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基于连续小波变换和机器学习的小麦产量预测
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作者 樊杰杰 邱春霞 +6 位作者 樊意广 陈日强 刘杨 边明博 马彦鹏 杨福芹 冯海宽 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第10期2890-2899,共10页
及时、准确的作物估产,对作物管理决策和粮食安全评估具有重要意义。该研究在建立一种耦合连续小波变换(CWT)与机器学习准确预测小麦产量的方法。基于2020年—2021年两年小麦田间试验获取的开花期和灌浆期冠层高光谱数据及产量数据,首... 及时、准确的作物估产,对作物管理决策和粮食安全评估具有重要意义。该研究在建立一种耦合连续小波变换(CWT)与机器学习准确预测小麦产量的方法。基于2020年—2021年两年小麦田间试验获取的开花期和灌浆期冠层高光谱数据及产量数据,首先采用CWT提取三种小波特征(WFs),分别为:基于Bortua方法筛选的特征波段(Bortua-WFs)、提取WFs与小麦产量确定系数的前1%(1%R^(2)-WFs)和单一分解尺度下的所有WFs(SS-WFs)。然后采用随机森林(RF)、 K最邻近(KNN)和极端梯度提升(XGBoost)三种机器学习算法构建产量预测模型。最后选取最优的光谱特征,采用相同的方法进行建模并比较。结果表明:(1)三种WFs结合机器学习方法的模型均表现良好,基于Bortua-WFs构建的模型具有更高的精度和稳定性。(2)相比光谱特征模型,Bortua-WFs模型在各生育期的精度均有所提高,开花期的R^(2)精度分别提高了17.5%、 4%和39.6%,灌浆期分别提高了8.4%、 5.6%和16.9%。(3)灌浆期的产量估算模型优于开花期,结合Bortua-WFs和XGBoost的模型表现最佳,R^(2)为0.83, RMSE为0.78 t·ha^(-1)。该研究比较了不同特征和方法相结合的性能,确定了不同方案下的最佳模型精度,为光谱准确预测小麦产量提供技术参考。 展开更多
关键词 连续小波变换 高光谱 机器学习 小麦 产量预测
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融合无人机多源传感器的马铃薯叶绿素含量估算 被引量:7
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作者 边明博 马彦鹏 +3 位作者 樊意广 陈志超 杨贵军 冯海宽 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期240-248,共9页
叶绿素是衡量作物光合作用的重要指标,监测马铃薯关键生育期叶片叶绿素含量(Leaf chlorophyll content,LCC)至关重要。获取马铃薯块茎形成期、块茎增长期和淀粉积累期的无人机RGB和多光谱影像,提取无人机多光谱影像的光谱反射率构建植... 叶绿素是衡量作物光合作用的重要指标,监测马铃薯关键生育期叶片叶绿素含量(Leaf chlorophyll content,LCC)至关重要。获取马铃薯块茎形成期、块茎增长期和淀粉积累期的无人机RGB和多光谱影像,提取无人机多光谱影像的光谱反射率构建植被指数(Vegetation index,VIs),利用Gabor滤波器提取RGB影像的纹理信息(Texture information,TIs)。然后利用机器学习SVR-REF方法进行数据降维获取植被指数和纹理特征重要性排序,并采用迭代的方法在植被指数最佳模型中加入纹理信息,观察每次加入的纹理信息对模型的动态影响。最后使用支持向量机(Support vector machine,SVR)和K-最近邻算法(K-nearest neighbor,KNN)2种机器学习方法进行建模。结果表明,马铃薯3个关键生育期,加入纹理特征后的2种模型精度和稳定性均有提高,且SVR模型精度优于KNN。块茎形成期,SVR模型建模R~2由0.61提升至0.71,RMSE由0.20 mg/g降为0.17 mg/g,精度提升14.2%,验证R~2由0.58提升至0.66,RMSE由0.19 mg/g降至0.17 mg/g,精度提升10.5%。块茎增长期,SVR建模R~2由0.59提升至0.67,RMSE由0.16 mg/g降至0.14 mg/g,验证R~2由0.71提升至0.79,RMSE由0.15 mg/g降至0.13 mg/g,精度提升13.3%。淀粉积累期,SVR建模R~2由0.62提升为0.69,RMSE由0.17 mg/g降至0.14 mg/g,精度提升17.6%,验证R~2由0.47提升至0.63,RMSE由0.17 mg/g降至0.14 mg/g,精度提升17.6%。另外,3个时期参与SVR建模的植被指数数量分别为19、16、3,纹理数量分别为4、2、9,在植被指数不能充分响应叶绿素含量时,会有更多纹理信息参与建模,并且模型精度提升更高,进一步论证了纹理特征在马铃薯叶绿素含量反演中的重要性。 展开更多
