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无人机影像光谱和纹理融合信息估算马铃薯叶片叶绿素含量

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农业工程学报 2019年第11期35卷 63-74页

作者：陈鹏冯海宽李长春杨贵军杨钧森杨文攀刘帅兵农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室北京农业信息技术研究中心北京100097 国家农业信息化工程技术研究中心北京100097 北京市农业物联网工程技术研究中心北京100097 河南理工大学测绘与国土信息工程学院焦作454000 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院阜新123000

利用无人机平台搭载多光谱传感器在农业监测上已经有一些应用,但是利用无人机多光谱影像估算作物叶绿素含量的研究较少,特别是融合无人机多光谱影像光谱信息和纹理信息估算马铃薯叶绿素含量的研究更是罕见。基于此,该文利用2018年北京... 详细信息

利用无人机平台搭载多光谱传感器在农业监测上已经有一些应用,但是利用无人机多光谱影像估算作物叶绿素含量的研究较少,特别是融合无人机多光谱影像光谱信息和纹理信息估算马铃薯叶绿素含量的研究更是罕见。基于此,该文利用2018年北京小汤山基地马铃薯各个典型生育期的无人机多光谱影像及实测的叶绿素含量数据,首先提取多光谱影像植被指数和纹理特征等变量,然后分析其与叶绿素含量相关性,筛选出较优特征变量,并开展基于调整R^2和K折交叉验证的全子集分析估算马铃薯叶绿素含量。最后将植被指数与纹理特征通过主成分融合构建一种新的综合指标估算叶绿素含量。研究发现:1)多光谱植被指数和纹理特征估算叶绿素含量模型,K折交叉验证均优于调整R^2;2)整个生育期,综合指标模型决定系数比植被指数模型、纹理特征模型均有提升,且标准均方根误差均降低。综合指标估算模型较优,多光谱植被指数模型次之,纹理特征模型较差。该研究可为马铃薯生长营养监测提供一种可行的方法,对马铃薯的栽培种植管理具有指导意义。

关键词：无人机农作物遥感马铃薯叶绿素含量多光谱纹理特征最优子集分析

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无人机高光谱波段选择的叶面积指数反演

光谱学与光谱分析 2022年第3期42卷 933-939页

作者：孔钰如王李娟冯海宽徐艺梁亮徐璐杨小冬张青琪江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院江苏徐州221116 农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室北京农林科学院信息技术研究中心北京100097

叶面积指数(LAI)是评价作物长势和作物产量的重要参数。为有效利用高光谱信息,优选出最佳波段进而构建新型双波段指数来提高LAI估测精度,以冬小麦为研究对象,获取冬小麦孕穗期无人机高光谱数据和实测地面LAI数据,开展冬小麦LAI反演研究... 详细信息

叶面积指数(LAI)是评价作物长势和作物产量的重要参数。为有效利用高光谱信息,优选出最佳波段进而构建新型双波段指数来提高LAI估测精度,以冬小麦为研究对象,获取冬小麦孕穗期无人机高光谱数据和实测地面LAI数据,开展冬小麦LAI反演研究。首先采用连续投影算法(SPA)、最佳指数法(OIF)以及逐波段组合法(E)分别进行无人机高光谱数据最佳波段筛选,进而将所选最佳波段构建新型双波段指数(VI_OIF,VI_SPA,VI_E);然后将构建的新型双波段指数和常规双波段指数(VI_F)与LAI进行相关性对比分析,最后结合支持向量回归(SVR)、偏最小二乘回归(PLSR)和随机森林回归模型(RFR)进行LAI估算,并对比分析常规双波段指数的估算精度,验证最佳波段选择方法构建新型双波段指数的最佳回归模型反演LAI的可行性。结果表明:(1)新构建双波段指数VI_OIF,VI_SPA,VI_E和VI_F与冬小麦LAI的相关性均达到0.05的显著水平,其中VI_SPA和VI_E与LAI的相关系数高于0.65,且RSI_SPA和RSI_E与LAI的相关性较高(r>0.71);(2)对比分析VI_OIF、VI_SPA、VI_E和VI_F构建的SVR模型、PLSR模型和RFR模型的冬小麦LAI估测精度,VI_SPA_PLSR模型估测精度最高,R^(2)和RMSE分别为0.75和0.90。该方法可为无人机高光谱数据波段选择以及冬小麦LAI反演提供技术支持和理论参考。

关键词：无人机高光谱影像波段选择冬小麦叶面积指数

基于赤池信息准则的冬小麦植株氮含量高光谱估算

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农业工程学报 2016年第23期32卷 161-167页

作者：杨福芹戴华阳冯海宽杨贵军李振海陈召霞北京农业信息技术研究中心北京100097 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 河南工程学院土木工程学院郑州451191

