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。     

基于多载荷无人机遥感的大豆地上鲜生物量反演

以多载荷无人机获取数据和地面实测的数据为基础,将大豆生殖生长期分段建模,采用植被指数和光谱参数相结合再加上农学参数株高,通过最小二乘法建立多元线性回规模型的方法,来估算大豆开花期和结荚期的鲜生物量,采用高光谱植被指数法估算大豆鼓粒期和成熟期的鲜生物量。结果表明:在大豆开花期和结荚期内,采用混合法构建生物量反演模型利用交叉验证法,验证结果的R~2和RMSE分别为0.714和0.393;在大豆鼓粒期和成熟期内,采用高光谱植被指数法构建生物量反演模型,利用交叉验证法,验证结果的R~2和RMSE分别为0.697和0.386;大豆开花结荚期构建的模型和鼓粒成熟期构建的模型都有比较高的精度和可靠性,利用这两种模型完成了高光谱影像鲜生物量的遥感空间制图,能反映当地当时大豆的真实长势情况。     

基于无人机载高光谱空间尺度优化的大豆育种产量估算

为探讨无人机载高光谱空间尺度对大豆产量预测精度的影响,该文以山东嘉祥圣丰大豆为研究对象,设计以多旋翼无人机为平台搭载Cubert UHD185成像高光谱传感器的无人机遥感农情监测系统,获取了大豆多个生育期的无人机高光谱数据。首先,该研究利用盛荚期-始粒期(R4-R5期)的高光谱影像,由21个不同光谱空间尺度提取的高光谱数据构建植被指数,通过植被指数方差分析结果可知所选冠层植被指数与不同品种大豆植株的生长状况密切相关,但是不同空间尺度下的F值仍存在较为明显的差异;其次,采用偏最小二乘回归建立产量与不同空间尺度的植被指数之间的回归模型,通过模型方程估算精度的曲线变化趋势进一步将最优空间尺度面积确认至9.03~10.13 m2,即当采样空间尺度区域长、宽与小区总长、宽比例介于4.25:5和4.5:5时,所得到的冠层光谱能够尽可能准确地估测大豆产量,此时估算产量和实测产量呈极显著相关(相关系数r=0.811 7,参与建模的样本个数270)。该研究可为使用高、低空高光谱影像进行作物表型信息解析和估产提供参考。     

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。     

基于成像高光谱仪的大豆叶面积指数反演研究

高光谱遥感能连续获取地物光谱图像,这一技术能大大提高估算叶面积指数的水平。利用无人机搭载成像高光谱仪获取作物光谱信息反演叶面积指数对精准农业生产与管理意义重大。通过灰色关联度排序、赤池信息量准则和偏最小二乘法(GRA-PLS-AIC)选择了三角植被指数(TVI)、比值植被指数(RVI)、红边植被指数(NDVI705)、归一化植被指数(NDVI)和重归一化植被指数(RDVI)5种植被指数,结合田间实测的叶面积指数数据,采用经验模型构建多指数反演模型。通过无人机为平台同步搭载数码相机和成像高光谱仪,在山东省嘉祥县一带获取了大豆生殖生长期内的遥感影像,同时利用LAI-2200C植物冠层分析仪进行叶面积指数测定,将获取到的遥感影像和地面实测数据进行叶面积指数的反演。结果表明:在大豆生殖生长期内建多指数模型,建模结果的预测值和实测值的R~2和RMSE分别为0.701和0.672,验证结果的R~2和RMSE分别为0.695和0.534,预测模型有比较高的精度和可靠性,利用该模型来反演LAI是准确的,生成的大豆LAI分布图能反映当地当时大豆的真实长势情况。因此,以多旋翼无人机为平台同步搭载高清数码相机和成像高光谱仪组成的无人机农情监测系统对研究大豆叶面积指数反演是可行性,构建的多指数模型适用于大豆生殖生长期。     

基于PLS 和组合预测方法的冬小麦收获 指数高光谱估测

【目的】通过遥感反演测量收获指数(HI),可节省时间和人力,但需要提高精度。通过权重最优组合算法改善收获指数估算精度,为基于多时相多光谱信息的HI遥感估算提供新方法参考。【方法】利用测定的冬小麦多个关键生育期的冠层光谱数据,对筛选的44种常用植被指数与实测收获指数进行相关性分析,挑选出每个育期中5种最优的典型植被指数;应用偏最小二乘(PLS)的方法建模,分别得到基于单个生育期光谱信息的HI遥感估测模型;借鉴组合预测原理,应用组合预测方法对全部单生育期的各HI光谱模型赋予最优权重,最终构建基于多生育期数据的HI光谱组合预测模型。【结果】(1)利用PLS后,单一生育期的建模结果较单一植被指数有所改进,但仍有待提高;(2)应用组合预测原理的HI组合预测模型,显著改善了HI的估测精度,R2达到0.55,较单生育期的建模预测,提升了13%。【结论】基于多生育期信息的组合预测方法,对各单一生育期HI预测模型赋予最优权重进行优化组合,实质间接利用了各生育期对作物HI形成的贡献,显著提高冬小麦收获指数的估测精度,是一种新颖的作物HI遥感估测方法。