关键词 马铃薯 叶绿素含量 图谱融合 Gabor纹理 机器学习
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基于无人机RGB影像的马铃薯植株钾含量估算 被引量:1
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作者 马彦鹏 边明博 +3 位作者 樊意广 陈志超 杨贵军 冯海宽 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第7期196-203,233,共9页
马铃薯植株钾含量(Plant potassium content,PKC)是监测马铃薯营养状况的重要指标,快速准确地获取马铃薯植株钾含量对田间施肥和生产管理具有指导意义。基于无人机遥感平台搭载RGB传感器分别获取马铃薯块茎形成期、块茎增长期和淀粉积... 马铃薯植株钾含量(Plant potassium content,PKC)是监测马铃薯营养状况的重要指标,快速准确地获取马铃薯植株钾含量对田间施肥和生产管理具有指导意义。基于无人机遥感平台搭载RGB传感器分别获取马铃薯块茎形成期、块茎增长期和淀粉积累期的RGB影像,并实测马铃薯植株钾含量。首先利用各个生育期的RGB影像提取每个小区冠层平均光谱和纹理特征。然后分别基于冠层光谱和纹理特征构建植被指数和纹理指数(NDTI、RTI和DTI),并与实测PKC进行相关性分析。最后利用多元线性回归(Multiple linear regression,MLR)、偏最小二乘(Partial least squares regression,PLSR)和人工神经网络(Artificial neural networks,ANN)构建马铃薯PKC估算模型。结果表明:各生育期NDTI、RTI和DTI与马铃薯PKC相关性均高于单一纹理特征,植被指数结合纹理指数均能提高模型的可靠性和稳定性,MLR和PLSR构建的估算模型精度均优于ANN。本研究可为马铃薯PKC监测提供科学参考。 展开更多
关键词 马铃薯 植株钾含量 纹理指数 RGB影像 冠层光谱特征
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利用光谱空间特征估算马铃薯植株氮含量
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作者 樊意广 冯海宽 +4 位作者 刘杨 边明博 赵钰 杨贵军 钱建国 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期1532-1540,共9页
植株氮含量(PNC)是评价作物长势和营养状况的重要指标,快速准确获取作物的PNC信息可为农田管理策略的制定与实施提供重要依据。已有研究表明,仅采用影像的光谱信息估算作物的PNC存在饱和现象,该研究尝试采用植被指数(VIs)结合二维离散... 植株氮含量(PNC)是评价作物长势和营养状况的重要指标,快速准确获取作物的PNC信息可为农田管理策略的制定与实施提供重要依据。已有研究表明,仅采用影像的光谱信息估算作物的PNC存在饱和现象,该研究尝试采用植被指数(VIs)结合二维离散小波分解技术(DWT)提取的多个尺度的高频信息(HFI)构建一种光谱空间特征(VIs+HFI),探究VIs、 HFI和VIs+HFI估算PNC的能力。首先,以无人机为遥感平台获取马铃薯现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期5个氮营养关键生育期的数码影像并实测各生育期的PNC数据。其次,基于预处理的无人机影像,提取各生育期冠层的光谱信息构建VIs,并采用DWT提取各生育期1~5尺度的HFI。然后,将各生育期提取的VIs和HFI与马铃薯PNC进行相关性分析,分别筛选出相关系数绝对值较大的前7个VIs和前10个HFI。为降低共线性对实验结果的影响,根据KMO检验结果对筛选的HFI进行主成分分析(PCA)降维处理。最后,采用岭回归和极限学习机(ELM) 2种方法分别以VIs、 HFI主成分和VIs+HFI主成分为模型变量构建马铃薯各生育期的PNC估算模型,并进行评估。结果表明:(1)马铃薯各生育期,1~5尺度的HFI对估算PNC均有贡献。(2)以VIs+HFI为模型变量构建的马铃薯PNC估算模型的精度和稳定性高于单一VIs和HFI。(3)马铃薯各生育期,以岭回归方法构建的PNC估算模型优于ELM方法。其中,以VIs+HFI为模型变量构建的PNC估算模型效果最优,5个生育期的建模R^(2)分别为0.833、 0.764、 0.791、 0.664和0.435, RMSE分别为0.332%、 0.297%、 0.275%、 0.286%和0.396%;NRMSE分别为9.113%、 9.425%、 10.336%、 9.547%和15.166%,该研究可为马铃薯氮营养状况的实时高效监测提供一种新的技术支撑。 展开更多
关键词 无人机 马铃薯 植株氮含量 植被指数 高频信息
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基于冠层光谱和覆盖度的马铃薯叶片钾含量估算方法