为了快速、准确地测定冬小麦植株氮含量,利用2014?2015年的冬小麦冠层反射光谱数据构建了16种氮素或叶绿素敏感光谱指数,基于变量投影重要性(variable importance projection,VIP)-偏最小二乘(partial least squares,PLS)-赤池信息准则(... 详细信息

为了快速、准确地测定冬小麦植株氮含量,利用2014?2015年的冬小麦冠层反射光谱数据构建了16种氮素或叶绿素敏感光谱指数,基于变量投影重要性(variable importance projection,VIP)-偏最小二乘(partial least squares,PLS)-赤池信息准则(Akaike’s information criterion,AIC)整合模型构建了不同生育期植株氮含量最佳回归模型,并用2012?2013年挑旗期数据对模型进行了验证。结果表明:在AIC下,拔节期以4个植被指数为自变量的模型最优;挑旗期以5个植被指数为自变量的模型最优;开花期以4个植被指数为自变量的模型最优;灌浆期以6个植被指数为自变量的模型最优。4个生育期建模的决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)分别为0.71、0.86、0.75、0.46和0.23%、0.13%、0.12%、0.15%,以挑旗期决定系数为最大。挑旗期验证集的R2和RMSE分别为0.81和0.41%,预测模型和验证模型均具有较高的估算精度和可靠性,研究结果为选择小麦合适的生育期估算小麦植株氮营养状况提供参考。

关键词：模型氮光谱分析冬小麦植株氮含量赤池信息量准则变量投影重要性偏最小二乘法

基于CASI高光谱数据的作物叶面积指数估算

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光谱学与光谱分析 2015年第5期35卷 1351-1356页

作者：唐建民廖钦洪刘奕清杨贵军冯海宽王纪华重庆文理学院林学与生命科学学院重庆402160 北京农业信息技术研究中心北京100097

叶面积指数(LAI)的快速估算对于及时了解作物长势、病虫害监测以及产量评估具有重要意义。利用2012年7月7日在黑河流域张掖市获取的CASI高光谱数据,精确提取出了不同作物的光谱反射率,同时结合地面实测数据,对比分析了宽波段和"红边"植... 详细信息

叶面积指数(LAI)的快速估算对于及时了解作物长势、病虫害监测以及产量评估具有重要意义。利用2012年7月7日在黑河流域张掖市获取的CASI高光谱数据,精确提取出了不同作物的光谱反射率,同时结合地面实测数据,对比分析了宽波段和"红边"植被指数在估算作物LAI方面的潜力,在此基础上,基于波段组合算法,筛选出作物LAI估算的敏感波段,并构建了两个新型光谱指数NDSI和RSI,最后对研究区域作物LAI的空间分布进行了分析。结果表明,在植被覆盖度较低的情况下,宽波段植被指数NDVI对LAI具有较好的估算效果,模型的精度R2与RMSE分别为0.52,0.45(p<0.01);对于"红边"植被指数,由于CIred edge充分考虑了不同的作物类型,其对LAI的估算精度与NDVI一致;利用波段组合算法构建的光谱指数NDSI(569.00,654.80)和RSI(597.6,654.80)对LAI估算的效果要优于NDVI与CIred edge,其中,NDSI(569.00,654.80)主要利用了植被光谱"绿峰"和"红谷"附近的波段,模型估算的精度R2可达0.77(p<0.000 1);根据LAI与NDSI(569.00,654.80)之间的函数关系,绘制作物LAI的空间分布图,经分析,研究区域的西北部LAI值偏低,需增施肥料。研究结果,可为农业管理部门及时掌握作物长势信息、制定施肥策略提供技术支持。

关键词： CASI高光谱数据叶面积指数植被指数波段组合空间分布

农用无人机多传感器遥感辅助小麦育种信息获取

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农业工程学报 2015年第21期31卷 184-190页

作者：杨贵军李长春于海洋徐波冯海宽高林朱冬梅北京农业信息技术研究中心北京100097 国家农业信息化工程技术研究中心北京100097 河南理工大学测绘与国土信息工程学院焦作454000 江苏里下河地区农业科学研究所/国家小麦改良中心扬州分中心扬州225007

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... 详细信息

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。

关键词：无人机遥感载荷作物育种小麦

AquaCrop模型对旱区冬小麦抗旱灌溉的模拟研究

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中国农业科学 2015年第20期48卷 4100-4110页

