的能力。     

δ13C法研究砂姜黑土添加秸秆后团聚体有机碳变化规律

为研究水稻秸秆添加对砂姜黑土水稳性团聚体分布及稳定性的影响,探索水稻秸秆腐解过程中外源新碳及原有机碳在不同粒级团聚体中的分配规律,该文通过室内模拟试验,运用δ~(13)C示踪方法,将稳定同位素碳(δ~(13)C)标记的水稻秸秆添加入砂姜黑土,利用湿筛法得到不同培养时期不同粒级的土壤水稳性团聚体,测定不同时期各粒级土壤外源新碳及原有机碳含量。结果表明:未添加水稻秸秆的砂姜黑土(对照组),水稳性微团聚体(250μm)占主体,团聚体有机碳含量低。与对照相比,添加水稻秸秆(试验组)显著促进了2000、2000~250μm粒级水稳性大团聚体的团聚(P0.05);培养到120 d时,2000、2000~250μm水稳性团聚体比对照组分别增加了265.5%、16.0%,促使水稳性大团聚体(250μm)占主体,显著提高了砂姜黑土水稳性团聚体的平均重量直径(mean weight diameter,MWD)、几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)、水稳性大团聚体含量(R0.25),降低了分形维数(D)值(P0.05),土壤结构稳定性明显得到改善。试验组各粒级团聚体有机碳含量显著增加,培养到15 d时,2000、2000~250、250~53、53μm粒级团聚体有机碳分别比对照组增加了21.4%、25.4%、34.7%、50.0%,其中微团聚体有机碳增加幅度大于大团聚体的增加幅度。MWD、GMD、R0.25与2000~250、250~53μm粒级团聚体有机碳呈极显著正相关关系(P0.01),与2000μm粒级团聚体有机碳呈显著正相关关系(P0.05)、与53μm粒级团聚体有机碳关系不显著。不同粒级团聚体的δ~(13)C值明显增加,动态变化较大,表明外源新碳周转速率较快。外源新碳主要分配在250~53、53μm粒级微团聚体中,分配比例分别为38%、28%,外源新碳的分解速率明显快于原有机碳。研究得出添加水稻秸秆有利于增加砂姜黑土的团聚体稳定性,提高土壤及不同粒级团聚体的有机碳含量,提升土壤碳水平,改善了土壤结构,这为淮北地区土壤质量提升及有机碳循环提供了理论依据。