基于無人機多光譜影像特征估算棉花生物量

摘 要：【目的】基于植被指數(shù)（Vegetation Indexes，VIs）與機器學(xué)習(xí)算法估算棉花地上部生物量（Aboveground Biomass，AGB），并評價其適用性和準確性，為豐富棉花生物量的遙感監(jiān)測技術(shù)、提升生產(chǎn)的精準化管理水平提供科學(xué)依據(jù)。

【方法】設(shè)計施氮量與密度互作試驗，同步采集主要生育時期的棉田實測AGB數(shù)據(jù)與無人機多光譜遙感影像數(shù)據(jù)，計算得到8種VIs，并引入其中與AGB相關(guān)系數(shù)最高的3種VIs，構(gòu)建基于機器學(xué)習(xí)算法的支持向量回歸（Support Vactor Regression， SVR）、偏最小二乘回歸（Partial Least Squares Regression， PLSR）和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Network，DNN）等AGB估算模型，評估不同VIs和模型的適用性和估算精度。

【結(jié)果】8種VIs與AGB均呈顯著相關(guān)，其中NGBDI、NDREI和EXG的相關(guān)系數(shù)絕對值|r|達到0.659～0.788，且與棉花生物量之間顯著相關(guān)。三種回歸模型中，SVR模型的估算效果最好，模型驗證精度為R2=0.89，RMSE=2.30，rRMSE=0.20。

【結(jié)論】相較于PLSR和DNN估算模型，SVR模型更適合估算棉花生物量。

關(guān)鍵詞：棉花；無人機；多光譜影像；生物量；估算

中圖分類號：S562"" 文獻標志碼：A"" 文章編號：1001-4330（2024）06-1328-08

0 引 言

【研究意義】地上部生物量（Aboveground Biomass，AGB）是指作物組織在地面上部分累積物質(zhì)的質(zhì)量［1-2］，是反映植株生長發(fā)育動態(tài)的重要指標，對作物長勢監(jiān)測、產(chǎn)量評估、管理措施優(yōu)化等有重要意義。低空無人機遙感監(jiān)測技術(shù)具有機動性強、靈敏性高、覆蓋性廣、準確性高等諸多優(yōu)勢，可及時準確地估測作物生物量及預(yù)測作物長勢信息和產(chǎn)量品質(zhì)。生物量測定的方法主要有經(jīng)驗法和遙感反演法等［3］。經(jīng)驗法是在樣本區(qū)選擇植株個體，稱重和記錄作物各個器官的重量，將所得單株結(jié)果與研究區(qū)總株數(shù)相乘，計算標準作物樣本的平均生物量，估算出整個研究區(qū)的群體生物量。該方法相對精確但存在主觀因素影響且費時費力。遙感反演方法是利用植被冠層光譜反射率來估測作物生理生化信息，精確快速的獲取作物生長參數(shù)［4-5］，滿足植被定量觀測和研究的需求。選擇不同的算法對于估算作物AGB的影響較大，因此評價選擇不同算法建立的估算模型具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】前人利用無人機搭載可見光相機［6-7］、高光譜［8］、多光譜［9］、激光雷達［10］等傳感器對不同作物的生物量進行了估算，且均取得了較好的結(jié)果。盡管無人機遙感技術(shù)在監(jiān)測作物生物量方面表現(xiàn)出較高的估算精度，但目前由于不同傳感器、作物種類和所選植被指數(shù)（Vegetation Indexes， VIs）的差異，均對評估結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。在基于多光譜影像構(gòu)建的植被指數(shù)建立生物量估算模型是常用的研究方法，然而受植被指數(shù)對生物量的敏感性和環(huán)境因素的制約，通常估算模型的精度較低［11］。近年來，機器學(xué)習(xí)算法以其高效性和精確性已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，機器學(xué)習(xí)算法相較于傳統(tǒng)的線性回歸分析具有更高的精度［12］。已有研究使用支持向量機和偏最小二乘等機器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建生物量估算模型且取得了較好效果［13-14］。面對傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)存在的過擬合和局部最優(yōu)等情況，深度學(xué)習(xí)算法則是在機器學(xué)習(xí)算法的基礎(chǔ)上設(shè)定了深層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對高維數(shù)據(jù)的模擬估算，比機器學(xué)習(xí)具有更高精度和穩(wěn)健性。棉花生物量積累是產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)，當生物量處于適宜范圍內(nèi)有利于建立棉花高產(chǎn)群體［15-16］。合理的種植密度可以調(diào)節(jié)群體和個體的矛盾，提供適宜的群體生物量。適宜的施氮量可以充分保障棉花群體的養(yǎng)分需求，協(xié)調(diào)棉花營養(yǎng)生長和生殖生長之間的關(guān)系，為棉花高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)［17］?！颈狙芯壳腥朦c】比較不同機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，篩選敏感參數(shù)建立的估算模型，并不斷提升和優(yōu)化模型精度和性能等對棉花生物量的遙感反演應(yīng)用極為重要。需利用無人機獲取遙感影像及敏感性較高的參數(shù)，結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法建立估算模型快速準確的估算棉花生物量?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用多時期無人機多光譜影像為數(shù)據(jù)源，利用不同的機器學(xué)習(xí)算法，使用相關(guān)性較高的植被指數(shù)作為模型的輸入?yún)?shù)構(gòu)建估算模型，評價模型的估算精度，驗證模型的準確性和穩(wěn)定性，分析棉花AGB的最優(yōu)估算模型。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗點位于新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院阿瓦提棉花科研示范基地（40°27′N，80°21′E），為暖溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫10.40℃，年均降水量46.70 mm，年均蒸發(fā)量1 890.70 mm，無霜期211.00 d，年均日照2 679.00 h。土壤質(zhì)地為砂壤土，田間持水率質(zhì)量分數(shù)為28.92%，土壤肥力屬于中等，土壤pH值7.33。供試棉花品種為新陸中88號。采用1膜3管3行（76 cm）等行距機采棉種植模式，株距11 cm，磷肥（P2O5 150 kg/hm2）和鉀肥（K2O 150 kg/hm2）全部作為基肥，整地前1次性施入，氮肥（N 300 kg/hm2）30%作為基肥，70%作為追肥（等量分10次隨水滴入）。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

