采用YOLO算法和无人机影像的松材线虫病异常变色木识别

松材线虫病是一种传播速度快的毁灭性森林病害,利用无人机遥感及时对松材线虫病病害木进行监测,是控制松材线虫病蔓延的有效方式.该研究利用YOLO算法自动识别无人机遥感影像上的松材线虫病异常变色木,利用深度可分离卷积和倒残差结构改进YOLOv4算法,提高了识别的精度和效率.比较Faster R-CNN、EfficientDe...     

松材线虫病的为害情况及防治措施浅析

松材线虫病对我国林业的发展造成巨大的经济损失.为了进一步提高植树造林的效率与品质,改善自然生态环境,推动林业行业的可持续发展,需要深入了解松材线虫病的为害及防治措施.基于此,阐述松材线虫病的发病原因、为害程度以及传播方式,并提出松材线虫病的防治措施.     

基于厘米级无人机影像的水土保持措施精准识别

基于厘米级高分辨率无人机影像,应用面向对象方法(Object-Based Image Analysis, OBIA)对吉林省伊通县椽子沟流域的横坡改垄、地埂植物带、生态恢复乔木林、生态恢复草地等水土保持措施进行自动精准识别。应用超绿指数(Excess Green Index,ExG)、超红指数(Excess Red Index,ExR)、归一化差异指数(Normalized Difference Index,NDI)等光谱指数,形状的主方向、形状指数等形状特征,均值(Mean)、方差(Variance)、对比度(Contrast)等纹理特征进行措施的特征提取。结果表明:研究区水土保持措施识别的总体精度可达91.24%,Kappa系数为0.87;对垄台、垄沟等线性水土保持措施总体精度可达72.33%,Kappa系数为0.63。基于厘米级无人机影像,应用面向对象方法基本可实现对黑土区水土保持措施的精准识别,也可对垄台垄沟等线性措施进行自动识别,研究结果可为水土保持措施实施范围及完好程度的动态监测提供参考依据。     

基于半监督学习的松林变色疫木检测方法

针对模型训练中数据标注成本过高的问题,提出一种基于无人机图像分析的半监督变色疫木目标检测方法。该方法提出级联抗噪声半监督目标检测模型（Cascade Noise-Resistant Semi-supervised object detection,CNRS）,使用抗噪声学习提升模型对伪标签的学习质量;通过级联网络解决训练中正负样本的分布问题;使用ResNet50和特征金字塔网络结构增强模型对多尺寸和小目标疫木的识别能力;在监督学习阶段使用FocalLoss,提升网络对边缘目标和早期疫木等困难样本的学习,使用SmoothL1Loss保证梯度相对稳定;在RCNN阶段使用软化非极大抑制软化检测框剔除过程。该文提出的半监督目标检测模型CNRS使用训练集中半数标注的数据进行训练,试验结果表明,最优模型在测试集上的平均精度（Average Precision,AP）可达87.7%,与Faster RCNN使用完全标注数据相比,标注量减少了50%,且AP提升了2.3个百分点,与同时期最先进的半监督模型Combating Noise相比,AP提升了1.6个百分点。该方法在准确检出多种不同形态疫木的基础...     

基于无人机影像的可见光波段植被信息识别

该文通过对6种典型地物在无人机影像可见光波段的光谱特性分析,提出一种基于红、绿、蓝波段的可见光植被指数—超绿红蓝差分指数EGRBDI(excess green-red-blue difference index),并运用该植被指数与18种基于可见光波段的植被指数进行精度比较研究。研究表明,在利用均值和1倍标准差获得的区间范围内,EGRBDI各地类之间的信息无重叠交叉现象;该指数能对植被覆盖相对稀疏区域进行植被信息识别,其总体精度为97.67%,Kappa系数为0.9415,较其他18种指数具有更好的植被信息识别能力。利用不同地物覆盖情况的3幅无人机影像作为数据源,对EGRBDI适用性和稳定性进行研究,结果表明,在3个研究区中,基于EGRBDI的植被信息识别总精度均高于93%,Kappa系数均大于0.85,提取精度受地物类型差异影响的波动性较小,能较好地削弱影像中阴影等因素的影响,具有较好的适用性、可靠性和提取精度。     

