中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (6): 1066-1079.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.06.004
周智辉(), 谷晓博(
), 程智楷, 常甜, 赵彤彤, 王玉明, 杜娅丹
收稿日期:
2023-10-07
接受日期:
2023-11-14
出版日期:
2024-03-16
发布日期:
2024-03-25
通信作者:
联系方式:
周智辉,E-mail:1191294492@qq.com。
基金资助:
ZHOU ZhiHui(), GU XiaoBo(
), CHENG ZhiKai, CHANG Tian, ZHAO TongTong, WANG YuMing, DU YaDan
Received:
2023-10-07
Accepted:
2023-11-14
Published:
2024-03-16
Online:
2024-03-25
摘要:
【目的】 快速、准确监测覆膜玉米叶绿素含量,探明将影像地膜和阴影背景像元剔除能否提高光谱和纹理特征反演叶绿素含量的精度。【方法】 以无人机多光谱遥感影像数据为基础,以覆膜玉米苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期叶绿素含量为对象,使用监督分类分割影像背景像元和玉米像元,分析背景像元对玉米冠层光谱的影响,计算全像元和玉米像元影像的光谱特征和纹理特征并筛选较优变量输入,利用偏最小二乘、支持向量机和BP神经网络3种机器学习算法建立玉米叶绿素含量的反演模型。【结果】 (1)苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期多光谱影像中的背景像元对玉米冠层的光谱均有显著影响。(2)基于玉米像元影像提取的光谱特征、纹理特征和光谱特征+纹理特征为变量输入的反演精度均优于全像元影像(最佳模型建模R 2提高0.078,RMSE和MAE分别降低0.060和0.055 mg·g-1,验证R 2提高0.109,RMSE和MAE分别降低0.075和0.047 mg·g-1)。(3)基于玉米像元影像的光谱特征+纹理特征为变量输入的建模精度比仅使用光谱特征或纹理特征为变量输入的建模精度提升显著;其中光谱特征+纹理特征为变量输入的BP神经网络模型精度最高(验证R 2、RMSE、MAE分别为0.690、0.468 mg·g-1、0.375 mg·g-1)。【结论】 采用剔除背景像元的无人机多光谱影像光谱和纹理特征数据并结合BP神经网络可较好地实现覆膜玉米叶绿素含量的反演,研究结果可为无人机遥感快速、准确反演覆膜玉米叶绿素含量提供理论参考。
周智辉, 谷晓博, 程智楷, 常甜, 赵彤彤, 王玉明, 杜娅丹. 基于影像分割的覆膜玉米叶绿素含量反演[J]. 中国农业科学, 2024, 57(6): 1066-1079.
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表1
光谱特征计算公式"
光谱特征 Spectral feature | 公式 Formula | 文献 Reference | 光谱特征 Spectral feature | 公式 Formula | 文献 Reference | |
---|---|---|---|---|---|---|
B | B=R450 | GNDVI | GNDVI=(R840-R560)/(R840+R560) | [ | ||
G | G=R560 | SAVI | SAVI=(1+0.5)×(R840-R650)/(R840+R650+0.5) | [ | ||
R | R=R650 | OSAVI | OSAVI=(R840-R650)/(R840+R650+0.16) | [ | ||
RE | RE=R730 | MCARI | MCARI=[(R730-R650) -0.2×(R730-R560)]×(R730/R650) | [ | ||
NIR | NIR (near infrared)=R840 | MTCI | MTCI=(R840-R730)/(R730-R650) | [ | ||
NDVI | NDVI=(R840-R650)/(R840+R650) | [ | NDRE | NDRE=(R840-R730)/(R840+R730) | [ | |
CIgreen | CIgreen=R840/R560-1 | [ | MSR | MSR=(R840/R650-1)/(R840/R650+1)0.5 | [ | |
CIre | CIre=R840/R730-1 | [ |
表3
叶绿素含量数据划分"
数据集 Dataset | 样本量 Sample size | 最小值 Minimum (mg·g-1) | 最大值 Maximum (mg·g-1) | 平均值 Average (mg·g-1) | 标准差 Standard deviation (mg·g-1) | 方差 Variance | 变异系数Coefficient of variation (%) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
样本集 Sample set | 144 | 2.07 | 5.50 | 3.69 | 0.84 | 0.71 | 22.78 |
建模集 Modeling set | 108 | 2.07 | 5.48 | 3.68 | 0.84 | 0.71 | 22.92 |
验证集 Validation set | 36 | 2.25 | 5.50 | 3.73 | 0.84 | 0.71 | 22.66 |
表5
纹理特征与叶绿素含量的相关性分析"
纹理特征 Texture feature | 相关系数Correlation coefficient | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
全像元All pixels | 玉米像元Maize pixels | |||||||||
