基于無(wú)人機(jī)高光譜影像的馬鈴薯株高和地上生物量估算

劉 楊 馮海寬 黃 玨 孫 乾 楊福芹 楊貴軍

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感機(jī)理與定量遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100097;2.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院， 青島 266590; 3.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097;4.河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院， 鄭州 451191)

0 引言

馬鈴薯作為我國(guó)主要農(nóng)作物之一，其長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量預(yù)測(cè)關(guān)系到國(guó)家糧食安全，因此快速、無(wú)損、高精度的馬鈴薯定量監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。地上生物量(Above-ground biomass，AGB)和株高H是重要的農(nóng)學(xué)參數(shù)[1]，與作物的光合作用相關(guān)，一般用于評(píng)定作物生長(zhǎng)情況、估算作物產(chǎn)量以及評(píng)價(jià)田間管理效益[2-4]。近年來(lái)，通過(guò)遙感技術(shù)能夠高效、實(shí)時(shí)地對(duì)作物AGB進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而，利用衛(wèi)星和航空遙感技術(shù)雖能大面積獲取作物表型參數(shù)，但易受到天氣影響，限制了其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的推廣應(yīng)用[5]。

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進(jìn)入定量化[6]。無(wú)人機(jī)搭載的數(shù)碼相機(jī)和多光譜相機(jī)含有波段數(shù)量少，無(wú)法獲取作物冠層充足的光譜信息，阻礙了對(duì)作物表型參數(shù)進(jìn)行多波段研究[7-9]。高光譜遙感光譜分辨率較高，可以獲得大量的光譜信息，能夠更精確地提取與作物長(zhǎng)勢(shì)相關(guān)的光譜波段。因此無(wú)人機(jī)高光譜技術(shù)能夠更好地監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)情況[10]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)高光譜技術(shù)進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[11]利用無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)，將葉面積指數(shù)、葉片葉綠素含量、植株氮含量、AGB、植株水分含量等5個(gè)指標(biāo)按照均等權(quán)重構(gòu)建綜合指標(biāo)，通過(guò)多種光譜指數(shù)采用偏最小二乘回歸(Partial least square regression, PLSR)方法構(gòu)建綜合指標(biāo)模型，結(jié)果表明，綜合指標(biāo)與光譜指數(shù)的相關(guān)性更高、反演效果更好。文獻(xiàn)[12]獲取了大豆5個(gè)生育期的高光譜影像，采用PLSR方法估算大豆產(chǎn)量，結(jié)果表明，取樣光譜空間長(zhǎng)、寬與小區(qū)總長(zhǎng)、寬比例介于4.25∶5和4.5∶5之間時(shí)，估算精度最高(R2=0.81)。文獻(xiàn)[13]基于無(wú)人機(jī)高光譜影像，結(jié)合光譜指數(shù)和PLSR方法估測(cè)引黃灌區(qū)水稻葉片全氮含量，結(jié)果表明，以738 nm和522 nm波長(zhǎng)處一階光譜導(dǎo)數(shù)組合構(gòu)成的比值光譜指數(shù)(Ratio spectral index，RSI)估測(cè)水稻全氮含量精度最高(R2=0.67)。文獻(xiàn)[14]基于無(wú)人機(jī)高光譜影像，分別以光譜指數(shù)、作物株高及二者融合構(gòu)建冬小麥AGB模型，結(jié)果表明，融合變量效果優(yōu)于單一變量估測(cè)效果。文獻(xiàn)[15]利用高光譜影像、2DRGB影像以及3D作物表面模型估算LAI，并進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，基于RGB的影像估算效果較差，而通過(guò)高光譜影像和作物表面模型的估算效果較好。文獻(xiàn)[16]利用高光譜數(shù)據(jù)，對(duì)混合型作物采用PROSPECT+SAIL模型反演LAI，R2達(dá)到0.82。以上研究大多將光譜指數(shù)作為自變量，通過(guò)構(gòu)建模型來(lái)估算水稻葉片氮素含量、大豆產(chǎn)量和小麥AGB，而通過(guò)高光譜影像結(jié)合地面控制點(diǎn)(Ground control point,GCP)生成數(shù)字表面模型(Digital surface model，DSM)進(jìn)行株高提取，并融入光譜指數(shù)來(lái)估算AGB的研究較少。