基于无人机可见光图像Haar-like特征的水稻病害白穂识别

实现稻田精准植保的关键是自然环境下病变区域的准确识别。为实现大面积稻田中白穗的精确识别,该文提出一种小型多旋翼无人机水稻病害白穂识别系统,该系统以无人机平台作为图像采集、处理和识别的基础,首先对白穗图像提取Haar-like特征,其次以Adaboost 算法进行白穗训练识别。以4类Haar-like特征及其组合构建弱分类器,用采集的稻田白穗和背景共700个样本点训练生成强分类器。所得强分类器对测试集中65幅图像中的423个白穗样本点进行识别验证,结果表明：白穗识别率可达93.62%,误识别率为5.44%,该方法可有效抑制一般的稻叶遮挡、稻穗黏连以及光照等复杂背景的影响,适合于自然环境下的稻田白穗现场识别。     

基于无人机多光谱影像的病害棉田产量损失估算

该研究利用无人机多光谱遥感影像对棉花黄萎病造成的产量损失进行估算,为棉花黄萎病预防和防治提供依据。对病害棉田进行调查,获取无人机多光谱影像及地面产量损失数据,利用相关系数法及灰度值标准差法分别筛选识别病害棉株的最佳植被指数、最佳波段组合;基于筛选的结果建立棉田综合影像（最佳波段组合与差值植被指数综合影像）,利用支持向量机径向基核函数分类法对病害棉田原始影像和综合影像进行产量空间分布分析及产量损失估算。结果表明,无人机多光谱影像识别病害棉田的最佳植被指数、最佳波段组合分别是差值植被指数（相关系数为-0.86）、波段B3（550～10 nm）、B5（656～10 nm）、B8（800～10 nm）的波段组合(B3-B5-B8)（最佳指数因子为153.44）;综合影像较原始影像更能准确识别病害棉田产量空间分布情况（总体精度为96.64%,Kappa系数为95.61%）,不同病害严重度（健康b0、轻度b1、中度b2、重度b3、极严重b4）对应棉田面积比例分别为7.81%、23.78%、29.20%、13.92%、17.43%;综合影像对病害棉田产量损失量估算效果最好,不同病害严重度（b0、b1、b2、b3、b4）对应棉田产量损失率分别为0、22.80%、31.32%、49.02%、76.33%,预估籽棉损失量达4 260.01 kg,损失率为49.16%,皮棉损失量达2 267.18 kg,损失率为54.51%。与病害胁迫棉田产量损失估算值相比,实际棉田籽棉损失率高6.28%,皮棉损失率高4.48%。病害胁迫棉田产量估算值与实际棉田收获值差异不显著,能够准确实现病害棉田产量损失估算。研究结果可为无人机遥感监测作物病害造成的产量损失提供理论依据和参考。     

基于无人机和卫星遥感影像的制种玉米田识别纹理特征尺度优选

制种玉米田在高空间分辨率遥感影像上呈现的明显条带状纹理,是有效区分光谱值相近的大田玉米和制种玉米的重要信息.该文在新疆维吾尔自治区奇台县玉米种植区以高空间分辨率的无人机遥感影像为数据源,针对制种玉米识别的纹理特征计算尺度问题,首先采用最近邻内插法对制种玉米和大田玉米样本田块的无人机影像进行重采样,得到不同分辨率的样本;然后用融合Uniform-LBP(local binary pattern)和GLCM(gray level co-occurrence matrix)方法得到提取玉米田块纹理特征合理GLCM参数,其中方向参数为0°、45°、90°和135°这4个方向上的纹理特征值的平均值、距离为5~7像元、灰度级为8;通过多尺度对比分析,得到最适宜区分制种玉米与大田玉米的纹理辨率为0.6~0.9m.最后采用奇台县的0.7m分辨率的Kompsat-3遥感影像进行验证,在多时相EVI(enhanced vegetation index)光谱信息识别玉米的基础上,利用本文确定的纹理分析方法,通过决策树建立规则识别制种玉米,识别精度达90.9%.通过该文的研究,可为高空间分辨率遥感制种玉米田监管提供支撑.     