B | G | R | RE | NIR | B | G | R | RE | NIR | |
Mean | 0.08ns | 0.06ns | 0.10ns | 0.28** | 0.54** | 0.52** | 0.43** | 0.63** | 0.25** | 0.71** |
Var | 0.45** | 0.62** | 0.35** | 0.47** | 0.58** | 0.40** | 0.19* | 0.38** | 0.63** | 0.67** |
Hom | 0.27** | 0.28** | 0.24** | 0.37** | 0.30** | 0.34** | 0.20* | 0.52** | 0.44** | 0.37** |
Con | 0.46** | 0.62** | 0.36** | 0.50** | 0.55** | 0.36** | 0.15ns | 0.36** | 0.62** | 0.67** |
Dis | 0.19* | 0.28** | 0.19* | 0.19* | 0.51** | 0.37** | 0.16* | 0.45** | 0.59** | 0.59** |
Ent | 0.29** | 0.29** | 0.28** | 0.34** | 0.32** | 0.30** | 0.23** | 0.52** | 0.27** | 0.27** |
Sec | 0.32** | 0.32** | 0.31** | 0.34** | 0.33** | 0.32** | 0.28** | 0.53** | 0.15ns | 0.23** |
Corr | 0.15ns | 0.09ns | 0.15ns | 0.11ns | 0.16* | 0.52** | 0.37** | 0.64** | 0.27** | 0.26** |
表6
基于全子集筛选的两种影像筛选变量结果"
影像类型 Image type | 变量输入 Variable input | 筛选结果 <BOLD>F</BOLD>iltering result | R2adj | BIC |
---|---|---|---|---|
全像元 All pixels | SF | B NIR NDRE MSR MCARI | 0.59 | -105 |
TF | Mean_B Con_G Diss_G Sec_R Mean_RE Var_RE Sec_NIR | 0.63 | -100 | |
SF+TF | Mean_B Con_G Diss_G Sec_R Mean_RE Var_RE Sec_NIR | 0.63 | -100 | |
玉米像元 Maize pixels | SF | B RE GNDVI NDRE MCARI | 0.59 | -103 |
TF | Hom_B Con_B Diss_B Corr_B Diss_R Sec_R Entropy_RE Sec_RE | 0.66 | -120 | |
SF+TF | NDRE Hom_B Con_B Diss_B Var_G Var_R Diss_R Diss_NIR | 0.69 | -132 |
表7
两种影像不同变量输入的3种机器学习模型精度"
模型Model | 影像类型 Image type | 变量输入 Variable input | 建模Modeling | 验证<BOLD>V</BOLD>alidation | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
R2 | RMSE (mg·g-1) | MAE (mg·g-1) | R2 | RMSE (mg·g-1) | MAE (mg·g-1) | |||
PLS | 玉米像元 Maize pixels | SF | 0.606 | 0.527 | 0.431 | 0.538 | 0.568 | 0.463 |
TF | 0.663 | 0.488 | 0.405 | 0.582 | 0.547 | 0.442 | ||
SF+TF | 0.660 | 0.490 | 0.408 | 0.611 | 0.523 | 0.411 | ||
全像元 All pixels | SF | 0.589 | 0.539 | 0.441 | 0.515 | 0.582 | 0.491 | |
TF(SF+TF) | 0.609 | 0.526 | 0.440 | 0.526 | 0.574 | 0.483 | ||
SVM | 玉米像元 Maize pixels | SF | 0.622 | 0.517 | 0.422 | 0.563 | 0.554 | 0.455 |
TF | 0.635 | 0.508 | 0.422 | 0.577 | 0.542 | 0.432 | ||
SF+TF | 0.662 | 0.488 | 0.403 | 0.634 | 0.506 | 0.376 | ||
全像元 All pixels | SF | 0.621 | 0.517 | 0.423 | 0.532 | 0.573 | 0.462 | |
TF(SF+TF) | 0.630 | 0.518 | 0.409 | 0.540 | 0.568 | 0.478 | ||
BPNN | 玉米像元 Maize pixels | SF | 0.664 | 0.487 | 0.388 | 0.613 | 0.519 | 0.436 |
TF | 0.723 | 0.442 | 0.363 | 0.666 | 0.482 | 0.375 | ||
SF+TF | 0.750 | 0.421 | 0.341 | 0.690 | 0.468 | 0.375 | ||
全像元 All pixels | SF | 0.618 | 0.520 | 0.425 | 0.572 | 0.550 | 0.454 | |
TF(SF+TF) | 0.672 | 0.481 | 0.396 | 0.581 | 0.543 | 0.422 |
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