本文以馬鈴薯為研究對(duì)象，首先進(jìn)行株高提取和最優(yōu)光譜指數(shù)篩選，然后分別將實(shí)測(cè)株高、提取株高和最優(yōu)光譜指數(shù)與馬鈴薯AGB進(jìn)行單變量分析，各生育期采用3種建模方法以光譜指數(shù)和光譜指數(shù)加入估測(cè)株高為輸入變量來(lái)估算馬鈴薯的AGB，以期進(jìn)一步提高馬鈴薯AGB的估算精度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

馬鈴薯試驗(yàn)于2019年3—7月在北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地進(jìn)行。該區(qū)域位于北緯40°10′34″，東經(jīng)116°26′39″，平均海拔為36 m，氣候類(lèi)型為暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量為640 mm，年均溫度為10℃，年均無(wú)霜期180 d。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為小區(qū)隨機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)品種為中薯5(P1)和中薯3(P2)，均為早熟馬鈴薯品種，試驗(yàn)田共計(jì)48個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為6.5 m×5 m。共設(shè)密度試驗(yàn)區(qū)(T區(qū))、氮素試驗(yàn)區(qū)(N區(qū))、鉀肥試驗(yàn)區(qū)(K區(qū))3個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每種試驗(yàn)重復(fù)3次，每種重復(fù)進(jìn)行不同程度的密度、氮素和鉀肥處理，其中密度設(shè)置3種水平(T1: 60 000株/hm2、T2: 72 000株/hm2、T3: 84 000株/hm2)，氮素設(shè)置4種水平(N0: 0 kg/hm2、N1: 244.65 kg/hm2、N2: 489.15 kg/hm2(正常處理，15 kg純氮)、N3: 733.5 kg/hm2)，鉀肥設(shè)置3種水平(K0: 0 kg/hm2、K1: 970.5 kg/hm2(T區(qū)和N區(qū)均為K1處理)、K2: 1 941 kg/hm2)。為了更好地獲取試驗(yàn)田的DSM，本試驗(yàn)在試驗(yàn)小區(qū)周?chē)鶆虿伎?1個(gè)地面控制點(diǎn)(k1～k11，由0.3 m×0.3 m的木板和埋于地下的木樁組成，其上有黑白標(biāo)志的塑料板，目的是準(zhǔn)確確定木板的中心位置)，并用差分GPS測(cè)定其三維空間位置，詳細(xì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

1.2 地面數(shù)據(jù)獲取

分別獲取馬鈴薯現(xiàn)蕾期(2019年5月13日)、塊莖形成期(2019年5月28日)、塊莖增長(zhǎng)期(2019年6月10日)、淀粉積累期(2019年6月20日)和成熟期(2019年7月3日)5個(gè)關(guān)鍵時(shí)期的馬鈴薯株高和AGB數(shù)據(jù)。其中馬鈴薯株高的觀測(cè)方法為：在每個(gè)小區(qū)選取能夠代表整體長(zhǎng)勢(shì)水平的4棵植株，分別用直尺測(cè)量從莖基到葉頂端的距離，取其平均高度代表該小區(qū)的實(shí)測(cè)馬鈴薯株高。馬鈴薯AGB通過(guò)收獲法獲取，在每個(gè)小區(qū)選取代表長(zhǎng)勢(shì)水平的3棵植株，將其莖葉分離，隨后用清水洗凈，105℃殺青，80℃干燥至質(zhì)量恒定再進(jìn)行稱(chēng)量。將植株莖和葉的干質(zhì)量求和得到樣本干質(zhì)量，最后通過(guò)樣本干質(zhì)量和種植密度得到每個(gè)小區(qū)的馬鈴薯AGB[17]。

1.3 無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)獲取與處理

利用無(wú)人機(jī)搭載UHD185型機(jī)載成像光譜儀(Cubert，德國(guó))分別獲取裸土期(2019年4月20日)至成熟期高光譜影像。該光譜儀尺寸為195 nm×67 nm×60 nm，質(zhì)量470 g，波段范圍為450～950 nm，共有125個(gè)光譜通道，采樣間隔4 nm，光譜分辨率8 nm，數(shù)字分辨率12位。選擇晴朗無(wú)云天氣進(jìn)行拍攝，飛行時(shí)刻為12:00，此時(shí)太陽(yáng)光照強(qiáng)度穩(wěn)定，無(wú)人機(jī)的飛行高度為50 m。無(wú)人機(jī)遙感作業(yè)與地面數(shù)據(jù)獲取同步進(jìn)行，起飛前，需要利用黑白板進(jìn)行輻射校正，同時(shí)作業(yè)時(shí)各時(shí)期的飛行航線(xiàn)保持一致。