基于无人机倾斜航空影像的树冠体积测算方法

树冠是结构复杂的不规则体,对树冠体积的精确测定一直是树木测量研究中的难点问题。该文以消费级多旋翼无人机对目标树木进行倾斜摄影获取的多角度航空影像为基础,通过空三加密处理生成目标树木的三维点云模型;用等高线法分割树冠点云,并确定树冠最优分割层数;用投影法对点云数据进行转化,并选取测算点计算树高和树冠任意横截面积;对分割后各规则体的体积进行累加获得树冠体积。结果表明:8棵目标树木的树高测算值相对误差为1.46%～4.10%,平均相对误差为2.88%;树冠体积测算值的相对误差为6.95%～12.39%,平均相对误差为9.42%;精度均可满足林业调查中对于树高和树冠体积测量结果的要求。利用无人机倾斜航空影像建立单木的三维点云模型并进行树冠体积测算的方法是可行且有效的,该方法可为研究单木树冠几何参数的提取提供参考。     

基于无人机图像分割的冬小麦叶绿素与叶面积指数反演

叶绿素含量与叶面积指数是反映作物长势的重要理化参数,准确、高效定量估计小麦叶绿素含量与叶面积指数对于产量预测和田间管理决策具有重要意义,无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)遥感影像具有高空间分辨率的优势,被广泛应用于作物理化参数反演,但现有叶绿素含量与叶面积指数反演模型受土壤、阴影等背景噪声...     

基于无人机影像的农情遥感监测应用

该文以中国农业科学院（万庄）农业高新技术产业园及周边地区4.2×3.1 km的范围为研究区域,利用无人机搭载RICOH GXR A12型相机进行了航拍试验,主要测试了定位定向系统（positioning and orientation system,POS）数据辅助下光束法区域网平差方法平面定位及面积测量精度,以及无人机影像的作物面积识别精度。结果表明,在无控制点约束条件下,直接采用POS数据进行光束法区域网平差后,以中误差表示的平面定位精度为X轴方向（东西方向）中误差为2.29 m,Y轴方向（南北方向）中误差为2.78 m,整体平面中误差3.61 m;采用3阶一般多项式模型进行几何精校正,X轴方向中误差为1.59 m,Y轴方向中误差为1.8965 m,整体平面中误差为2.32 m,符合《数字航空摄影测量空中三角测量规范》中对1∶10 000平地的平面精度要求,能够满足农作物面积遥感监测中作物面积调查定位精度的要求;采用监督分类和面向对象分类2种方法,对面积评价区域种植的春玉米、夏玉米、苜蓿和裸土4种地物类型进行分类,以差分GPS调查结果为评价标准,4种作物总体识别精度分别达到了88.2%（监督分类）和92.0%（面向对象分类）,单独分类精度分别为88.9%、86.7%、93.0%、86.6%和90.35%、92.61%、94.93%、93.30%。研究结果说明了无人机遥感影像获取小范围、样方式分布的作物影像方面具有广泛的应用前景,推广后能够满足全国农作物地面样方对高空间分辨率影像的需求,可以部分替代现有人工GPS测量的作业方式。     