采用雙因素裂區(qū)試驗設(shè)計，以密度為主區(qū)，設(shè)置M1（13.5 ×104 株/hm2）、M2（18.0 ×104 株/hm2）和M3（22.5 ×104 株/hm2）3個水平；施氮量（純氮）為副區(qū)，設(shè)置N1（0 kg/hm2）、N2（300 kg/hm2）和N3（600 kg/hm2）3個水平，即共有9個處理，每個處理重復(fù)3次。每3幅膜劃定1個小區(qū)，長6.8 m，寬7 m。

1.2.2 測定指標

估算棉花AGB包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型構(gòu)建、精度評價3個部分。使用大疆無人機平臺獲取棉花多時相無人機多光譜影像數(shù)據(jù)并同步進行地面實測AGB；使用Pix4d Mapper軟件對影像進行圖像拼接、輻射校正等處理；使用ArcGIS map 對影像進行裁剪和放射率提??；使用Python對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析和構(gòu)建估算模型。

1.2.3 地面數(shù)據(jù)獲取

每個小區(qū)樣點范圍內(nèi)隨機選擇長勢均勻的3株棉花，取其地上部分，用紙袋裝好，采用烘箱設(shè)置105℃，殺青30 min，再將溫度下調(diào)至75℃烘干至恒重，稱量烘干后的樣品質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)。用樣品質(zhì)量均值計算單位面積AGB值（t/hm2）。

1.2.4 無人機影像的獲取

獲取田間AGB的同時，利用Matrice M210 RTK V2（Da Jiang Innovations， China）無人機搭載多光譜相機（MicaSence RedEdge，USA）提取棉田冠層圖像。拍攝于13：00～15：00，太陽高度角與地面近乎垂直時進行，航線設(shè)計任務(wù)高度30 m，航向重疊率75%，旁向重疊率75%，航速2 m/s，采用等間隔拍照，拍照間隔為2 m。飛行前使用多光譜傳感器拍攝輻射定標版，后期標定影像輻射。

多光譜相機共有5個通道，分別為藍、綠、紅、近紅外、紅邊波段，對應(yīng)波長分別為475、560、668、840和717 nm，半高寬（FWHM）分別為20、20、10、40和10 nm。

1.2.5 植被指數(shù)的選取

選取8種在AGB監(jiān)測效果較好的VIs。表1

1.3 數(shù)據(jù)處理

選取相關(guān)性高于0.6的VIs，用于棉花AGB的估算模型構(gòu)建。全生育時期共獲得108個AGB數(shù)據(jù)樣本，其中70%用作建模集，30%作為訓(xùn)練集構(gòu)建回歸估算模型。

1.3.1 偏最小二乘回歸

PLSR（Partial Least Squares Regression）［25］通過依次選擇正交因子增大因變量與自變量之間的協(xié)方差，并以交叉檢驗的方式確定模型中因子數(shù)等。設(shè)置主成分個數(shù)為5，其余參數(shù)按照默認使用。

