利用无人机多源传感器估算马铃薯植株氮含量

作     者：樊意广 冯海宽 刘杨 边明博 赵钰 杨贵军 钱建国 FAN Yi-guang;FENG Hai-kuan;LIU Yang;BIAN Ming-bo;ZHAO Yu;YANG Gui-jun;QIAN Jian-guo

作者机构：农业农村部农业遥感机理与定量遥感重点实验室北京市农林科学院信息技术研究中心北京100097 南京农业大学国家信息农业工程技术中心江苏南京210095 国家农业信息化工程技术研究中心北京100097 中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新123000 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2022年第42卷第10期

页      面：3217-3225页

核心收录：

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 0903[农学-农业资源与环境] 0901[农学-作物学] 

基　　金：黑龙江省揭榜挂帅科技攻关项目(2021ZXJ05A05) 国家自然科学基金项目(41601346) 2022年度农业农村部农业遥感机理与定量遥感重点实验室建设项目(PT202224)资助 

主　　题：植株氮含量 无人机 多源传感器 绿边 株高 覆盖度 

摘      要：快速准确地获取作物的植株氮含量(PNC)信息,是农业精细化管理的关键和数字农业发展的研究热点。近年来,随着无人机和传感器技术的发展,利用多种传感器信息监测作物理化参数逐渐引起国内外学者的关注。以马铃薯为研究对象,首先,基于无人机获取了马铃薯现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期的高光谱影像和数码影像,同时采集各生育期的地面数码影像,并实测了株高(H)、PNC和11个地面控制点(GCPs)的三维空间坐标。其次,利用无人机数码影像结合GCPs生成试验区域的数字表面模型(DSM),分别从无人机数码影像和DSM中提取马铃薯的地面覆盖度(VC)和株高(H),并利用地面数码影像计算的覆盖度(VC)和实测H验证提取的VC和H的精度。然后,根据高光谱反射率数据计算绿边参数(GEPs),构造GEPs×H×VC,GEPs/(1+VC),(GEPs+VC)×H和GEPs/(1+H)4种融合特征参数(FFPs),对高光谱影像信息和数码影像信息进行融合。最后,将各生育期提取的GEPs和构造的FFPs分别与PNC作相关性分析,筛选最优绿边参数(OGEP)和最优融合特征参数(OFFP)构建5个生育期的PNC线性估算模型,并根据相关性较高的GEPs和FFPs利用偏最小二乘(PLSR)和人工神经网络(ANN)2种回归方法构建PNC的多参数估算模型,结果表明:(1)基于无人机数码影像提取的H和VC具有较高的精度,可以代替实测H和VC估算作物理化参数。(2)与GEPs相比,前4个生育期,构造的大部分FFPs与PNC的相关性更高,能更好地反映马铃薯的氮营养状况。(3)马铃薯5个生育期,OFFP估算PNC的效果优于OGEP。(4)与单参数模型相比,基于GEPs和FFPs利用PLSR和ANN 2种方法构建的模型精度和稳定性均明显提高,其中,以FFPs为模型因子利用ANN方法构建的模型效果最好。该研究表明融合高光谱绿边参数和高清数码相机传感器提取的株高和覆盖度信息能显著提升PNC的估算精度,可为马铃薯氮营养状况的动态无损监测和多源传感器信息的应用提供参考。