无人机机载激光雷达提取果树单木树冠信息

定株管理是未来果园精准生产管理的趋势，果树单木树冠信息的提取是定株管理的关键。该研究利用无人机采集的苹果园激光探测与测量数据（Light Detection and Ranging，LiDAR）检测和测量每棵果树的树冠面积和树冠直径，并评价空间分辨率对于果树单木树冠检测与提取的影响。该方法主要包括使用反距离权重插值法间接生成冠层高度模型（Canopy Height Model，CHM）；使用局部极大值滤波算法和标记控制分水岭分割算法（Marked-Controlled Watered Segmentation，MCWS）对果树进行单木树冠检测与提取，通过与参考数据的比较，评估了该方法的精度，并定量分析了空间分辨率对于单木树冠检测与信息提取结果的敏感性。结果表明，该方法有效地实现果树单木树冠检测与信息提取，代表果树检测精度的F1得分为94.86%，树冠轮廓提取准确率为86.39%，树冠面积的提取数据集和参考数据集的线性拟合结果决定系数和归一化均方根误差分别为0.81和20.56%，树冠直径的提取数据集和参考数据集的线性拟合结果决定系数和归一化均方根误差分别为0.85和14.79%，树冠面积和直径不同程度地被高估。此外，冠层高度模型的空间分辨率接近果树平均树冠直径的1/10时精度最高，可以有效检测果树单木树冠及提取树冠轮廓，从而准确提取果树单木树冠信息。     

基于无人机成像高光谱影像的冬小麦LAI估测

利用无人机Cubert UHD185 Firefly成像光谱仪和ASD光谱仪获取了冬小麦挑旗期、开花期和灌浆期的成像和非成像高光谱以及LAI数据。首先,对比ASD与UHD185光谱仪数据光谱反射率,评价两者精度;然后,选取7个光谱参数,分析其与冬小麦3个生育期LAI的相关性,并使用线性回归和指数回归挑选出最佳估测参数;最后利用多元线性回归、偏最小二乘、随机森林、人工神经网络和支持向量机构建了冬小麦3个不同生育期LAI的估测模型。结果表明:UHD185光谱仪光谱反射率在红边区域与ASD光谱仪趋势一致性很高,反射率在挑旗期、开花期、灌浆期的R^2分别为0.9959、0.9990和0.9968,UHD185光谱仪数据精度较高;7种光谱参数在挑旗期、开花期、灌浆期与LAI相关性最高的参数分别是NDVI(r=0.738)、SR(r=0.819)、NDVI×SR(r=0.835);LAI-MLR为冬小麦LAI的最佳估测模型,其中开花期拟合性最好,精度最高(建模R^2=0.6788、RMSE为0.69、NRMSE为19.79%,验证R^2=0.8462、RMSE为0.47、NRMSE为16.04%)。     

旱冻双重胁迫下的冬小麦幼苗长势遥感监测研究

为了探讨"旱冻交加"的气候条件下遥感监测小麦苗情的可行性,以河南省冬小麦为例,利用多时相MODIS为遥感数据源,引入了广泛用于小麦苗情监测的距平植被指数(AVI),同时基于植被健康状态指数(VHI)和晚霜冻害综合指数(I),构建了旱冻双重胁迫条件下的小麦苗情综合指数(CI),以反映冬小麦拔节期的生长状况,并分别利用实测样点苗情分类和距平植被指数对结果进行验证。结果表明,CI的总体分类精度为85.00%,Kappa系数为0.74;冬小麦总茎数与CI呈线性正相关关系,拟合方程为y=8.732CI+1.256,决定系数为0.605 3;与实测样本对比,CI预测精度为73.30%,苗情分类分级更符合小麦生长实际情况。因此认为旱冻双重胁迫下可以利用CI对冬小麦苗情进行监测。     

小麦倒伏的雷达极化特征及其遥感监测

研究探索了雷达遥感大面积监测小麦倒伏状况的潜力。利用覆盖整个小麦生育期的5景时间序列Radarsat-2全极化影像数据,对比分析了倒伏小麦与正常小麦在不同时间、不同极化的雷达后向散射动态响应规律,发现雷达极化特征对小麦倒伏十分敏感,基于此提出利用雷达极化指数监测小麦倒伏的方法。并利用内蒙古额尔古纳市上库力农场春小麦抽穗灌浆期的实地调查数据,对提出方法进行验证,结果表明该方法能有效辨识和监测小麦倒伏。为大面积监测小麦倒伏提供了一种简单、快速、有效的手段。     

基于权重最优组合和多时相遥感的作物估产

多时相遥感数据比单一时相携带了更多的反映作物产量的信息,研究如何将多时相遥感信息进行有机融合以提高作物估产精度的方法是具有意义的。权重最优组合（WOC）是一种通过对单个模型权重的最优化,来构建高精度组合模型的原理方法。论文以黑龙江农垦友谊农场大麦产量遥感估算为例,首先利用大麦4个时相的Landsat5 TM影像分别构建单一时相的大麦产量模型,然后利用WOC的迭代算法,通过赋予4个单一时相产量模型以最优权重,生成基于多时相遥感的组合模型估算大麦产量,结果表明：基于WOC和多时相遥感的组合估产模型的决定系数R2与单一时相的相比得到较大改善,估算精度提高明显。同时,通过对WOC获取的各时相单一模型最优权重大小进行分析表明：应用多时相遥感数据进行作物估产时,权重大小能够反映各时相遥感数据所携带的产量信息的多少,这对于如何选择和确定能有效反映作物产量的敏感遥感时相具有一定的指导意义。     