無(wú)人機(jī)獲取的高光譜數(shù)據(jù)處理主要包括幾何校正、影像拼接、影像融合和光譜提取4部分。拼接前，完成由影像數(shù)字值(Digital number，DN)到地表反射率的輻射定標(biāo)。首先挑選出航帶內(nèi)的灰度影像和地面11個(gè)GCP導(dǎo)入到PhotoScan軟件中，利用GCP的三維坐標(biāo)信息進(jìn)行幾何校正，生成密集點(diǎn)云進(jìn)而完成影像拼接；其次通過(guò)Cubert-Pilot軟件，進(jìn)行高光譜與灰度影像融合；最后在Arcmap 10.2軟件中，繪制馬鈴薯每個(gè)小區(qū)矢量數(shù)據(jù)，基于IDL語(yǔ)言統(tǒng)計(jì)每個(gè)小區(qū)平均光譜作為馬鈴薯冠層光譜，得到高光譜反射率數(shù)據(jù)。

1.4 高光譜指數(shù)的選取

高光譜指數(shù)就是將植被指數(shù)(Vegetation index，VI)以高光譜不同波段的反射率進(jìn)行一定方式的組合，用來(lái)降低或者消除背景信息對(duì)作物冠層光譜的影響[18]。根據(jù)以往研究成果，本文選取20種高光譜指數(shù)對(duì)馬鈴薯AGB進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體名稱(chēng)和計(jì)算公式見(jiàn)表1。

表1 高光譜指數(shù)及計(jì)算公式Tab.1 Hyperspectral indexes and calculation equation

1.5 分析方法

利用試驗(yàn)田的灰度影像結(jié)合GCP借助PhotoScan軟件生成試驗(yàn)田的數(shù)字表面模型，通過(guò)將馬鈴薯不同生育期的數(shù)字表面模型DSMi(i=1，2，3，4，5)與播種后至出苗前裸土?xí)r期的數(shù)字表面模型DSM0作差，得到相應(yīng)生育期馬鈴薯的株高Hdsm。

采用MLR、PLSR和RF估算馬鈴薯AGB。使用MLR構(gòu)建AGB模型時(shí)，在回歸建模中同時(shí)使用多個(gè)自變量組合來(lái)預(yù)測(cè)因變量，同時(shí)要求自變量與因變量之間有較好的相關(guān)性。PLSR是MLR的一種全新表達(dá)方式，能夠消除自變量之間的共線(xiàn)性問(wèn)題，從而使模型僅用較少自變量來(lái)估測(cè)因變量。RF是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過(guò)bootstrap取樣方式進(jìn)行多次取樣形成訓(xùn)練集，利用決策樹(shù)組合方式進(jìn)行預(yù)測(cè)因變量。本文輸入數(shù)據(jù)為光譜指數(shù)、光譜指數(shù)和Hdsm融合參數(shù)，輸出結(jié)果為馬鈴薯地上生物量。

1.6 精度評(píng)價(jià)

本文對(duì)每個(gè)生育期分別挑選2/3樣本數(shù)據(jù)(32個(gè)，重復(fù)1和重復(fù)2)作為建模集，1/3樣本數(shù)據(jù)(16個(gè)，重復(fù)3)作為驗(yàn)證集，以此來(lái)構(gòu)建馬鈴薯地上生物量估算模型。將采用決定系數(shù)(Coefficient of determination,R2)、均 方 根 誤 差(Root mean square error, RMSE)、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(Normalized root mean square error, NRMSE)評(píng)價(jià)模型精度。R2越接近1、RMSE和NRMSE越低，其估測(cè)模型的精度就越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯株高提取

利用Arcmap 10.2軟件基于矢量數(shù)據(jù)提取出每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的平均株高，5個(gè)生育期共得到240個(gè)馬鈴薯平均株高數(shù)據(jù)，將提取的株高與馬鈴薯株高實(shí)測(cè)值進(jìn)行線(xiàn)性擬合，R2為0.84，RMSE為6.85 cm，NRMSE為15.67%，其值處于10%～20%之間，說(shuō)明提取的馬鈴薯株高精度較高，能夠較好地估測(cè)馬鈴薯地上生物量。