作者：滕晓伟董燕生沈家晓孟鲁闽冯海宽西安科技大学测绘科学与技术学院国家农业信息化工程技术研究中心农业部农业信息技术重点实验室

【目的】根据干旱情况及时采取灌溉措施,对旱区抗旱以及提高水分利用效率具有重要意义。从大田农业的实际情况出发,研究AquaCrop模型在旱区的适用性及干旱年份抗旱灌溉模拟,为实现抗旱保产提供依据。【方法】于2012—2014年,在旱区陕西... 详细信息

【目的】根据干旱情况及时采取灌溉措施,对旱区抗旱以及提高水分利用效率具有重要意义。从大田农业的实际情况出发,研究AquaCrop模型在旱区的适用性及干旱年份抗旱灌溉模拟,为实现抗旱保产提供依据。【方法】于2012—2014年,在旱区陕西杨凌及杨凌周边区域进行冬小麦大田试验,采用2013—2014年揉谷试验区的冬小麦观测数据进行模型的参数调试,采用2012—2013年揉谷试验区和2013—2014年武功试验区的冬小麦观测数据进行模型的验证,从而获得Aqua Crop模型在陕西杨凌及周边地区的模型参数。模型参数包括影响冠层生长的冠层增长系数、冠层衰老系数和最大冠层覆盖度,影响生物量积累的水分生产力,影响产量形成的参考收获指数等。然后根据调查的干旱年份2012—2013年的灌溉情况制定出4种灌溉情景,并利用参数本地化后的AquaCrop模型模拟2012—2013年4种灌溉情景对冬小麦生物量和产量的影响,通过模拟结果得出最优灌溉策略。最后比较2012—2013年揉谷试验区、2013—2014年揉谷试验区和武功试验区冬小麦的产量水分利用效率。【结果】在冬小麦冠层覆盖度方面,AquaCrop模型模拟的冠层覆盖度和实测值之间的决定系数(R2)与均方根误差(RMSE)分别为0.464和8.0%。在冬小麦生物量模拟方面,AquaCrop模型模拟的生物量和实测值之间的R2和RMSE分别为0.889和1.622 t·hm-2。在冬小麦产量模拟方面,AquaCrop模型模拟的产量与实测产量之间的RMSE为0.377 t·hm-2。2013年为干旱年份,在播种后第77天进行冬灌并且在播种后第172天的拔节期再进行灌溉的两种情景获得最大的生物量;在播种后第77天进行冬灌、播种后第172天拔节期和播种后第200天抽穗期再分别灌溉,小麦产量最高,达到6.451 t·hm-2。2012—2013年揉谷试验区、2013—2014年揉谷试验区和武功试验区冬小麦的产量水分利用效率分别为1.84、1.69和1.82 kg·m-3。【结论】AquaCrop模型能够较好地模拟旱区冬小麦的生物量和产量,并且AquaCrop模型模拟的干旱年份下不同灌溉策略的生物量和产量,基本可以说明不同灌溉时间和灌溉次数对冬小麦最终产量的影响。同时说明2012—2013年增加的2次灌溉使干旱年份冬小麦的产量水分利用效率超过正常年份。以上研究符合当地农业生产实际情况,说明AquaCrop模型可以为旱区抗旱保产提供依据。AquaCrop模型具有很好的应用前景,正逐渐成为一个重要的田间决策工具。

关键词： AquaCrop模型冬小麦灌溉干旱

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基于无人机数码影像的马铃薯覆盖度提取方法

农业机械学报 2020年第3期51卷 164-170页

作者：吴智超李长春冯海宽翟丽婷王道勇杨贵军河南理工大学测绘与国土信息工程学院焦作454000 北京农业信息技术研究中心农业农村部农业遥感机理与定量遥感重点实验室北京100097 国家农业信息化工程技术研究中心北京100097 安徽大学农业生态大数据分析与应用技术国家地方联合工程研究中心合肥230601

为了利用数码影像快速提取马铃薯覆盖度,首先,利用植被覆盖度提取算法从地面数码影像中获取马铃薯覆盖度实测值;然后,通过植被指数提取法和最大似然监督分类法对无人机数码影像进行处理,分别获取各个研究小区的马铃薯覆盖度;提出利用颜... 详细信息

为了利用数码影像快速提取马铃薯覆盖度,首先,利用植被覆盖度提取算法从地面数码影像中获取马铃薯覆盖度实测值;然后,通过植被指数提取法和最大似然监督分类法对无人机数码影像进行处理,分别获取各个研究小区的马铃薯覆盖度;提出利用颜色转换空间HSI(HA法)从无人机数码影像中快速提取马铃薯覆盖度;最后,对HA法、最大似然监督分类法和植被指数提取法3种方法的计算结果进行精度比较。结果表明,HA法估测的植被覆盖度的精度最高,均达到0.91以上,拟合函数拟合度为0.97;最大似然监督分类法次之,最低精度为0.75,拟合度为0.82;植被指数提取法最差,最低精度为0.74,拟合度为0.74。

