中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (18): 3632-3647.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.18.005
韩林蒲(), 马纪龙, 齐勇杰, 高嘉琪, 谢铁娜, 贾彪(
)
收稿日期:
2025-03-12
接受日期:
2025-06-09
出版日期:
2025-09-18
发布日期:
2025-09-18
通信作者:
联系方式:
韩林蒲,E-mail:hanlinpu2023@163.com。
基金资助:
HAN LinPu(), MA JiLong, QI YongJie, GAO JiaQi, XIE TieNa, JIA Biao(
)
Received:
2025-03-12
Accepted:
2025-06-09
Published:
2025-09-18
Online:
2025-09-18
摘要:
【目的】地上部生物量是衡量作物生长状况的重要指标。探究单一光谱参数模型与融合不同生长阶段模型在青贮玉米地上部生物量(above ground biomass,AGB)估测中的精度差异,旨在比较无人机多光谱特征参数及模型融合方法对青贮玉米AGB估测模型精度的影响,以提高宁夏青贮玉米生物量监测的准确性,为青贮玉米生物量的动态监测提供一种可行的技术方案。【方法】采用大疆无人机M300 RTK搭载M600 Pro型多光谱相机,获取6个不同氮素水平下青贮玉米各个生长阶段的多光谱影像数据,分析不同处理下光谱反射率和植被指数与青贮玉米地上部生物量变化关系。将青贮玉米全生育期数据集划分为营养生长阶段数据集和生殖生长阶段数据集,并对2个不同生长阶段数据集进行相关性分析,选择关联程度高的多光谱植被指数作为建模数据的输入量,利用随机森林(RF)、卷积神经网络(BP)等机器学习方法构建青贮玉米不同生长阶段的AGB估测模型,并使用灰狼优化算法进行模型优化。最后利用Shapley分析法,将优化的青贮玉米不同生长阶段AGB估算模型进行组合,得到具有多光谱变化特征的青贮玉米全生育期AGB估算模型。【结果】划分2个不同生长阶段可以提高青贮玉米生物量与多光谱植被指数的关联性,其中绿色叶绿素植被指数(green chlorophyll vegetation index,GCVI)提升最高,相关性绝对值达到了0.61和0.64;利用Shapley组合后的RF模型精度相对较高,R2为0.89、均方根误差(root mean square error,RMSE)为1.31 kg·m-2;灰狼算法优化后的RF模型经Shapley组合后精度最高,R2为0.92、RMSE为1.11 kg·m-2。【结论】在青贮玉米各生长阶段筛选最优光谱参数,并利用Shapley分析集成多阶段建模,能够有效提升青贮玉米AGB预测模型的精度。
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表1
试验地0—20 cm耕层基础肥力"
年份 Year | pH | 有机质 Organic matter (g·kg-1) | 全氮 Total nitrogen (g·kg-1) | 全磷 Total phosphorus (g·kg-1) | 碱解氮 Alkaline hydrolysis nitrogen (mg·kg-1) | 速效磷 Rapidly available phosphorus (mg·kg-1) | 速效钾 Rapidly available potassium (mg·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
2023 | 7.85 | 12.75 | 0.39 | 0.66 | 36.75 | 14.96 | 98.54 |
2024 | 8.19 | 13.77 | 0.44 | 0.78 | 40.25 | 15.19 | 110.42 |
表2
多光谱传感器波段参数"
光谱波段 Spectral band | 光谱名称 Spectral name | 中心波长 Center wavelength (nm) | 波宽 Wave length (nm) | 灰板反射率 Gray board reflectance (%) |
---|---|---|---|---|
B1 | 蓝Blue (B) | 450 | 30 | 0.60 |
B2 | 绿Green (G) | 555 | 27 | 0.60 |
B3 | 红Red (R) | 660 | 22 | 0.59 |
B4 | 红边Red edge (RE) | 720 | 10 | 0.60 |
B5 | 红边750 Red edge 750 (750) | 750 | 10 | 0.60 |
B6 | 近红外Near infrared reflectance (NIR) | 840 | 30 | 0.60 |
表3
多光谱植被指数"
植被指数 Vegetation index | 公式 Formula | 参考文献 Reference |
---|---|---|
绿色归一化差异植被指数 Green normalized difference vegetation index (GNDVI) | $G N D V I=\left(B_{6}-B_{2}\right) /\left(B_{6}+B_{2}\right) $ | [ |
