基于消费级无人机搭载数码相机监测小麦长势状况研究

[目的]本文旨在探究消费级无人机搭载数码相机更好地用于小麦长势快速监测。[方法]于2015—2017年开展涉及2个小麦品种和4个施氮水平处理的田间小区试验,在小麦关键生育期采用大疆精灵3专业版无人机自带的数码相机获取试验区数码影像,并提取6种颜色指数,同步取样并测定叶面积指数、叶片干物质量及叶片氮积累量等小麦长势信息,在小麦抽穗前、后及全生育期分别运用指数函数和随机森林算法定量分析长势信息与颜色指数的关系。[结果]在小麦各生长阶段,指数函数模型表现较好,可见光大气阻抗指数(visible atmospherically resistant index,VARI)、超红指数(excess red index,ExR)和归一化绿减红差值指数(normalized green minus red difference index,NGRDI)与叶面积指数、叶片干物质量和叶片氮积累量的相关性均表现较好,继而分别建立了基于VARI、ExR和NGRDI的叶面积指数(R~2=0.71～0.82)、叶片干物质量(R~2=0.42～0.71)和叶片氮积累量(R~2=0.52～0.76)的指数函数监测模型。独立试验数据的检验结果表明:在抽穗前及全生育期,ExR(R~2=0.45～0.70和0.42～0.62)监测模型估测的叶面积指数、叶片干物质量和叶片氮积累量与实测值拟合性更好,在抽穗后期,VARI(R~2=0.68～0.72)监测模型估测效果更好。[结论]结合小麦各生长阶段指数函数监测模型,利用无人机搭载数码相机可以快速无损监测小麦长势状况。     

基于LISS4数据的小麦氮素营养状况反演研究

利用LISS4卫星遥感数据在小麦氮素营养状况监测方面进行了初步研究。根据搭载多光谱传感器LISS4的IRS-P6的过境周期,2006年5月3日在江苏省盐城地区进行同步地面取样测试,通过分析试验点小麦LISS4影像光谱信息与小麦叶面积指数及叶片氮含量的相关关系,发现小麦叶面积指数和叶片氮含量与LISS4影像三个波段反射率及植被指数RVI、NDVI、GNDVI均密切相关,表明利用LISS4遥感影像监测小麦氮素营养状况是可行的。比较不同波段原始反射率和植被指数,在本研究中LISS4影像波段4反射率与小麦氮素营养状况相关最密切。检验结果也表明利用LISS4影像波段4反射率估测小麦氮素营养状况是可行的。研究成果为利用遥感技术大面积监测小麦氮素营养状况和实施精确栽培管理提供了理论依据。     

基于MobileNetV3Small-ECA的水稻病害轻量级识别研究

为实现水稻病害的轻量化识别与检测,使用ECA注意力机制改进MobileNetV3Small模型,并使用共享参数迁移学习对水稻病害进行智能化轻量级识别和检测。在PlantVillage数据集上进行预训练,将预训练得到的共享参数迁移到对水稻病害识别模型上微调优化。在开源水稻病害数据集上进行试验测试,试验结果表明,在非迁移学习下,识别准确率达到97.47%,在迁移学习下识别准确率达到99.92%,同时参数量减少26.69%。其次,通过Grad-CAM进行可视化,本文方法与其他注意力机制CBAM和SENET相比,ECA模块生成的结果与图像中病斑的位置和颜色更加一致,表明网络可以更好地聚焦水稻病害的特征,并且通过可视化和各水稻病害分析了误分类原因。本文方法实现了水稻病害识别模型的轻量化,使其能够在移动设备等资源受限的场景中部署,达到快速、高效、便携的目的。同时开发了基于Android的水稻病害识别系统,方便于在边缘端进行水稻病害识别分析。     

一种新的估算水稻上部叶片蛋白氮含量的植被指数

 【目的】阐明水稻顶部4张叶片蛋白氮含量和反射光谱特征的变化规律及其相互关系,建立快速、准确诊断水稻功能叶片蛋白氮含量的方法。【方法】通过3年不同施氮水平和不同品种类型的大田试验,分生育期同步测定顶部4张叶片的光谱反射率及蛋白氮含量,系统分析叶片蛋白氮含量与多种高光谱参数的定量关系。【结果】水稻叶片蛋白氮含量和光谱反射率在不同施氮水平、不同生育期及不同叶位间均存在明显差异,叶片蛋白氮含量的敏感波段主要存在于可见光绿光区530～580 nm及红边区域695～715 nm,其中红边区域表现最为显著。红边区域700 nm附近波段与近红外短波段的比值组合(SRs)可以有效地估算水稻上部功能叶片的蛋白氮含量,其次是绿光区587 nm左右的波段与近红外短波段的比值组合。基于新提出的SR（770,700）及已报道的GM-2、SR705、RI-half光谱指数,线性回归模型的拟合精度（R2）分别达到 0.874,0.873,0.871和0.867。经独立资料的检验表明,这些回归模型可以实时监测叶片蛋白氮含量变化,预测精度R2分别为0.810、0.806、0.804和0.800,相对误差RE 分别为12.1%、12.4%、12.6%和12.9%。【结论】可以利用关键特征光谱指数来诊断水稻上部叶片的蛋白氮含量状况,尤以SR（770,700）、GM-2、SR705和RI-half表现为较强的估测能力。     

耕地细碎化条件的机械化特征 ——小型收割机的田间作业行为调查

南方丘陵山地农业具有耕地细碎化的典型特征,土地细碎化条件下的紧凑型种植模式是普遍现象,细碎化耕地条件的机械化依靠小型作业机械。为描述作业机械在细碎化耕地条件下的行为特征,田间调查发现,快速进退、频繁转向、循边收获、移动困难等是细碎化耕地条件机械化田间作业的显著特点。小型收割机在南方的普遍应用状况表明丘陵山地作业机械的性能评价需要以土地适应性为主导的评价指标。     