1.3.2 支持向量機回歸

SVR（Support Vactor Regression），是支持向量機的一個重要分支，是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的機器學(xué)習(xí)方法［26］。SVR通過核函數(shù)將數(shù)據(jù)映射入高維空間提高樣本數(shù)據(jù)的分離能力，依靠降低數(shù)據(jù)與超平面之間的殘差提高模型的精度，預(yù)測分類數(shù)據(jù)。研究設(shè)置poly為內(nèi)核函數(shù)、核系數(shù)為auto，其余參數(shù)按照默認使用。

1.3.3 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

DNN（Deep Neural Network），神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于感知機的擴展，而DNN可以理解為有很多個隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。DNN內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層可以分為3類：輸入層、隱藏層和輸出層，通過堆疊多個隱藏層來達到提取更高階的特征信息。DNN模型現(xiàn)已成為解決各種分類和回歸問題的方法［27］。設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含輸入層、隱藏層和輸出層，結(jié)構(gòu)中層與層直接全連接，同層之間的神經(jīng)元不連接。DNN共分為4層：1個輸入層、2個隱藏層和1個輸出層。將圖像中提取的植被指數(shù)、紋理特征轉(zhuǎn)化為與每個測量點實測值相對應(yīng)的一維向量，以此作為輸入層，輸入層設(shè)置為3個神經(jīng)元，隱藏層的每層神經(jīng)元個數(shù)依次是6、4，輸出層設(shè)置為1個神經(jīng)元，并以最終輸出結(jié)果來估算長勢參數(shù)。在DNN模型中選取relu作為激活函數(shù)，使用均方根誤差作為優(yōu)化函數(shù)，選擇均方誤差作物損失函數(shù)，迭代100次。采用Python（3.7）基于keras（2.3.0）框架搭建此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.3.4 模型驗證

選取決定系數(shù)（Coefficient of Determination， R2）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）等作為評價估算模型預(yù)驗證模型的指標公式［28-30］。估算模型的R2越大，RMSE越小，模型的估算能力越好，驗證模型的R2越大，RMSE越小，估算模型穩(wěn)定性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量與密度對棉花生物量的影響

研究表明，棉花AGB隨著生育期的推進呈遞增的趨勢。在蕾期，棉花AGB表現(xiàn)為在N1和N3處理下，AGB隨著密度的降低而增加，在N處理下M3較M1、M2分別高出141.10%、70.64%，且差異顯著（Plt;0.05）。在花期，N1和N3處理均表現(xiàn)為AGB隨著密度的增加為增加，且M1和M3處理間差異極顯著（Plt;0.01）。在N2處理下，AGB最高（9.55 t/hm2），N2M2比N2M1高出33.40%差異顯著（Plt;0.05）。在鈴期，相同施氮量條件下，AGB隨著密度的增加而增加，且處理間均差異極顯著（Plt;0.01）。相同密度條件下，AGB隨著施氮量的增加而增加，其中N2M2和N2M3之間差異不顯著，其余處理均差異顯著（Plt;0.05）。在吐絮期，相同施氮量下，AGB變化趨勢與花期相同，且N3和N1之間差異極顯著（Plt;0.01）；相同密度條件下處理差異不顯著。圖1

2.2 植被指數(shù)和與棉花生物量的相關(guān)性

研究表明，全生育期VIs與AGB均呈現(xiàn)顯著相關(guān)性（Plt;0.05），其中NGBDI、NDREI和EXG的相關(guān)系數(shù)絕對值|r|達到0.659～0.788。不同生育時期VIs與AGB的相關(guān)性中，蕾期相關(guān)性最高，NGBDI、EXGR、NDREI、EXG的相關(guān)系數(shù)絕對值|r|為0.32～0.34，EXG最高為0.34；花期、鈴期和吐絮期時VIs與AGB的相關(guān)性較低，NDREI在3個時期中|r|均為最高，分別為0.20、0.41和0.24。圖2

2.3 棉花生物量估算模型的構(gòu)建

研究表明，PLSR模型具有較低的估算精度（驗證集R2=0.81，RMSE=3.01，rRMSE=0.27），SVR模型具有較高的估算精度（驗證集R2=0.89，RMSE=2.30，rRMSE=0.20），同時SVR模型建模集和驗證集的R2、rRMSE均為0.89、0.20，SVR模型的穩(wěn)定性最好。因此，SVR模型在棉花AGB預(yù)測方面表現(xiàn)最佳，其次是DNN模型。表2