2.2 光譜參數(shù)篩選

2.2.1原始光譜敏感波長(zhǎng)篩選

為篩選出與馬鈴薯地上生物量相關(guān)性最好的原始光譜波長(zhǎng)，通過(guò)Pearson相關(guān)性分析得到不同生育期馬鈴薯冠層原始光譜與地上生物量的相關(guān)性，結(jié)果如圖2所示?，F(xiàn)蕾期，在波段454～714 nm和742～914 nm范圍內(nèi)，地上生物量與原始光譜分別呈極顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)性最好的波長(zhǎng)分別為674 nm和778 nm，它們的相關(guān)系數(shù)分別為-0.679和0.478。塊莖形成期，在波段558～698 nm和726～950 nm范圍內(nèi)，地上生物量與原始光譜分別呈極顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)性最好的波長(zhǎng)分別為630 nm和766 nm，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.438和0.633。塊莖增長(zhǎng)期，在波段454～702 nm和718～950 nm范圍內(nèi)，AGB與原始光譜波長(zhǎng)呈極顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)性最好的波長(zhǎng)分別為610 nm和886 nm，它們的相關(guān)系數(shù)分別為-0.718和0.713。淀粉積累期，在波段454～702 nm和714～950 nm波段范圍內(nèi)，地上生物量與原始光譜波長(zhǎng)呈極顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)性最好的波長(zhǎng)為482 nm和746 nm，相關(guān)系數(shù)分別為-0.701和0.756。成熟期，在波段602～710 nm和914～950 nm范圍內(nèi)，地上生物量與原始光譜呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)性最好的波長(zhǎng)為694 nm和950 nm，相關(guān)系數(shù)分別為0.251和-0.405。

2.2.2高光譜指數(shù)篩選

將馬鈴薯5個(gè)生育時(shí)期的高光譜指數(shù)與地上生物量進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果如表2所示?，F(xiàn)蕾期，除了TCARI指數(shù)與地上生物量達(dá)到顯著水平(P<0.05)外，剩余高光譜指數(shù)均與地上生物量達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，其中相關(guān)性最好的光譜指數(shù)為MSR，相關(guān)系數(shù)為0.678。塊莖形成期，所有光譜指數(shù)與地上生物量均達(dá)到極顯著水平，其中相關(guān)性最好的光譜指數(shù)為PSRI，相關(guān)系數(shù)為-0.727。塊莖增長(zhǎng)期，所有光譜指數(shù)的相關(guān)性較前兩個(gè)時(shí)期都高，其與地上生物量均達(dá)到極顯著水平，其中相關(guān)性最好的光譜指數(shù)為CIrededge，相關(guān)系數(shù)為0.747。淀粉積累期，除了MCARI_MTVI2指數(shù)與地上生物量不相關(guān)外，其余指數(shù)均與地上生物量達(dá)到極顯著水平，其中相關(guān)性最好的光譜指數(shù)為SPVI，相關(guān)系數(shù)為0.756。成熟期，所有光譜指數(shù)相關(guān)性比前4期都低，這與馬鈴薯自身生長(zhǎng)狀況有關(guān)，僅有PSRI和GI光譜指數(shù)與地上生物量達(dá)到極顯著水平，MCARI_MTVI2 、MTVI2、TVI、CIrededge、MCARI2、NDVIcanste、TCARI、DVI、OSAVI等光譜指數(shù)與地上生物量達(dá)到顯著水平，其中相關(guān)性最好的光譜指數(shù)為PSRI，相關(guān)系數(shù)為0.396。

表2 5個(gè)生育期的高光譜指數(shù)與地上生物量的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of hyperspectral index and above-ground biomass in bud period, tuber form period, tuber grow period, starch store period and maturity period