基于上部叶片SPAD值估算小麦氮营养指数

快速、准确的监测诊断小麦氮营养状态对于评价小麦长势、指导氮肥运筹并预测籽粒产量均具有重要的意义.基于2009-2011年的大田试验,系统分析了小麦上部4张单叶不同叶位的SPAD值和归一化SPAD指数(NDSPADij)与氮营养指数的定量关系,通过简单分组线性回归筛选出在不同年际和不同品种间表现稳定的氮营养指数(NNI)定量方程.结果表明,小麦上部不同叶位SPAD值和NNI随施氮量提高而提高,而NDSPADij随施氮量的提高而降低.小麦单叶SPAD值与NNI的关系呈显著正相关,但这种关系在品种或年份之间不稳定,对小麦氮素诊断存在风险;除NDSPAD12外,NDSPADij与NNI之间呈显著负相关,经简单分组线性分析发现NDSPAD14与NNI之间在年份和品种之间表现最稳定,能够较好的定量估算氮营养指数,从而快速诊断小麦氮素是否亏缺.     

基于分层多端元混合像元分解的水稻面积信息提取

为了解决中低分辨率遥感影像混合像元问题以提高水稻种植信息的提取精度,该文提出了一种基于层次分类与多端元混合像元分解相结合提取水稻面积信息的方法(stratified multiple endmember spectral mixture analysis,SMESMA)。层次分类有效降低了地物复杂度,而多端元混合像元分解通过对每一类地物选取多个端元光谱参与解混,克服了"同物异谱"造成的光谱变异问题,两者结合可有效提高分类精度。以江苏如皋市为研究区,基于HJ-1B CCD影像,分3个层次,当某类地物信息被提取后便将其从影像中去除,进行下一层次分类,各层次均采用多端元混合像元分解方法,综合EARMSE、MASA、CoB等算法以选取最佳端元,实现了如皋市水稻种植面积信息有效提取。结果显示SMESMA法分类精度达85.78%,kappa系数为0.85,基于最大似然分类法(MLC)的分类精度为79.1%,kappa系数为0.78。表明SMESMA是一种适合基于中低分辨率影像进行作物分类和面积提取的有效方法。     

水稻不同叶位层物理结构与冠层反射光谱的定量研究

 研究了不同土壤水分、施氮条件下水稻冠层反射光谱与冠层生长特征（叶面积指数、叶片干质量和鲜质量）的量化关系。结果表明，不同层次叶面积指数、叶片鲜质量和叶片干质量与冠层光谱的相关性大小均为：L12345>L1234>L123>L12>L1，而顶部5张叶片的面积和生物量（干、鲜质量）对冠层特征反射光谱的贡献大小顺序为：L2>L1>L3>L4>L5，顶部2张叶片对冠层光谱作用最大。发现比值指数R(760,710) 与水稻叶面积指数呈极显著线性相关；而比值指数R(1650,1100) 与水稻地上部鲜质量和干质量均呈极显著幂函数相关关系。因此，比值指数R(760,710) 和R(1650,1100) 可分别用来定量反演水稻叶面积信息和地上部生物量信息。     

便携式作物生长监测诊断仪的设计与试验

为了解决当前作物生长信息实时、快速、无损测量手段瓶颈问题,研发了一种基于多光谱传感器的便携式作物生长监测诊断仪。该仪器由多光谱传感器系统、处理器系统及附属机构组成,能实时无损地获取作物叶层氮含量、叶层氮积累量、叶面积指数、生物量等主要生长指标。对水稻的试验结果表明,便携式作物生长监测诊断仪测得的DVI值与水稻叶层氮含量、氮积累量、叶面积指数、叶干重的决定系数R2分别为0.711,0.8231,0.7698,0.7212。该仪器结构简单,集成度高,性价比好,携带方便,易于田间操作。     

不同类型土壤的光谱特征及其有机质含量预测

 【目的】构建适合土壤有机质含量估测的高光谱参数及定量反演模型。【方法】系统分析中国中、东部地区5种不同类型土壤风干样本有机质含量与350～2 500 nm波段范围高光谱反射率之间的关系,利用特征光谱参数和BP神经网络建立土壤有机质的定量估测模型。【结果】光谱一阶导数构成的两波段光谱参数与土壤有机质含量的相关性明显优于原始光谱,尤其采用Norris平滑滤波后导数光谱效果更好。光谱参数构成形式以差值指数最好,其次为比值和归一化指数。与土壤有机质含量相关程度最高的光谱参数是由可见光区554 nm和近红外区1 398 nm两个波段的一阶导数组合而成的差值指数DI(D554,D1398),两者呈显著指数曲线关系,拟合方程为y= 184.2 ×exp[-1297×DI(D554,D1398)],决定系数为0.90。经不同类型土壤的观测资料检验,模型预测决定系数为0.84,均方根误差RMSE为3.64,相对分析误差RPD为2.98,显示估测模型具有较好的预测精度。另外,利用BP神经网络结合偏最小二乘法(PLS)对导数光谱进行分析,提取贡献率达到99.56 %的前6个主成分建立了三层BP 神经网络模型,模型决定系数为0.98,经不同类型土壤的观测资料检验,模型预测决定系数为0.96,RMSE为2.24,相对偏差RPD为4.83。比较利用DI(D554,D1398)和BP网络进行土壤有机质含量的预测结果,前者精度低于后者,但可以满足土壤有机质监测的需要。【结论】利用差值光谱指数DI(D554,D1398)和BP神经网络模型均可实现对土壤有机质的精确估测。