3 討 論

3.1

氮素在植物的生長發(fā)育中起著重要的作用［31］。隨施氮水平的提高，棉花的AGB也有一定的提高。但過量施用的氮肥又會造成棉花植株過旺，造成養(yǎng)分平衡失調(diào)，制約了棉花的產(chǎn)量形成［32］。密度對棉株AGB產(chǎn)生不同程度的影響［33］。密度較小時，由于株距較大，光能利用率降低，棉花葉片光合速率下降［34］。但是密度過高時，植株間的競爭壓力太大，造成植株生長緩慢，進而也會使棉花產(chǎn)量下降［35］。棉花種植密度和氮肥優(yōu)化可調(diào)控AGB保持在適宜的范圍內(nèi)，有利于建立高產(chǎn)群體［36］。隨著種植密度的增加棉花AGB呈先升高后降低的趨勢；隨著施氮量的增加，氮肥和密度聯(lián)合調(diào)控下，隨著施氮量越大，M1和M2密度下AGB呈不斷增大的趨勢；而在M3密度下AGB呈先增加后減小的趨勢。

3.2

利用多光譜圖像進行處理得到的VIs，可以評價植被的生長狀況等［3］。在進行VIs與AGB的相關(guān)性分析時，選擇相關(guān)性較高的波段反射率及植被指數(shù)可以有效提高反演模型精度。Sankaran［37］使用 GNDVI對大豆開花期及補莢期的AGB進行了估算，其相關(guān)性最大值可達0.73。Hunt等［38］使用NDVI和 GNDVI監(jiān)測小麥的生長情況。研究采用多時期多光譜影像數(shù)據(jù)融合構(gòu)建棉花AGB估算模型，結(jié)果表明NGBDI、NDRI1和EXG與AGB的相關(guān)性較高，同時相較于僅用單一生育時期進行AGB估算，使用全時期數(shù)據(jù)融合構(gòu)建估算模型的更加科學(xué)合理。岳繼博等［39］研究發(fā)現(xiàn)，使用隨機森林算法構(gòu)建的冬小麥AGB估算模型精度最高，R2=0.70；肖武等［40］對玉米AGB的反演研究中，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的估算精度最高，R2=0.83。選擇2種機器學(xué)習(xí)算法和1種深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建棉花AGB的估算模型，研究結(jié)果表明3種模型的估算精度差異較小，其中SVR模型的估算精度最高，原因在于SVR使用核函數(shù)來將訓(xùn)練數(shù)據(jù)映射到高維特征空間，更好地捕捉數(shù)據(jù)之間的非線性關(guān)系，體現(xiàn)出較強的估算能力。

4 結(jié) 論

施氮量和密度均對棉花生物量AGB產(chǎn)生顯著影響，增加施氮量或提高種植密度均能提高棉花AGB；VIs與AGB均呈現(xiàn)顯著相關(guān)，其中NGBDI、NDREI和EXG的相關(guān)系數(shù)絕對值|r|達到0.659～0.788；3種回歸模型中，SVR模型的估算效果最好，模型驗證精度為R2=0.89，RMSE=2.30，rRMSE=0.20。

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Study on cotton biomass estimation based on multi-spectral imaging features of unmanned aerial vehicle

Abstract：【Objective】 To explore the applicability and accuracy of cotton biomass estimation model based on Vegetation Indexes （VIs） and machine learning algorithm.

【Methods】 On the interaction between nitrogen application and density at the experimental and collected AGB data and UAV multispectral remote sensing images of cotton fields at the main fertility periods simultaneously to calculate eight VIs and introduce three VIs with the highest AGB correlation coefficients.Vactor Regression （SVR）， Partial Least Squares Regression （PLSR）， and Deep Neural Network （DNN）， and evaluated the applicability and estimation accuracy of different VIs and models.

【Results】 "All eight VIs showed significant correlations with AGB， among which the absolute values of the correlation coefficients |r| of NGBDI， NDREI and EXG reached 0.659-0.788， and there was a significant correlation between them and cotton biomass.（3） Among the three regression models， the SVR model had the best estimation effect， with the model validation accuracy of R2=0.89， RMSE=2.30， and rRMSE=0.20.

【Conclusion】 "Compared with the PLSR and DNN estimation models， the SVR model is more suitable for estimating cotton biomass， and the study is important for enriching the remote sensing monitoring technology of cotton biomass and improving the accurate management of production.The study is important to enrich the remote sensing monitoring technology of cotton biomass and improve the accurate management of production.

Key words：cotton; unmanned aerial vehicle（UAV）;multispectral image;biomass;estimate