《COMPUT ELECTRON AGR》--基于无人机高光谱影像监测倒伏胁迫下玉米冠层叶绿素密度

2024-09-05338

点击上方蓝字关注我们

基于无人机高光谱影像监测倒伏胁迫下玉米冠层叶绿素密度

英文：Monitoring maize canopy chlorophyll density under lodging stress based on UAV hyperspectral imagery

研究单位

中国农业大学

国家农业信息技术工程研究中心

国家智能农业装备研究中心

武汉大学

摘要

倒伏导致作物产量严重下降、品质降低、机械收割难度增加，及时准确获取玉米倒伏等级空间分布信息对产量损失评估、胁迫后管理、保险理赔等具有重要意义。该研究旨在探索无人机成像技术对玉米倒伏胁迫的监测能力。在玉米倒伏控制试验支持下，以不同倒伏等级胁迫下玉米植株冠层叶绿素密度（CCD）为特征指数，分析不同倒伏等级胁迫下高光谱特征参数与CCD的关系。利用原始冠层光谱（OCS）、一阶微分（FOD）、小波系数（WC）、植被指数（VI）的敏感特征参数构建倒伏胁迫下玉米CCD的监测模型。结果表明：高光谱影像中茎秆反射率显著高于叶片，这是倒伏胁迫下冠层原始光谱发生变化的主要原因；冠层原始光谱反射率随倒伏胁迫严重程度增加而增大；CCD模型精度为VI>WC>FOD>OCS（R²分别为0.63、0.61、0.59、0.57），其中VI精度最高（R²=0.63，RMSE=0.36 g/m³），这是因为CCD不仅考虑了玉米倒伏后冠层空间结构的变化，还考虑了倒伏胁迫下玉米植株生理活动的变化。根据基于无人机高光谱影像构建的CCD模型对玉米倒伏等级进行评价。

研究数据

高光谱数据：高光谱数据由Cubert S185机载高速高光谱成像仪获取。该成像仪采用框幅式高光谱成像技术，能以更快的速度进行所有光谱通道同步成像，在1/1000秒内获得整个高光谱立方体数据，配套功能强大的测量及处理软件，快速获取大面积高光谱图像，影像具有厘米级地理坐标信息。

图1 S185高光谱成像系统及其参数

研究过程

图2 研究区域地理位置

图3 玉米倒伏人工控制照片

图4 试验田玉米倒伏类型（RL：根倒伏；SB1：玉米茎秆在第3节间处弯曲；SB2：玉米茎秆在玉米穗下部节间处弯曲；SI60°、SI45°、SI30°分别为玉米茎秆倾斜60°、45°、30°；CK：对照的直立植株）

图5 数据采集照片

图6 实验地块高光谱影像真彩色合成图（VT：抽穗期；R3：乳熟期）

图7 实验地块的高光谱立方体图像

图8 玉米植株倒伏示意图、冠层高度（h）和倒伏后冠层高度（hL）、地块面积（A）和采样面积（s）

表1 VI的计算公式

图9 不同倒伏程度玉米的OCS变化

图10 不同倒伏等级玉米冠层光谱红边位置

图11 不同倒伏程度的冠层图像

图12 玉米叶片和茎秆的光谱曲线

图13 不同倒伏程度CCD的变化

图14 CCD与OCS之间的关系

图15 CCD与FOD之间的关系

图16 CCD与WC之间的关系

表2 各尺度下最大相关系数的绝对值

表3 CCD与VI之间的相关性（n=38）

表4 每个特征的敏感参数

图17 基于OCS（a）、FOD（b）、WC（c）和VI（d）构建模型估算的CCD与实测CCD之间的关系

图18 CCD空间分布图（注：CCD<0为玉米叶片阴影、玉米植株之间的间隙以及倒伏暴露的土壤）

研究结论

针对作物倒伏胁迫，基于无人机高光谱影像进行CCD估算和倒伏等级监测。构建表征玉米倒伏严重程度的CCD指数，该指数融合了作物结构参数和生理参数，能够解释倒伏胁迫下作物冠层结构的变化和对作物生理活动的影响。分析了不同倒伏等级下玉米冠层光谱与CCD的变化特征，探究不同光谱参数与CCD的内在联系，并在特征变换和CCD模型构建方面开展了一系列研究。结论如下：（i）随着倒伏等级的增加，玉米冠层光谱反射率增大，红边位置向短波方向移动；（ii）倒伏胁迫越严重，CCD越高；特征变换提高了FOD、WC、VI与CCD的相关性，相关性高于OCS。（iii）基于VI的敏感参数构建CCD模型，R²=0.63，RMSE=0.36 g/m³，得到了不同倒伏等级下CCD的空间分布情况。结果验证了CCD为利用无人机高光谱影像进行作物倒伏等级评估提供了一种可靠、准确的方法，且能够满足田块尺度上作物倒伏等级识别的需求，为无人机高光谱监测作物倒伏信息提供了依据。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compag.2021.106671

END

X20P-LIR一体式

多源遥感系统

X20P-LIR一体式多源遥感系统是一款多功能无人机遥感设备，集激光雷达、热红外及高光谱成像为一体，实时同步获取激光雷达、红外及高光谱图像数据。主要功能包括：基于光场技术的高光谱成像，光谱范围350~1000nm、5MP高清全色相机、测距达450m（@80%Ref）的固态激光雷达、大面阵高精度热红外成像；主机内置控制系统、高精度惯导及固态存储，整机重量轻、操作简单，适合M300/M350 RTK无人机搭载使用。

是国家高新技术企业，拥有多项发明专利及著作软件，并通过ISO9001质量管理体系认证。我们专注于遥感技术领域高端科研设备及服务十余年，已为国内数百家科研单位及高校提供了各种遥感设备及技术支持，服务范围遍布全国。愿与遥感领域的各科研单位及高校建立长期合作关系，为科研人员提供真正有价值的无人机遥感设备和全面而专业的技术服务！

总部地址：

北京市海淀区信息路2号浪潮信息大厦C座710

全国服务电话：4006-507-608

网址： www.azup.cn

E-mail：info@azup.cn

各地办公室

上海办：021-54155790 sh@azup.cn

广州办：020-28171197 gz@azup.cn

武汉办：027-87336236 wh@azup.cn

西安办：029-81545954 xa@azup.cn

往期推荐

《COMPUT ELECTRON AGR》--基于高光谱成像技术与深度自编码器的葡萄成熟度原位估算

《COMPUT ELECTRON AGR》--基于Cubert框幅式高光谱成像仪估算直立生长作物的地上生物量

《COMPUT ELECTRON AGR》--基于Cubert框幅式高光谱成像仪实现茶树病虫害胁迫识别

上一篇：没有了

下一篇：《COMPUT ELECTRON AGR》--基于Cubert框幅式高光谱成像仪估算直立生长作物的地上生物量