基于小型无人机遥感的玉米倒伏面积提取

该文使用2012年小型无人机遥感试验获取的红、绿、蓝彩色图像研究灌浆期玉米倒伏的图像特征和面积提取方法。研究首先计算和统计正常、倒伏玉米的30项色彩、纹理特征,然后比较特征的变异系数和相对差异评选出适宜区分正常、倒伏玉米的特征;通过分析发现,与红、绿、蓝色灰度比较,多项色彩、纹理特征的变异系数更大或不同类别间的相对差异更小,不适用于准确区分正常、倒伏玉米,最适于区分正常和倒伏玉米的特征是3项基于灰度共生矩阵的红、绿、蓝色均值纹理特征。分别基于色彩特征和评选出的纹理特征提取倒伏玉米面积,对比2种方法的误差发现,基于红、绿、蓝色均值纹理特征提取倒伏玉米面积的误差最小为0.3%,最大为6.9%,显著低于基于色彩特征提取方法的。该研究结果为应用无人机彩色遥感图像准确提取倒伏玉米面积提供了依据和方法。     

无人机航拍林业虫害图像分割复合梯度分水岭算法

针对林业信息监测方式实时性差、监测范围有限等问题,为更加实时、准确地对林业虫害信息进行监测并计算监测样地中虫害区域比例,该文在搭建面向林区虫害监测的多旋翼无人飞行器航拍监测系统基础上,提出了一种基于复合梯度分水岭算法的图像分割方法。该方法引入全局直方图均衡化消除了图像暗纹理的影响,并采用形态学混合开闭重构滤波完成了图像样本的去噪处理。计算灰度图像各像素点的复合梯度实现了非相关区域(道路及裸地)的提取,最终利用分水岭算法实现了监测图像虫害区域的分割提取。利用该文所提算法对8幅虫害侵蚀程度不同的监测图像进行分割,并与传统分水岭算法、K-means聚类算法进行对比试验。试验结果表明,该文算法虫害区域提取的平均相对误差率分别降低6.56%、3.17%,平均相对极限测量精度分别改善7.19%、2.41%,能够相对准确地将虫害区域从监测图像中分割出来,可为后续林业虫害监测与防护提供参考。     

基于无人机影像和半变异函数的玉米螟空间分布预报方法

空间变异拟合是实现小区域亚洲玉米螟变量防治和药剂减施的工作基础。该文以建立玉米螟空间分布最优半变异拟合函数和预测模型为研究目的,选择半径为2 km的圆形区域作为核心研究区,开展无人机高清影像获取、受虫害株率人工调查、越冬虫源基数调查、村庄网格划分等数据获取与处理,研究玉米螟空间扩散影响因子及空间变异特征。研究表明,受虫害株率空间变异显著,服从对数正态分布;经地统计学交叉验证,0阶指数模型为拟合受虫害株率空间分布的最优半变异函数模型;越冬玉米螟虫源数量与受虫害株率相关系数为0.61。因此,通过受虫害株率人工调查,基于指数模型利用克里格插值方法,可以生成受虫害株率空间分布图;由于影响因素众多,仅依据越冬虫源数量尚难以准确预测玉米螟发生严重程度。该文所探索的技术路线可以为玉米螟小区域变量防治提供实现途径,据此可以达到药剂节约和环境保护的目的。     

无人机遥感解析田间作物表型信息研究进展

田间作物表型信息是揭示作物生长发育规律及其与环境关系的重要依据,传统的田间试验取样和车载高通量平台测定作物性状参数的方法耗时耗力,且空间覆盖不全,限制了作物科学研究的快速发展,而以无人机为代表的近地遥感高通量表型平台凭借机动灵活、成本低、空间覆盖广的优势成为获取田间作物表型信息的重要手段。该文根据国内外无人机遥感平台解析作物表型信息的最新研究成果,针对不同传感器类型分析了无人机遥感解析作物表型信息的应用及其不足,总结了遥感定量反演作物表型信息的方法体系,展望了无人机载遥感技术在作物表型信息解析方面的应用前景。该项研究成果对推广无人机遥感平台获取田间作物表型信息、提高复杂农田环境作物长势信息的解析和辨识能力具有重要意义。     