归一化差异植被指数 Normalized difference vegetation index (NDVI) | $N D V I=\left(B_{6}-B_{3}\right) /\left(B_{6}+B_{3}\right) $ | [ |
修正土壤植被指数 Modified soil vegetation index (MSAVI) | $M S A V I=0.5\left\{2 B_{6}+1-\left[\left(2 B_{6}+1\right)^{2}-8\left(B_{6}-B_{3}\right)\right]^{0.5}\right\}$ | [ |
重归一化植被指数 Re-normalized difference vegetation index (RDVI) | $R D V I=\sqrt{\left(B_{6}-B_{3}\right) /\left(B_{6}+B_{3}\right)} $ | [ |
优化土壤调节植被指数 Optimized soil adjusted vegetation index (OSAVI) | $O S A V I=1.16\left(B_{6}-B_{3}\right) /\left(B_{6}+B_{3}+0.16\right) $ | [ |
红边叶绿素指数 Red edge chlorophyll index (NDREI) | $N D R E I=\left(B_{5}-B_{4}\right) /\left(B_{5}+B_{4}\right) $ | [ |
改进简单比值植被指数 Improved simple ratio vegetation index (MSR) | $M S R=\left(B_{5}-B_{4}\right) /\left(B_{4}+B_{3}\right) $ | [ |
绿色叶绿素植被指数 Green chlorophyll vegetation index (GCVI) | $G C V I=\mathrm{B}_{6} /\left(\mathrm{B}_{2}-1\right) $ | [ |
表4
不同生长阶段下青贮玉米生物量统计"
生长阶段 Growth period | 样本数量 Sample number | 最大值 Maximum values | 最小值 Minimum value | 平均值 Average value | 标准差 Standard deviation | 变异系数 Coefficient of variation |
---|---|---|---|---|---|---|
V6—V9 | 60 | 7.15 | 2.66 | 5.33 | 1.09 | 20.58% |
V9—V12 | 60 | 8.88 | 4.18 | 7.11 | 1.16 | 16.35% |
V12—R1 | 60 | 13.47 | 5.16 | 9.20 | 2.44 | 26.56% |
R1—R5 | 60 | 18.38 | 7.43 | 13.50 | 3.36 | 24.93% |
表7
不同生长阶段模型预测全生育期青贮玉米生物量的精度"
时期 Period | 模型 Model | R2 | RMSE (kg·m-2) |
---|---|---|---|
营养生长阶段模型预测全生育期 Nutritional growth stage modeling to predict the whole period | RF | 0.46 | 1.60 |
GWO-RF | 0.58 | 1.39 | |
BP | 0.11 | 2.04 | |
GWO-BP | 0.18 | 2.43 | |
生殖生长阶段模型预测全生育期 Reproductive growth stage modeling for predicting the whole period | RF | 0.58 | 1.40 |
GWO-RF | 0.64 | 1.20 | |
BP | 0.15 | 2.03 | |
GWO-BP | 0.38 | 2.13 |
表9
青贮玉米AGB估算模型精度对比"
时期 Period | 模型 Model | R2 | RMSE (kg·m-2) | RPD | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
全生育期 The whole period | RF | 0.79 | 1.60 | 1.82 | |||
GWO-RF | 0.86 | 1.36 | 2.31 | ||||
BP | 0.65 | 2.14 | 1.38 | ||||
GWO-BP | 0.76 | 1.82 | 1.76 | ||||
全生育期Shapley组合分析 Analysis of Shapley combinations over the whole period | Shapley-RF | 0.90 | 1.21 | 2.77 | |||
Shapley-GWO-RF | 0.93 | 0.99 | 3.43 | ||||
Shapley-BP | 0.80 | 1.69 | 2.03 | ||||
Shapley-GWO-BP | 0.82 | 1.59 | 2.27 |
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