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。     

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。     

基于无人机可见光影像与OBIA-RF算法的城市不透水面提取

不透水面是一种重要的城市地物类型,及时准确地获取城市不透水面信息对城市的合理规划、生态环境保护及可持续发展具有重要意义。低空无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）作为新型的遥感平台,具有操作灵活、时空分辨率高、受云雾影响小等优点,为中小尺度城市不透水面遥感监测提供了新的技术手段。以无人机可见光影像作为数据源,通过使用面向对象与随机森林算法相结合的方法开展对城市不透水面信息提取研究。首先,根据最佳尺度对影像进行分割并提取分割对象的不同特征,以光谱特征为基础,分别引入指数与地形特征建立方案S1～S4,以光谱、指数和地形特征为基础,分别加入纹理与几何特征构建方案S5～S7,以此来分析不同类型特征对不透水面提取效果的影响;同时,基于优选特征子集（13个）构建方案S8,基于上述8种方案,利用随机森林（Random Forest,RF）算法进行分类并确定最佳方案。然后,通过比较随机森林、支持向量机（Support Vector Machine,SVM）和 K-最邻近法（K-Nearest Neighbors,KNN）算法在最佳方案的特征子集下的分类效果,评价随机森林算法对于不透水面的分类性能。结果表明：地形特征中的归一化数字表面模型（normalized Digital Surface Model,nDSM）对不透水面提取精度的提升作用最大,多个方案通过引入nDSM后分类精度均有较大幅度的提升（22.49～39.67个百分点）;基于特征优选子集的S8方案分类精度最高,其总体精度达96.18%,Kappa系数为0.95,可见特征优选能够将高维度特征进行降维和优化,大幅减少特征数的同时还能一定程度提高分类效果;随机森林算法在最优特征子集下的分类效果优于SVM与KNN,总体精度比二者分别提升了1.35和14.18个百分点。可见面向对象和随机森林相结合的方法可有效开展城市不透水面精细化提取。该研究为基于无人机可见光影像的不透水面提取提供了一种新方法,也可为城市其他类别地物监测提供技术参考。     

利用无人机可见光遥感影像提取棉花苗情信息

为提高棉花苗情信息获取的时效性和精确性,该文提出了基于可见光遥感影像的棉花苗情提取方法。首先,利用自主搭建的低空无人机平台获取棉花3~4叶期高分辨率遥感影像,结合颜色特征分析和Otsu自适应阈值法实现棉花目标的识别和分割。同时,采用网格法去除杂草干扰后,提取棉花的形态特征构建基于SVM的棉株计数模型。最后,基于该模型提取棉花出苗率、冠层覆盖度及棉花长势均匀性信息,并绘制棉花出苗率、冠层覆盖度的空间分布图。结果显示,模型的测试准确率为97.17%。将模型应用于整幅影像,计算的棉花出苗率为64.89%,与真实值误差仅为0.89%。同时基于冠层覆盖度、变异系数分析了棉花长势均匀情况。该文提出的方法实现了大面积棉田苗情的快速监测,研究成果可为因苗管理的精细农业提供技术支持。     

植被参数高光谱遥感反演最佳波段提取算法的改进

高光谱信息量巨大,如何选取最佳组合波段构建高精度光谱模型,是植被参数遥感反演模型研究的重要工作基础。该研究将最佳指数与相关系数通过熵权评价值进行融合,提出最佳指数-相关系数法(optimum index factor and correlation coefficient,OIFC)。基于OIFC法选取了小麦叶片叶绿素含量的最佳组合波段,并利用最佳组合波段的高光谱数据建立小麦叶片叶绿素含量预测模型。结果表明:利用OIFC法所提取的小麦叶绿素最佳组合波段是760、1 860、1 970 nm;对比最佳指数法(optimum index factor,OIF)、最大相关系数法(maximum correlation coefficient,MCC)提取波段以及归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)、土壤调和植被指数(soil-adjusted vegetation index,SAVI)所建立的叶片叶绿素含量高光谱模型,基于OIFC法构建的模型预测值与实测值具有显著的线性关系,决定系数达0.827,且均方根误差最小(RMSE=5.44)。可见,基于OIFC法构建的小麦叶绿素含量模型具有更高的精度,该结果验证了利用OIFC法提取高光谱特征波段的可行性,并且能够获得更高建模精度的特征波段。     

基于FCN的无人机玉米遥感图像垄中心线提取

为解决农业机器人在玉米田行间行走的全局路径规划问题,该研究提出一种基于全卷积神经网络(FullyConvolutional Networks,FCN)的无人机玉米遥感图像垄中心线提取方法.基于无人机获取的高精度可见光遥感图像,设计了针对农田垄中心线提取的数据集标注方法,采用滑动窗口法进行图像分块,利用深度学习语义分割网...     