田间作物NDVI测量仪可靠性分析及标定环境研究

传统对田间作物NDVI测量仪定标大多采用单通道定标方法,该方法存在定标后在室外测量过程中数据偏差较大的问题。针对此类问题,该文以Crop Sense作物长势参量测量仪和SRS-NDVI归一化植被指数测量仪为待定标传感器,以ASD FieldSpec 4地物光谱仪为参考传感器,在室外复杂光照环境下对比多种定标物待定标传感器和参考传感器的测量结果并分析误差,得到田间作物NDVI测量仪的最适宜使用条件及可靠性分析结果。试验结果表明,田间作物NDVI测量仪的适宜测量条件为光照强度大于5.2 klx的情况,在该情况下光照强度和太阳高度角对田间作物NDVI测量仪的影响不显著,在其他条件下可靠性下降。在适宜测量条件下,晴天Crop Sense作物长势参量测量仪和SRS-NDVI归一化植被指数测量仪获取的NDVI与ASD FieldSpec 4地物光谱仪获取的NDVI间的RMSE分别为0.074 5～0.104 9和0.026 8～0.054 3,阴天RMSE分别为0.094 2～0.117 9和0.029 9～0.070 3。经室外定标模型校正后,晴天Crop Sense作物长势参量测量仪和SRS-NDVI归一化植被指数测量仪获取的NDVI与ASDField Spec4地物光谱仪获取的NDVI间的RMSE分别降低了37.1%～41.4%和10.7%～31.5%,阴天CropSense作物长势参量测量仪和SRS-NDVI归一化植被指数测量仪的RMSE减少33.8%～48.3%和48.7%～62.6%。此研究成果为被动式NDVI测量类传感器的标定及应用提供了科学的参考依据。     

作物长势监测仪数据采集与分析系统设计及应用

针对中小农场对作物长势快速监测与精确诊断的需求，本研究设计了作物长势监测仪（CropSense）数据采集与分析系统，该系统实现了数据采集、处理、分析和管理的一体化集成。系统通过蓝牙技术连接智能手机和作物长势监测仪获取作物采样数据，经服务器中内置光谱模型计算得到地块的作物生长参数分布专题图。依据地块预期产量指标，可提供可视化的专家决策处方。用户只需点击一次按钮，即可实时获取田间作物的监测诊断信息和专业的田间管理指导方案。目前系统已在多个研究机构实验农场试用，其中在小汤山基地的应用示例结果显示：在玉米大喇叭口期使用该系统进行作物诊断和指导施肥，比传统的施肥方案减少约16.67%施肥量。该系统具有采集分析数据高效便利、推荐施肥方案优化合理等特点，在中国家庭农场快速增长的背景下，具有广阔的应用前景。     

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。     

基于无人机高光谱遥感数据的冬小麦产量估算

为了准确和高效地预测作物产量,以冬小麦为研究对象,利用无人机遥感平台搭载高光谱相机,获取了冬小麦各生育期的无人机影像。根据高光谱具有较多的光谱信息且存在特有的红边区域的特点,选取了9种植被指数和5种红边参数。首先,分析植被指数和红边参数与产量的相关性,优选5种植被指数和2种红边参数用于构建产量估算模型;然后,构建了不同生育期的3种产量估算模型:单参数线性回归模型、基于植被指数并使用偏最小二乘回归方法模型、基于植被指数结合红边参数并使用偏最小二乘回归方法模型;最后利用3种模型分别估算冬小麦产量。结果表明:4个生育期内,大部分植被指数和红边参数与产量呈现极显著相关性;拔节期、挑旗期、开花期与灌浆期构建的单参数线性回归模型中表现最佳的参数分别为REP、Dr/Drmin、GNDVI与GNDVI;利用偏最小二乘回归方法提高了产量估算精度,以植被指数结合红边参数为因子构建的模型提高了产量估算效果(优于以植被指数为因子构建的产量模型)。本研究可为无人机高光谱估算作物产量提供参考。     

基于移动GIS 的家庭农场精准施肥系统设计

【目的】家庭农场是目前中国大力发展的新型农业生产主体,精准施肥是满足家庭农场现代化生产管理需求的重要研究方向和技术难点。研究智能手机和移动GIS技术有助于实时、准确地对农场的养分进行便捷管理。【方法】智能手机端APP结合Web端管理系统成为实现家庭农场精准施肥的主要技术手段。文章对样本点的土壤养分数据进行Kriging插值,进而利用养分平衡法施肥模型对整个地块的土壤数据进行分析,得到精准施肥矢量图并同步到Web端,最终指导变量施肥机进行变量精准施肥作业。【结果】(1)整个系统通过移动端对地块进行管理并获取数据,利用数据管理层同步数据并上传至服务端生成推荐施肥方案,并导出至移动端和变量施肥机;(2)系统在河南、河北和北京3个实验基地进行了初步试验,从信息采集、录入到养分管理、生成施肥方案等过程均验证了系统的实用性;(3)相对于传统施肥,利用系统的精准施肥方案施氮肥可平均节约纯氮约18 kg/hm2。【结论】系统使用方式灵活、方便且对使用人员技术要求低,相对于传统管理模式,工作效率有显著提高。该系统的推广使用可降低化肥使用量,节约成本且可以减少环境压力,对促进农业信息化、现代化具有重要意义。