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作者 马彦鹏 边明博 +3 位作者 樊意广 陈志超 杨贵军 冯海宽 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期226-233,252,共9页
叶片钾含量(Leaf potassium content, LKC)是表征作物钾素营养状况的重要指标,高效准确地获取马铃薯LKC有助于精准农业施肥管理。本研究旨在通过结合马铃薯关键生育期RGB影像提取的植被指数(VIs)和植被覆盖度(FVC),提高马铃薯关键生育期... 叶片钾含量(Leaf potassium content, LKC)是表征作物钾素营养状况的重要指标,高效准确地获取马铃薯LKC有助于精准农业施肥管理。本研究旨在通过结合马铃薯关键生育期RGB影像提取的植被指数(VIs)和植被覆盖度(FVC),提高马铃薯关键生育期LKC估算的准确性。首先从马铃薯块茎形成期(S1)、块茎增长期(S2)和淀粉积累期(S3)的RGB影像中提取VIs和FVC,然后分别分析每个生育期VIs和FVC与马铃薯LKC的相关性,最后利用支持向量机(Support vector machine, SVM)、Lasso回归(Least absolute shrinkage and selection operator, Lasso)和岭回归构建马铃薯LKC的估算模型。结果表明:基于RGB影像提取的马铃薯FVC精度较高,且前两个生育期高于第3个生育期;利用VIs估算马铃薯LKC是可行的,但精度有待进一步提高;VIs结合FVC可以提高马铃薯LKC的估算精度。本研究可为作物生长和钾素营养状况监测提供技术参考。 展开更多
关键词 马铃薯 叶片钾含量 冠层覆盖度 RGB影像 冠层光谱特征
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利用无人机多源传感器估算马铃薯植株氮含量 被引量:5
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作者 樊意广 冯海宽 +4 位作者 刘杨 边明博 赵钰 杨贵军 钱建国 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第10期3217-3225,共9页
快速准确地获取作物的植株氮含量(PNC)信息,是农业精细化管理的关键和数字农业发展的研究热点。近年来,随着无人机和传感器技术的发展,利用多种传感器信息监测作物理化参数逐渐引起国内外学者的关注。以马铃薯为研究对象,首先,基于无人... 快速准确地获取作物的植株氮含量(PNC)信息,是农业精细化管理的关键和数字农业发展的研究热点。近年来,随着无人机和传感器技术的发展,利用多种传感器信息监测作物理化参数逐渐引起国内外学者的关注。以马铃薯为研究对象,首先,基于无人机获取了马铃薯现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期的高光谱影像和数码影像,同时采集各生育期的地面数码影像,并实测了株高(H)、PNC和11个地面控制点(GCPs)的三维空间坐标。其次,利用无人机数码影像结合GCPs生成试验区域的数字表面模型(DSM),分别从无人机数码影像和DSM中提取马铃薯的地面覆盖度(VC)和株高(H),并利用地面数码影像计算的覆盖度(VC)和实测H验证提取的VC和H的精度。然后,根据高光谱反射率数据计算绿边参数(GEPs),构造GEPs×H×VC,GEPs/(1+VC),(GEPs+VC)×H和GEPs/(1+H)4种融合特征参数(FFPs),对高光谱影像信息和数码影像信息进行融合。最后,将各生育期提取的GEPs和构造的FFPs分别与PNC作相关性分析,筛选最优绿边参数(OGEP)和最优融合特征参数(OFFP)构建5个生育期的PNC线性估算模型,并根据相关性较高的GEPs和FFPs利用偏最小二乘(PLSR)和人工神经网络(ANN)2种回归方法构建PNC的多参数估算模型,结果表明:(1)基于无人机数码影像提取的H和VC具有较高的精度,可以代替实测H和VC估算作物理化参数。(2)与GEPs相比,前4个生育期,构造的大部分FFPs与PNC的相关性更高,能更好地反映马铃薯的氮营养状况。(3)马铃薯5个生育期,OFFP估算PNC的效果优于OGEP。(4)与单参数模型相比,基于GEPs和FFPs利用PLSR和ANN 2种方法构建的模型精度和稳定性均明显提高,其中,以FFPs为模型因子利用ANN方法构建的模型效果最好。该研究表明融合高光谱绿边参数和高清数码相机传感器提取的株高和覆盖度信息能显著提升PNC的估算精度,可为马铃薯氮营养状况的动态无损监测和多源传感器信息的应用提供参考。 展开更多
关键词 植株氮含量 无人机 多源传感器 绿边 株高 覆盖度
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基于冠层光谱特征和株高的马铃薯植株氮含量估算 被引量:12