基于无人机遥感可见光影像的北疆主要农作物分类方法

作物类型准确分类是大田作业和管理的基础。该文通过无人机遥感试验获取的可见光影像,利用色彩空间转换和纹理滤波构建了色调、饱和度和亮度的27项纹理和低通滤波特征;然后采用Relief F-Pearson特征降维方法,剔除分类能力弱且相关性高的冗余特征;最后,基于优选特征训练分类模型,并结合人工分类结果对各模型进行精度比较和效果验证。结果表明:特征选择得到的H-CLP、H-Ent、I-Cor、I-CLP、I-Ent、S-CLP和I-Var是利用可见光影像进行北疆主要农作物分类的最佳特征,可在充分表征影像特征的同时降低数据冗余。支持向量机(support vector machine,SVM)分类方法精度最高,整体分类准确率达83.77%,ANN和KNN分类精度次之。通过在验证区进行像素级别作物分类,发现SVM分类方法效果最好,棉花、玉米、苜蓿和西葫芦作物分类精度均达到了80%以上。该研究可为基于无人机可见光影像的农作物种植信息普查提供参考。     

无人机可见光遥感和特征融合的小麦倒伏面积提取

倒伏是造成小麦减产和品质下降的主要原因之一。为快速准确地提取小麦倒伏面积,给农业保险理赔及灾后应急处置提供数据支持,该研究采用无人机遥感平台获取小麦倒伏后的冠层红绿蓝（Red-Green-Blue, RGB）可见光图像,并进行数字表面模型（Digital Surface Model,DSM）图像提取,计算了过绿植被（Excess Green, EXG）指数,利用ArcGIS中的镶嵌工具将不同图像特征进行融合,得到DSM+RGB融合图像和DSM+EXG融合图像,利用最大似然法和随机森林法对2种特征融合图像进行监督分类提取小麦倒伏面积,并与仅基于RGB可见光图像和DSM图像提取倒伏面积结果对比。结果表明,2种方法对4种图像进行小麦倒伏面积提取的整体趋势一致,且最大似然法提取效果整体优于随机森林法,基于最大似然法对RGB图像、DSM图像、DSM+RGB特征融合图像、DSM+EXG特征融合图像提取倒伏小麦面积的整体精度分别为77.21%、93.37%、93.75%和81.78%,Kappa系数分别为0.54、0.86、0.87和0.64,对比分析发现DSM+RGB特征融合图像提取小麦倒伏面积精度最高。该研究表明通过图像特征融合的方法能够有效提取倒伏小麦信息,为快速提取小麦倒伏面积提供参考。     

基于多光谱与高光谱遥感数据的冬小麦叶面积指数反演比较

近年来,高光谱遥感数据广泛应用于农作物叶面积指数(LAI)反演。与常用的多光谱遥感数据相比,高光谱数据能否提高农作物LAI反演的精度和稳定性还存在争议。针对这一问题,该研究利用实测冬小麦冠层高光谱反射率数据,构造了不同光谱分辨率和波段组合的5种光谱数据。基于ACRM(a two-layer canopy reflectance model)模型、2套参数化方案及上述5种光谱数据,对冬小麦LAI进行反演,分析光谱分辨率、高光谱数据波段选择、模型参数不确定性3方面因素对LAI反演精度与稳定性的影响。研究结果表明:当波段选择适宜、模型参数不确定性较小且光谱数据分辨率较高时,LAI反演精度与稳定性更高,提高光谱分辨率对LAI反演精度的改进作用随光谱分辨率的升高而降低;反之,当高光谱数据波段选择不当或者模型参数不确定性较大时,提高光谱数据的分辨率并未提高LAI反演精度。该研究解释了"高光谱遥感数据能否提高植被参数反演精度"问题,为进一步发挥高光谱数据在农作物LAI反演中的潜力提供了科学参考。     