基于剪切波变换和无人机麦田图像的区域杂草识别方法

区域杂草的识别有利于植保作业中的除草剂精准喷施。现有图像处理技术主要针对行间和株间杂草,而传统的图像采集与分析设备对苗期麦田杂草的识别存在一定局限性,难以满足非人工的区域性喷洒农药等作业需求。由于麦田区域中的麦苗和杂草具有形态和颜色区分度差的特点,传统的图像识别方法难以有效识别。针对此问题,该文提出利用剪切波变换对无人机麦田区域图像中杂草进行识别。该方法利用其自身的方向敏感性以及在纹理识别中的方向无关性,根据麦田区域图像在杂草较多的部分叶片纹理杂乱,反之则纹理相对规则的特点,处理得到不同尺度和不同方向下小麦与杂草的剪切波系数。然后针对小麦和杂草剪切波系数的不同特征,对剪切波系数矩阵进行归一化处理,同时对其均值和方差进行了统计分析,得到麦苗和杂草剪切波系数图中竖直锥第二尺度所有系数均值的区分值约为0.07,第二尺度各个方向的均方差均值的区分值约为0.08。通过对含杂草麦苗区域图像以及麦苗区域图像的验证,准确率为69.2%,效果优于传统的灰度共生矩阵方法。此外,该文对无人机拍摄区域图采用分块的方法,实现了对非麦苗区域的有效标识。由此可见,剪切波变换方法能够为基于低空植保无人机喷洒农药中的区域杂草识别提供参考。     

基于无人机遥感的农作物长势关键参数反演研究进展

无人机遥感是生态-环境-资源领域新兴的重要研究手段,近年来在农作物长势研究中得到了迅速的发展与应用。清楚、透彻地认识基于无人机遥感的农作物长势研究现状及存在问题,有利于更好地把握当前的核心领域并开展更进一步的研究。首先回顾了国际上"基于无人机遥感农作物长势研究"为主题的论文发表情况,其次对无人机遥感平台及不同传感器的基本遥感原理、反演的参数类型、各自的优势及局限性进行梳理,并概述了基于无人机遥感的农作物长势反演流程。在此基础上,一方面将农作物长势参数归纳为形态指标、生理生化指标、胁迫指标、产量指标等4类;另一方面将农作物长势参数的反演方法归纳为经验统计回归与机器学习法、形态特征与光谱特征识别法、辐射传输模型法、多角度航拍与卫星-无人机影像结合法等4类,并针对不同反演方法的优势与不足进行总结。最后综合国内外的研究现状进行了讨论分析与展望评价。该文通过综述近10 a来无人机遥感农作物长势关键参数反演的研究成果,可为今后基于无人机遥感方法的农作物长势研究的理论基础与技术支持方面提供参考。     

基于可见光波段无人机遥感的植被信息提取

无人机遥感具有使用成本低、操作简单、获取影像速度快、地面分辨率高等传统遥感无法比拟的优势。该文通过分析仅含红光、绿光和蓝光3个可见光波段的无人机影像中植被与非植被的光谱特性,同时结合健康绿色植被的光谱特征,借鉴归一化植被指数NDVI的构造原理及形式,提出了一种综合利用红、绿、蓝3个可见光波段的归一化植被指数——可见光波段差异植被指数VDVI(visible-band difference vegetation index)。与其他基于可见光波段的植被指数,如过绿指数EXG(excess green)、归一化绿红差值指数NGRDI(normalized green-red difference index)、归一化绿蓝差值指数NGBDI(normalized green-blue difference index)和红绿比值指数RGRI(red-green ratio index)以及仅用绿光波段的提取结果进行对比分析,结果表明:VDVI植被提取精度高于其他可见光波段植被指数,且阈值在0附近,较易确定。为了验证VDVI的适用性与可靠性,选取与试验影像同一时期拍摄但不同区域的另一影像使用同样的方法提取植被信息。结果表明:VDVI对于仅含可见光波段无人机遥感影像的健康绿色植被信息具有较好的提取效果,提取精度可达90%以上,适用于仅含可见光波段无人机遥感影像的健康绿色植被信息提取。