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作者 樊意广 冯海宽 +3 位作者 刘杨 边明博 孟炀 杨贵军 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期202-208,294,共8页
为及时准确地掌握作物的植株氮含量(PNC)信息,监测作物生长状况,实现农田氮素施肥的科学管理,以马铃薯为研究对象,首先获取了现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期的数码影像,并实测了各生育期的PNC、株高(H)和地面控制... 为及时准确地掌握作物的植株氮含量(PNC)信息,监测作物生长状况,实现农田氮素施肥的科学管理,以马铃薯为研究对象,首先获取了现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期的数码影像,并实测了各生育期的PNC、株高(H)和地面控制点(GCP)的三维坐标。其次利用各生育期的无人机数码影像与GCP结合生成试验区域的数字正射影像(DOM)和数字表面模型(DSM),并从中提取冠层光谱特征和株高(H_(dsm))。然后将各生育期提取的H_(dsm)和数码影像变量与地面实测的PNC进行相关性分析,从中筛选出相关性较好的影像变量和H_(dsm)作为马铃薯PNC估算模型的输入参数。最后分别基于影像变量和影像变量结合H_(dsm)利用多元线性回归(MLR)、误差反向传播(BP)神经网络和Lasso回归3种方法构建马铃薯PNC估算模型。结果表明:基于DSM提取的H_(dsm)与实测H具有较高的拟合度(R^(2)为0.860,RMSE为2.663 cm,NRMSE为10.234%);各生育期加入H_(dsm),均能提高马铃薯PNC的估算精度和稳定性;各生育期利用MLR方法构建的PNC估算模型优于BP神经网络和Lasso回归。该研究可为马铃薯PNC状况的高效、无损监测提供技术支撑。 展开更多
关键词 马铃薯 植株氮含量 株高 无人机 数码影像 冠层光谱特征
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基于无人机多光谱和多波段组合纹理的马铃薯LAI估算
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作者 郭立笑 陈志超 +5 位作者 马彦鹏 边明博 樊意广 陈日强 刘杨 冯海宽 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS 2024年第12期3443-3454,共12页
叶面积指数(LAI)是表征作物生长状况的重要指标,因此高效、准确地估算作物LAI可为田间生产管理提供指导。光谱特征能够提供作物反射和吸收波长的信息,而纹理特征则可提供关于作物灰度属性和空间位置关系。以往研究表明仅使用光谱特征估... 叶面积指数(LAI)是表征作物生长状况的重要指标,因此高效、准确地估算作物LAI可为田间生产管理提供指导。光谱特征能够提供作物反射和吸收波长的信息,而纹理特征则可提供关于作物灰度属性和空间位置关系。以往研究表明仅使用光谱特征估算作物LAI存在一定的局限性,在高LAI水平时,会出现“饱和现象”,使得LAI被低估。为充分发掘无人机多光谱影像信息,对多个波段的纹理信息进行组合,得到多波段组合纹理,探究光谱特征融合多波段组合纹理能否提高LAI估算精度。首先获取马铃薯三个关键生育期的多光谱数据和地面实测LAI数据;然后使用灰度共生矩阵(GLCM)提取各生育期的纹理特征,将多个波段的纹理特征组合;然后分析植被指数、纹理特征和多波段组合纹理与LAI的相关性,并综合相关性和方差膨胀因子优选植被指数;最后融合多波段组合纹理,使用带有参数调优的偏最小二乘回归(PLSR)、岭回归(RR)和K近邻回归(KNR)估算各生育期马铃薯LAI,并与仅使用植被指数的模型进行对比,验证利用多波段组合纹理反演LAI的可行性。结果表明:(1)单波段纹理、双波段组合纹理和三波段组合纹理与LAI的相关性依次增大;(2)马铃薯各生育期优选后的多波段组合纹理与LAI呈现极显著相关,相关系数在0.79~0.83之间;(3)与仅使用植被指数的模型相比,加入多波段组合纹理可以显著提高模型的精度和稳定性。块茎形成期KNR模型的马铃薯LAI估算精度最高,建模R^(2)为0.83,RMSE为0.23 m^(2)·m^(-2),验证R^(2)为0.75,RMSE为0.25 m^(2)·m^(-2);块茎增长期PLSR模型的估算精度最高,建模R^(2)为0.73,RMSE为0.26 m^(2)·m^(-2);验证R^(2)为0.87,RMSE为0.20 m^(2)·m^(-2);淀粉积累期PLSR模型估算精度最高,建模R^(2)为0.73,RMSE为0.31 m^(2)·m^(-2),验证R^(2)为0.84,RMSE为0.25 m^(2)·m^(-2)。该方法可为无人机多光谱组合纹理特征估算马铃薯LAI提供参考。 展开更多
关键词 无人机 多光谱遥感 多波段组合纹理 叶面积指数
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