关键词：马铃薯植被覆盖度提取算法过绿植被指数监督分类颜色转换空间算法

基于遥感和AquaCrop作物模型的多同化算法比较

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农业工程学报 2017年第13期33卷 183-192页

作者：邢会敏李振海徐新刚冯海宽杨贵军陈召霞北京农业信息技术研究中心北京100097 国家农业信息化工程技术研究中心北京100097 农业部农业信息技术重点实验室北京100097 北京市农业物联网工程技术研究中心北京100097 商丘师范学院测绘与规划学院商丘476000

为了研究不同数据同化方法在AquaCrop(FAO Crop model to simulate yield response to water)模型模拟作物地上生物量(above ground biomass,AGB)、冠层覆盖度(canopy cover,CC)和产量过程的效率,以冬小麦为研究对象,利用2012-2013、2013-2014和2014-2015年冬小麦田间试验数据,将标定的Aqua Crop生长模型与遥感光谱信息相结合开展同化技术分析,应用粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)、模拟退火(simulated annealing,SA)和复合型混合演化(shuffled complex evolution,SCE-UA)3种数据同化算法,以不同生育期、不同水分处理和不同氮肥水平的AGB和CC为双变量开展多同化算法的模拟分析,对3种数据同化算法的运算效率和同化结果进行对比分析。结果表明:1)3种数据同化算法达到的应度值0.26时,SCE-UA同化算法用时最少(833 s),SA数据同化算法用时最多(1433 s),表明SCE-UA同化算法效率最优,SA数据同化算法效率最低;2)不同生育期的同化结果,AGB的同化精度随着生育期的推进而降低,AGB的模拟值在拔节期和挑旗期高于实测值,被高估,在开花期和灌浆期被低估,总的AGB被低估;CC在拔节期和挑旗期被低估,在开花期和灌浆期被高估,总的CC被低估;3)不同水分处理的同化结果,AGB普遍被低估,CC在雨养(W0)条件下被高估,在正常灌溉(W1)和过量灌溉(W2)条件下被低估;产量均被低估;4)不同氮肥水平,AGB的模拟精度随着施N量的增加而降低,并且普遍被低估,CC普遍被高估,产量均被低估。以上结果表明,PSO、SA和SCE-UA 3种数据同化算法均能有效模拟冬小麦的AGB、CC和产量,其中SCE-UA数据同化算法无论在运算效率还是同化结果的精度上均优于PSO和SA数据同化算法。

关键词：遥感作物模型 AquaCrop模型数据同化生物量冠层覆盖度

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基于特征光谱参数的苹果叶片叶绿素含量估算

农业工程学报 2018年第6期34卷 182-188页

作者：冯海宽杨福芹杨贵军李振海裴浩杰邢会敏北京农业信息技术研究中心北京100097 国家农业信息化工程技术研究中心北京100097 农业部农业信息技术重点实验室北京100097 北京市农业物联网工程技术研究中心北京100097 河南工程学院土木工程学院郑州451191

果树叶绿素含量的快速、无损、准确监测,可以及时掌握果树的营养水平,对指导果树管理具有重要意义。该文利用2012年和2013年山东省肥城市潮泉镇下寨村的苹果叶片叶绿素含量和叶片光谱数据,分析了叶绿素含量和苹果叶片原始光谱及其变换... 详细信息

果树叶绿素含量的快速、无损、准确监测,可以及时掌握果树的营养水平,对指导果树管理具有重要意义。该文利用2012年和2013年山东省肥城市潮泉镇下寨村的苹果叶片叶绿素含量和叶片光谱数据,分析了叶绿素含量和苹果叶片原始光谱及其变换形式之间的相关性,筛选出较优光谱参数,并利用随机森林法、偏最小二乘法、BP神经网络和支持向量机回归法进行估算和验证。结果表明:1)叶绿素含量与叶片原始光谱及其变换形式之间的最优光谱参数分别为554和708 nm的原始光谱反射率,554和708 nm倒数之对数光谱,535、569、700和749 nm一阶微分光谱以及557和708 nm连续统去除光谱;2)随机森林、偏最小二乘法、BP神经网络和支持向量机估算模型的R2分别为0.94,0.61,0.66和0.60,RMSE分别为0.34,0.78,0.75和0.81 mg/dm2。说明随机森林算法模型用于估算苹果叶片叶绿素含量效果较好,为及时了解果树养分状况及果树营养诊断提供技术支持。

关键词：叶绿素光谱分析支持向量机苹果叶片高光谱随机森林偏最小二乘法 BP神经网络