中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (19): 3857-3871.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.19.005
邵明超(), 安敬威, 刘博睿, 吴建双, 张琪, 姚霞, 程涛, 江冲亚, 曹卫星, 郑恒彪(
), 朱艳(
)
收稿日期:
2025-03-25
接受日期:
2025-07-23
出版日期:
2025-10-01
发布日期:
2025-10-10
通信作者:
联系方式:
邵明超,E-mail:2021201106@stu.njau.edu.cn。
基金资助:
SHAO MingChao(), AN JingWei, LIU BoRui, WU JianShuang, ZHANG Qi, YAO Xia, CHENG Tao, JIANG ChongYa, CAO WeiXing, ZHENG HengBiao(
), ZHU Yan(
)
Received:
2025-03-25
Accepted:
2025-07-23
Published:
2025-10-01
Online:
2025-10-10
摘要:
【目的】小麦苗情等级反映苗期生长状态和健康水平,是产量预测与田间管理的重要依据。传统依赖人工经验的苗情评估方法在大田应用中存在效率低、主观性强和难以推广的局限。本研究基于无人机搭载RGB传感器,结合地面实测农艺参数,探索融合多模态遥感特征的小麦苗情综合评估方法,为大尺度和跨区域监测提供技术路径。【方法】在江苏省通过设计多站点和多高度航测试验以采集无人机影像,并同步采集分蘖数、冠层覆盖度等农艺参数。基于植被指数和纹理特征提取作物光谱与结构信息,利用信息值(IV)与基尼系数(GINI)实现特征筛选,构建随机森林(RF)、极端梯度提升(XGBoost)和梯度提升决策树(GBDT)等多种机器学习模型,评估苗情等级的分类精度,并基于局部方差系数确定最优图像分辨率以提升应用的稳定性和跨区域适应性。【结果】增强型绿红差异指数(EXGR)对苗期冠层覆盖度的识别精度最优(像素精度(PA)=0.69,特异性(S)=0.83)。绿红比值指数(GRRI)与分蘖数呈现显著相关关系(R2=0.58,相对均方根误差(rRMSE)=0.28)。融合农艺参数与遥感特征的随机森林算法在苗情等级划分方法精度最高(PA=0.85,R=0.86),其中分蘖数和纹理信息(E_energy)对苗情等级划分贡献最大(IV>0.70),(35±5) m的飞行高度是获得高质量无人机数据的重要参考(local variance=0.17)。【结论】通过构建融合农艺参数与遥感特征的小麦苗情综合评估框架,证明便携式无人机RGB影像结合机器学习方法在跨区域苗情等级监测中的可行性和高效性。本方法可为区域尺度的苗情动态评估、种植管理策略制定及粮食安全保障提供数据支持与方法参考。
邵明超, 安敬威, 刘博睿, 吴建双, 张琪, 姚霞, 程涛, 江冲亚, 曹卫星, 郑恒彪, 朱艳. 基于多模态数据的小麦苗情综合评估研究[J]. 中国农业科学, 2025, 58(19): 3857-3871.
SHAO MingChao, AN JingWei, LIU BoRui, WU JianShuang, ZHANG Qi, YAO Xia, CHENG Tao, JIANG ChongYa, CAO WeiXing, ZHENG HengBiao, ZHU Yan. Comprehensive Assessment of Wheat Seedling Growth Status Based on Multimodal Data[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(19): 3857-3871.
表1
本研究使用的植被指数"
植被指数 Vegetation index | 公式 Formula |
---|---|
绿红比指数 Green-red ration index (GRRI) | G/R |
绿蓝比指数 Green-blue ration index (GBRI) | G/B |
蓝红比指数 Blue-red ration index (BRRI) | B/R |
过红指数 Excess red (EXR) | 1.4×R-G |
过绿指数 Excess green (EXG) | 2×G-R-B |
过绿-过红指数 Excess green minus excess red (EXGR) | EXG-EXR |
植被颜色指数 Color index of vegetation (CIVE) | 0.441×r-0.881×g+0.385×b+18.7874 |
修正超绿指数 Modified excess green (MEXG) | 1.262×g-0.884×r-0.311×b |
红绿蓝植被指数 Red green blue vegetation Index (RGBVI) | (G×G-B×R)/(G×G+B×R) |
归一化红绿差异指数Normalized green-red difference index (NGBDI) | (G-B)/(G+B) |
可见光差异植被指数 Visible band difference vegetation index (VDVI) | (2×G-R-B)/(2×G+R+B) |
图2
苗期冠层覆盖度的识别结果 (a):EXG预测像素与真实像素数分布图 Distribution of predicted EXG pixel count vs. peal pixel count;(b):EXG识别冠层覆盖度结果 Canopy cover detection results using EXG;(c):EXGR预测像素与真实像素数分布图 Distribution of predicted EXGR pixel count vs. real pixel count;(d):EXGR识别冠层覆盖度结果 Canopy cover detection results using EXGR"
表3
苗情等级的监测精度"
苗情等级 Class | 精度指标 Metrics | 随机森林 RF | 极端梯度提升 XGBOOST | 梯度提升决策树 GBDT | 决策树 DT |
---|---|---|---|---|---|
1 | 像素精度 PA | 0.90 | 1.00 | 0.95 | 0.88 |
召回率 R | 1.00 | 0.32 | 0.95 | 0.79 | |
2 | 像素精度 PA | 0.83 | 0.57 | 0.86 | 0.70 |
召回率 R | 0.94 | 0.64 | 0.86 | 0.83 | |
3 | 像素精度 PA | 0.83 | 0.57 | 0.80 | 0.73 |
召回率 R | 0.77 | 0.18 | 0.84 | 0.55 | |
4 | 像素精度 PA | 0.82 | 0.40 | 0.92 | 0.65 |
召回率 R | 0.79 | 0.81 | 0.81 | 0.79 | |
5 | 像素精度 PA | 0.89 | 0.82 | 0.79 | 0.83 |
召回率 R | 0.81 | 0.67 | 0.90 | 0.71 |
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