2.2.3敏感波段與光譜指數(shù)確定

為了盡可能避免各指數(shù)之間的共線(xiàn)性，將各個(gè)變量相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值按從大到小排序，篩選出各生育期與地上生物量相關(guān)性較高的前10個(gè)光譜指數(shù)，其結(jié)果如表3所示。綜合5個(gè)生育期相關(guān)性排名前10的光譜指數(shù)與地上生物量的相關(guān)性可知，現(xiàn)蕾期、塊莖形成期、塊莖增長(zhǎng)期和淀粉積累期相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均不小于0.642，成熟期達(dá)到顯著水平，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均不小于0.304；其次這些參數(shù)中包含了紅邊波段，能夠排除較多環(huán)境因素的影響，符合選取的要求[17]。

表3 排名前10的光譜指數(shù)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值Tab.3 Correlation coefficient absolute value of top 10 spectral parameters

2.3 馬鈴薯地上生物量估算模型

2.3.1單變量模型

每個(gè)生育期將株高、最優(yōu)光譜指數(shù)作為自變量利用ER構(gòu)建馬鈴薯地上生物量估算模型，并計(jì)算每個(gè)生育期各模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，每個(gè)生育期以最優(yōu)光譜指數(shù)、H、Hdsm為變量的模型效果存在差異，建模和驗(yàn)證效果優(yōu)劣依次為最優(yōu)光譜指數(shù)、Hdsm和H，其中每個(gè)生育期同種變量驗(yàn)證集R2比建模集R2大，而RMSE和NRMSE小，則驗(yàn)證模型精度較高，穩(wěn)定性較強(qiáng)。就不同生育期而言，現(xiàn)蕾期和成熟期各模型的建模和驗(yàn)證R2較低，RMSE和NRMSE較高，以不同變量構(gòu)建的地上生物量估算模型較差，而通過(guò)最優(yōu)光譜指數(shù)估算地上生物量的精度高于H和Hdsm，模型效果較佳。塊莖形成期，以3種變量構(gòu)建的不同模型建模集和驗(yàn)證集R2高于現(xiàn)蕾期和成熟期，RMSE和NRMSE低于這2個(gè)生育期，綜合分析，地上生物量預(yù)測(cè)效果優(yōu)于現(xiàn)蕾期和成熟期，同樣是以最優(yōu)光譜指數(shù)得到的模型效果最優(yōu)。塊莖增長(zhǎng)期，建模集和驗(yàn)證集各模型R2較高，RMSE和NRMSE較低，相比其他生育期，此生育期構(gòu)建的模型效果最好，預(yù)測(cè)地上生物量的精度最高，其中依然是以最優(yōu)光譜指數(shù)CIrededge為變量估算地上生物量的效果最好，建模集和驗(yàn)證集的R2分別為0.45和0.48；RMSE分別為229.01 kg/hm2和218.76 kg/hm2；NRMSE分別為19.19%和17.89%。淀粉積累期，各模型精度相較于塊莖增長(zhǎng)期有所降低，得到的模型效果開(kāi)始變差，但最優(yōu)光譜指數(shù)構(gòu)建的模型精度依然最高，模型穩(wěn)定性最強(qiáng)。通過(guò)對(duì)比分析5個(gè)生育期建模集和驗(yàn)證集的結(jié)果，各生育期以同種變量估算地上生物量，塊莖增長(zhǎng)期表現(xiàn)結(jié)果最優(yōu)，其次是塊莖形成期和淀粉積累期，最后是現(xiàn)蕾期和成熟期。

表4 株高和最優(yōu)光譜指數(shù)估測(cè)馬鈴薯地上生物量的回歸分析Tab.4 Regression analysis of plant height and optimal spectral parameters estimated potato AGB

2.3.2多變量模型

通過(guò)單變量模型分析可知，每個(gè)生育期的Hdsm預(yù)測(cè)地上生物量的精度高于H，因此將Hdsm與表3選取的前10個(gè)光譜指數(shù)一起作為模型輸入變量，利用MLR、PLSR、RF模型分別構(gòu)建馬鈴薯5個(gè)生育期的地上生物量估算模型，并驗(yàn)證各模型精度，從而選出最優(yōu)估算模型，各模型的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表5、6。由表5、6可知，每個(gè)生育期通過(guò)3種方法以VIs+Hdsm為模型因子估算地上生物量時(shí)，建模集和驗(yàn)證集的R2比僅以VIs為模型因子高，而RMSE和NRMSE較低，地上生物量預(yù)測(cè)效果更好。

表5 各生育期以不同模型變量估測(cè)馬鈴薯地上生物量的建模分析Tab.5 Modeling analysis of estimation potato AGB based on different model variables at different growth stages