基于无人机遥感影像的水稻种植信息提取

水稻是中国南方最主要的粮食作物,种植面积波动对国家粮食稳定有很大影响。通过无人机遥感试验获取多幅有重叠区域的图像,使用Agisoft photoscan软件拼接重构试验区的完整图像,利用多尺度分割方法将试验区域分割成若干对象,并基于统计方法提取对象的光谱特征、几何特征和纹理特征;然后,建立识别水稻地块的二分类Logistic回归模型,特征指标为形状指数、红色均值、红色标准偏差、最大化差异度量、灰度共生矩阵同质性和灰度共生矩阵非相似性。结果表明:模型辨识训练样本集的正确率为100%,辨识检验样本的正确率为97%,模型应用于辨识验证区域水稻田块,总体正确率为98%。最后基于累计像素方法测算水稻田块的面积,并与目视解译测算的结果对比,面积误差小于3.5%,研究方法识别水稻田块效果好,面积测算准确率高。因此,该研究对利用无人机遥感影像普查水稻种植信息具有一定的适用性。     

基于无人机低空遥感的农作物快速分类方法

无人机以其高时效、高分辨率、低成本、低风险及可重复使用的优势,给遥感技术在各领域的应用提供了新的平台。为了提高无人机遥感中农田信息获取的时效性和精度,该文分析了无人机低空航飞获得的高空间分辨率农作物遥感影像特征,以冬小麦为研究对象,基于农作物波谱特征和NDVI变化阈值,提出了一种农作物快速分类提取方法,并与其他几种常用的遥感分类方法进行比较,探讨了其普适性。结果表明,该方法从无人机高分辨率影像中提取不同种类的农作物分类信息具有较高的正确率和普适性,兼具快速和低成本的特点,在海量农作物无人机航拍数据的信息提取上具有较广的应用。     

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。     

基于无人机遥感影像监测土地整治项目道路沟渠利用情况

为客观监测和有效评价土地整治项目基础设施建后利用情况,初步探讨利用无人机航拍影像结合智能算法识别设施利用状态的可能性,该文选取典型项目,利用多旋翼无人机航拍获取高分辨率影像,提取田间道路和骨干沟渠影像网格切片,通过BoW模型构建典型地物样本特征库基于样本纹理特征进行分类,利用支持向量机模型对研究区骨干线状基础设施利用状况进行识别,并依据目视解译和实地勘察对识别结果进行了精度验证。结果显示无人机遥感方法可以初步识别研究区基础设施建后利用情况;研究区田间道路病害和骨干沟渠淤塞情况识别总体分类精度达到80%和70%;田间道路分类误差主要来自通行不畅与路面裂缝,骨干沟渠分类误差主要来自轻度淤塞;提高影像精度情况下,田间道路利用状况识别精度有所提升但不显著,骨干沟渠通畅状况识别精度无明显变化,模型对宽度2 m以下沟渠识别结果精度较差。研究表明,基于无人机遥感对土地整治项目基础设施利用情况进行自动分类识别具有可行性且效率较高,而监测精度有待于后期进一步提升。     

农用无人机多传感器遥感辅助小麦育种信息获取

为实现小麦育种过程中大规模育种材料表型信息快速高通量获取,该文分别从无人机平台优选、农情信息采集传感器集成及数据处理与解析等方面开展研究,研发了一套农业多载荷无人机遥感辅助小麦育种信息获取系统。该系统基于多旋翼无人机平台,并集成高清数码相机、多光谱仪、热像仪等多载荷传感器,提出了无地面控制点条件下的无人机遥感数据几何精校正模型,实现多载荷遥感数据几何校正。该系统操控简便,适合农田复杂环境条件作业,能够高通量获取作物倒伏面积、叶面积指数、产量及冠层温度等育种关键表型参量,为研究小麦育种基因型与表型关联规律提供辅助支持。     