表6 各生育期以不同模型變量估測(cè)馬鈴薯地上生物量的驗(yàn)證分析Tab.6 Verification analysis of estimation potato AGB based on different model variables at different growth stages

不同生育期通過(guò)3種方法得到的模型效果差異明顯，現(xiàn)蕾期和成熟期建模集和驗(yàn)證集R2相較于其他生育期較低，RMSE和NRMSE較高，預(yù)測(cè)地上生物量效果較差，而加入Hdsm時(shí)，建模集和驗(yàn)證集R2提高，RMSE和NRMSE降低，模型精度得到改善。塊莖形成期，以3種方法構(gòu)建各模型的建模集和驗(yàn)證集R2高于現(xiàn)蕾期和成熟期，RMSE和NRMSE卻低于這2生育期，預(yù)測(cè)地上生物量的效果變好，同樣加入Hdsm為因子的模型精度較高，穩(wěn)定性較強(qiáng)。塊莖增長(zhǎng)期，相比其他生育期，建模和驗(yàn)證R2最高，RMSE和NRMSE最低，構(gòu)建的模型效果最好，預(yù)測(cè)AGB精度最高，同樣加入Hdsm的模型效果優(yōu)于單一VIs模型。淀粉積累期，各模型建模集和驗(yàn)證集R2較上一期變低，RMSE和NRMSE變高，預(yù)測(cè)地上生物量效果開(kāi)始變差，仍然是加入Hdsm的模型效果較優(yōu)。綜合分析5個(gè)生育期通過(guò)3種方法以2種變量構(gòu)建的各模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)可知，每個(gè)生育期以同種方法同種變量構(gòu)建的模型效果在塊莖增長(zhǎng)期最優(yōu)，其次為塊莖形成期和淀粉積累期，而現(xiàn)蕾期和成熟期表現(xiàn)結(jié)果最差。對(duì)比分析3種方法構(gòu)建的模型可知，各生育期基于MLR以Hdsm+VIs構(gòu)建的模型效果最優(yōu)(R2為0.64、0.70、0.79、0.68、0.63)，基于PLSR構(gòu)建的模型次之(R2為0.62、0.68、0.75、0.67、0.60)，基于RF構(gòu)建的模型最差(R2為0.56、0.61、0.67、0.63、0.53)，其中在塊莖增長(zhǎng)期，以Hdsm+VIs為變量構(gòu)建的模型效果達(dá)到最佳，基于MLR、PLSR和RF的地上生物量模型建模集R2分別為0.79、0.75和0.67；RMSE分別為161.54、206.22、212.89 kg/hm2；NRMSE分別為11.43%、13.78%和15.35%，驗(yàn)證集R2分別為0.85、0.83和0.70；RMSE分別為132.23、144.87、189.73 kg/hm2；NRMSE分別為9.39%、10.35%和13.15%。

2.3.3基于MLR模型的地上生物量空間分布

對(duì)比各生育期馬鈴薯地上生物量估算模型，最后采用MLR模型以VIs+Hdsm為變量的模型估算馬鈴薯5個(gè)生育期的地上生物量，制作出地上生物量的空間分布圖，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，馬鈴薯生長(zhǎng)過(guò)程中，地上生物量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這與馬鈴薯的生長(zhǎng)特性一致?，F(xiàn)蕾期，馬鈴薯莖葉開(kāi)始生長(zhǎng)，總體上地上生物量值偏低，而此時(shí)研究區(qū)域中部地上生物量要比邊緣部分高，這與對(duì)小區(qū)澆水施肥管理和馬鈴薯自身生長(zhǎng)有關(guān)；塊莖形成期，馬鈴薯地上莖葉和地下塊莖增長(zhǎng)并進(jìn)，每個(gè)小區(qū)地上生物量較上一生育期變大且地上生物量高值分布區(qū)域開(kāi)始向邊緣擴(kuò)散；塊莖增長(zhǎng)期，是馬鈴薯生長(zhǎng)最快的時(shí)期，此時(shí)莖葉生長(zhǎng)基本完成，光合作用變強(qiáng)，有機(jī)物不斷積累，同比其他4個(gè)生育期而言，地上生物量達(dá)到最大，每個(gè)小區(qū)地上生物量空間分布最為均勻；淀粉積累期，馬鈴薯地上莖葉停止生長(zhǎng)，但其同化有機(jī)物不斷向地下塊莖輸送，造成地上莖葉開(kāi)始枯萎，因此每個(gè)小區(qū)地上生物量同比低于前一期，而研究區(qū)域東半部較西半部枯萎嚴(yán)重，主要與馬鈴薯的品種對(duì)氮肥和鉀肥的需求有關(guān)；成熟期，試驗(yàn)區(qū)域的馬鈴薯地上莖葉基本枯黃，此時(shí)每個(gè)小區(qū)的地上生物量最低，而且N區(qū)氮素正交試驗(yàn)在此時(shí)期表現(xiàn)更為明顯。通過(guò)對(duì)馬鈴薯地上生物量進(jìn)行填圖顯示，可以更直觀地掌握馬鈴薯生長(zhǎng)周期狀況以及對(duì)每個(gè)生育期的施肥追肥和水分供給實(shí)施有效管理。

3 討論

本文進(jìn)行株高提取時(shí)，并沒(méi)有通過(guò)采用作物表面模型(Crop surface model，CSM)進(jìn)行克里金插值法提取株高，主要是因?yàn)轳R鈴薯以壟的形式進(jìn)行種植，壟也存在一定的高度，進(jìn)行基準(zhǔn)面插值運(yùn)算時(shí)忽略了其高度?；诖?，文中利用高光譜灰度影像結(jié)合GCP，通過(guò)Photoscan軟件生成試驗(yàn)區(qū)的DSM，提取了每個(gè)生育期的Hdsm，并將其與5個(gè)生育期的240個(gè)實(shí)測(cè)株高進(jìn)行了對(duì)比，其R2達(dá)到0.84，表明利用GCP進(jìn)行株高提取具有較高的精度。本文提取的株高與實(shí)測(cè)值整體偏低，主要因?yàn)轳R鈴薯實(shí)測(cè)株高的冠層空間結(jié)構(gòu)小，在進(jìn)行三維重建時(shí)可能被當(dāng)作噪聲去除，從而導(dǎo)致馬鈴薯冠層空間信息丟失，基于GCP提取的株高較低。因此，確保馬鈴薯冠層空間信息的重建精度，對(duì)提高基于DSM提取的Hdsm精度尤為關(guān)鍵。