基于无人机高光谱遥感的冬小麦叶面积指数反演

叶面积指数(leaf area index,LAI)是评价作物长势和预测产量的重要依据。光谱特征信息作为高光谱遥感的突出优势在追踪LAI动态变化方面极其重要;然而,围绕光谱特征信息所开展的无人机高光谱遥感反演作物LAI的相关研究鲜有报道。该文利用ASD Field Spec FR Pro 2500光谱辐射仪(ASD Field Spec FR Pro 2500 spectroradiometer,ASD)和Cubert UHD185 Firefly成像光谱仪(Cuber UHD185 Firefly imaging spectrometer,UHD185)在冬小麦试验田进行空地联合试验,基于获取的孕穗期、开花期以及灌浆期地面数据和无人机高光谱遥感数据,估测冬小麦LAI。该文选择同步获取的冬小麦冠层ASD光谱反射率数据作为评价无人机UHD185高光谱数据质量的标准,依次从光谱曲线变化趋势、光谱相关性以及目标地物光谱差异三方面展开分析,结果表明458~830 nm(第3~96波段)的UHD185光谱数据可靠,可使用其探测冬小麦LAI,这为今后无人机UHD185高光谱数据的使用提供了参考。该文研究对比分析了UHD185数据计算的红边参数和光谱指数与冬小麦LAI的相关性,结果表明:12种参数中比值型光谱指数RSI(494,610)与LAI高度正相关,是估测LAI的最佳参数;基于比值型光谱指数的对数形式lg(RSI)构建的线性模型展现出lg(RSI)与lg(LAI)较优的线性关系(决定系数R2=0.737,参与建模的样本个数n=103),且lg(LAI)预测值和lg(LAI)实测值高度拟合性(R2=0.783,均方根误差RMSE=0.127,n=41,P0.001);该研究为利用无人机高光谱遥感数据开展相关研究积累了经验,也为发展无人机高光谱遥感的精准农业应用提供了参考。     

多旋翼无人机近地遥感光谱成像装置研制

为了满足多旋翼植保无人机悬停、定速飞行2种作业模式下近地遥感的需求,该文设计了一套液晶光谱成像装置。首先,通过硬件、软件开发,实现了装置采集模块、控制模块和通信模块3部分的协同工作。其中,采集模块由16位CCD灰度相机、消色差镜头、液晶可调滤光器以及UV镜组成,控制模块由微电脑处理器和USB连接器组成,通信模块由数传、北斗定位系统和地面工作站组成。由5V3A电源供电。开发相应软件实现各硬件模块之间的协同控制,以及数据处理的功能。数据处理功能既可用于拍摄前装置的参数调节,又可单独用于光谱图像分析。基于本装置的数据采集方法,实现了光谱图像采集与旋翼无人机2种飞行模式的匹配。通过室内模拟飞行试验和田间试验,对装置性能进行测试。结果显示装置可获得清晰的光谱图像,光谱范围400~720 nm,光谱间隔最高可达到2 nm,空间分辨率1392×1040,且光谱连续平滑、特征稳定可靠。本装置基于面阵分光原理,采用密接耦合光路设计、核心器件同步触发技术,结构紧凑、抗震性好、稳定度高,适合植保作业,有望应用于精准农药喷施、作物处方图生成等多个领域。     

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GPS与无人机遥感反演草地生物量的放牧场利用强度评估

天然草地是放牧畜牧业生产赖以生存的物质基础。为了评估天然草地利用情况,该文通过GPS获取牧群采食轨迹数据来估算采食强度,利用无人机遥感估算模型反演草地生物量的时空分布,将畜群采食强度与天然草地生物量进行融合,探索不同区域畜群的采食强度与草地生物量;分别将采食强度与生物量分类进行对比,根据两者的取值情况,获得各区域草地的利用情况,采食强度与天然草地生物量分类满足以下关系可得草地利用情况:若两者等级相等,则草地利用适中;若前者等级大于后者,则草地过度利用;若前者等级小于后者,则草地轻度利用。以新疆生产建设兵团第八师一五一团紫泥泉牧场为例,对研究区进行监测评估。结果表明,研究区中区域3被合理利用的草地面积最大,为612 m2,其他区域草地被不合理利用的面积占所在区域面积的50%以上。该方法对合理利用草地,实行划区轮牧,促进畜牧业健康发展具有重要意义。