本文首先將每個(gè)生育期的光譜特征參數(shù)與地上生物量進(jìn)行相關(guān)性分析，并挑選出前10個(gè)參數(shù)和最優(yōu)參數(shù)作為模型變量，經(jīng)對(duì)比可知，成熟期的光譜特征參數(shù)與地上生物量的相關(guān)性絕對(duì)值普遍低于前4期，主要原因?yàn)樯L(zhǎng)后期，地上部有機(jī)物不斷向地下輸送，外加連續(xù)多天大雨，造成地上部葉片迅速枯黃脫落，植被覆蓋度明顯低于前4期，冠層光譜信息的提取更多受到地面土壤的影響，造成冠層光譜信息不能夠充分表達(dá)和地上生物量之間的聯(lián)系，進(jìn)而使光譜特征參數(shù)與地上生物量的相關(guān)性普遍偏低。單變量模型中，通過(guò)ER以株高數(shù)據(jù)和最優(yōu)光譜指數(shù)來(lái)估算5個(gè)生育期的地上生物量，經(jīng)分析可知，每個(gè)生育期以ER進(jìn)行建模的精度要低于相應(yīng)的驗(yàn)證精度，建模和驗(yàn)證效果依次為最優(yōu)光譜指數(shù)、Hdsm、H，且3種不同變量都在塊莖增長(zhǎng)期表現(xiàn)效果最好，塊莖形成期和淀粉積累期次之，現(xiàn)蕾期和成熟期較差，主要因?yàn)轳R鈴薯現(xiàn)蕾期，莖葉剛開(kāi)始生長(zhǎng)，此時(shí)主要以自身營(yíng)養(yǎng)狀況為主，體現(xiàn)在莖葉伸長(zhǎng)，葉片擴(kuò)大，塊莖形成期開(kāi)始，莖葉生殖器官不斷變大，植被覆蓋度逐漸變大，到了塊莖增長(zhǎng)期，植被覆蓋度最大，隨后由于地上有機(jī)物需要向地下輸送，另外受天氣影響，地上部莖葉開(kāi)始枯萎，到了成熟期，地上莖葉基本枯黃，使得光層信息的提取容易受到土壤背景的干擾，進(jìn)而構(gòu)建的模型效果由優(yōu)變差。多變量模型中，每個(gè)生育期利用3種方法以同種變量構(gòu)建模型效果同樣在塊莖增長(zhǎng)期最優(yōu)，塊莖形成期和淀粉積累期次之，現(xiàn)蕾期和成熟期最差。每個(gè)生育期利用MLR、PLSR方法分別以VIs和VIs+Hdsm估算地上生物量的建模集和驗(yàn)證集的R2相較于RF較高，而RMSE和NRMSE較低，且通過(guò)這2種方法得到的NRMSE大都在20%以?xún)?nèi)，表明模型擬合效果較好，穩(wěn)定性較強(qiáng)。利用RF估算地上生物量精度較低，主要因?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)適用于較大數(shù)據(jù)集，而本研究用于建模數(shù)據(jù)集32個(gè)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)集16個(gè)，都屬于較小數(shù)據(jù)集。另外，本文所選的10個(gè)指數(shù)存在一定的多重共線(xiàn)性，而RF對(duì)多重共線(xiàn)性不敏感。本文得出各個(gè)生育期融入Hdsm能夠提高模型精度，這與牛慶林等[25]將提取的株高和影像指數(shù)融合后估算玉米的LAI，精度明顯提高的結(jié)論一致。本文每個(gè)生育期通過(guò)MLR模型進(jìn)行估算馬鈴薯地上生物量精度最高，模型最為穩(wěn)定，這與YUE等[26]和陶惠林等[27]關(guān)于估測(cè)冬小麥地上生物量和LAI的精度結(jié)果一致，他們的研究也表明MLR模型精度高于RF。從地上生物量空間分布填圖中可以看出，整個(gè)生育期馬鈴薯地上生物量先上升后下降，塊莖增長(zhǎng)期為趨勢(shì)節(jié)點(diǎn)期，此時(shí)莖葉生長(zhǎng)最為迅速，有機(jī)物較快積累，此時(shí)地上生物量主要以莖葉為主，此生育期過(guò)后葉片開(kāi)始枯黃，地上有機(jī)物向地下塊莖轉(zhuǎn)移，地上生物量開(kāi)始下降。同生育期不同小區(qū)地上生物量差異明顯，這與每個(gè)小區(qū)進(jìn)行的氮素梯度試驗(yàn)和密度梯度試驗(yàn)密切相關(guān)。

4 結(jié)論

(1)基于DSM提取的Hdsm與實(shí)測(cè)株高具有高度的擬合性(R2=0.84)，得到的Hdsm精度較高。

(2)最優(yōu)光譜指數(shù)在不同生育期與地上生物量相關(guān)性不同，現(xiàn)蕾期相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最高的光譜參數(shù)為R674(r=0.679)，塊莖形成期相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最高的參數(shù)為PSRI(r=0.727)，塊莖增長(zhǎng)期相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最高的為CIrededge和NDVIcanste(r=0.747)，淀粉積累期相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大的為R746和SPVI(r=0.756)，成熟期最優(yōu)光譜指數(shù)為R950(r=0.405)。

(3)以株高、最優(yōu)光譜指數(shù)為變量，運(yùn)用ER估測(cè)馬鈴薯地上生物量，綜合5個(gè)生育期可知，每個(gè)生育期得到的模型效果優(yōu)劣次序依次為最優(yōu)光譜參數(shù)、Hdsm、H，塊莖增長(zhǎng)期以CIrededge參數(shù)估測(cè)的地上生物量精度最高，ER建模集和驗(yàn)證集R2分別為0.45和0.48、RMSE分別為229.01 kg/hm2和218.76 kg/hm2、NRMSE分別為19.19%和17.89%。

(4)每個(gè)生育期利用MLR、PLSR、RF 3種建模方法分別基于VIs和VIs+Hdsm估算馬鈴薯地上生物量，以后者為輸入變量構(gòu)建的估算模型效果最好。每種方法以同種變量在塊莖增長(zhǎng)期表現(xiàn)效果最好，塊莖形成期和淀粉積累期次之，現(xiàn)蕾期和成熟期表現(xiàn)最差。