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水稻农学理化参量无人机遥感反演研究现状与展望 被引量:1
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作者 于丰华 张鸿刚 +3 位作者 金忠煜 白驹驰 郭忠辉 许童羽 《沈阳农业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期248-256,共9页
近几年,无人机遥感技术在水稻理化参量反演上得到了广泛应用,并逐渐发展成为水稻田块尺度遥感信息获取的主要途径之一。深入分析基于无人机遥感的水稻农学理化参量(指在农业领域中可确定某种物理、化学性质的参量)反演研究现状及存在问... 近几年,无人机遥感技术在水稻理化参量反演上得到了广泛应用,并逐渐发展成为水稻田块尺度遥感信息获取的主要途径之一。深入分析基于无人机遥感的水稻农学理化参量(指在农业领域中可确定某种物理、化学性质的参量)反演研究现状及存在问题,有利于更好地把握水稻无人机遥感未来发展趋势。综述无人机遥感技术在反演生化组分含量、结构参量、生产力等方面的研究现状,其中生化组分含量的反演研究主要集中在氮素和叶绿素方向且目前仍然以数据驱动的方法为主,例如用于反演氮素的窄波段植被指数NDRE,通过对极限学习机与偏最小二乘回归耦合对水稻叶绿素含量的反演等,而基于物理模型的反演方法较少;结构参量的反演研究主要包括叶面积指数、生物量等,方法有用于反演叶面积指数的辐射传输机理模型PROSAIL,用于反演生物量的基于冠层光谱特征的优化高斯过程回归方法;生产力的遥感重点在水稻的产量估算、病害和倒伏检测,方法有用于水稻估算的利用RGB影像使用K-Means与核相关滤波算法融合。对无人机遥感平台、设备、方法进行了总结,梳理近10年水稻农学理化参量无人机遥感反演的研究进展和成果。最后综合国内外的研究现状进行水稻无人机定量遥感讨论分析与展望,以期为今后无人机遥感技术在水稻定量遥感研究中提供参考。 展开更多
关键词 水稻 无人机 遥感 反演 光谱
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东北地区稻田土壤氮含量无人机高光谱反演建模研究
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作者 许童羽 方健羽 +3 位作者 郭忠辉 白驹驰 金忠煜 于丰华 《沈阳农业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第6期759-768,共10页
土壤氮元素是土壤肥力的一个重要指标,掌握土壤氮元素含量的变化是观测农作物的发育状况及时空变化规律等的基础。利用高光谱对土壤氮元素进行反演,可为精准农业地表土壤元素快速测定提供参考。为实现对土壤中氮元素含量的快速测定,以... 土壤氮元素是土壤肥力的一个重要指标,掌握土壤氮元素含量的变化是观测农作物的发育状况及时空变化规律等的基础。利用高光谱对土壤氮元素进行反演,可为精准农业地表土壤元素快速测定提供参考。为实现对土壤中氮元素含量的快速测定,以沈阳农业大学海城试验田为例,对土壤原始反射率进行了一阶导数变换,运用等距特征映射算法(isometric feature mapping,lsomap)、竞争性自适应重加权采样法(competitive adapative reweighted sampling, CARS)对一阶导数光谱数据进行降维并提取出相关特征。运用BP神经网络(back propagation neural network,BPNN)、GA优化(GA-BPNN)以及经过NSGA-Ⅲ优化后的BP神经网络(NSGA-Ⅲ-BPNN)3种分析方法建立土壤全氮的高光谱反演模型,并利用决定系数(R^(2))和均方根误差(root mean square error,RMSE)对反演模型进行评价。结果表明:经过ISOMAP进行的降维相对于CARS能有效的对特征进行提取。优化后的神经网络模型建立的土壤养分含量预测模型优于未优化的神经网络,能极好地预测土壤中的氮元素含量。基于Isomap降维后的NSGA-Ⅲ-BPNN的模型的反演模型预测效果最好,最终预测土壤全氮含量训练集为R^(2)=0.842、RMSE=0.077,测试集R^(2)=0.826、RMSE=0.089。反演精度高于GA-BPNN和BPNN的模型反演精度,与其他模型组合相比,该组合可以为土壤氮元素含量的反演研究提出一种新的方法。 展开更多
关键词 无人机高光谱 土壤氮元素反演 NSGA-Ⅲ优化算法 Isomap降维 BP神经网络
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北方寒地水稻叶片磷素含量高光谱反演方法研究
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作者 杨柳 郭忠辉 +3 位作者 金忠煜 白驹驰 于丰华 许童羽 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期1442-1449,共8页
为了快速、准确的检测北方寒地水稻叶片的磷素含量,分析水稻的长势情况,为精准施肥以及稻田的科学管理提供依据,以北方寒地水稻为研究对象,以小区实验为基础,使用海洋光学HR 2000+光谱仪获取水稻叶片高光谱反射率数据,采用钒钼黄比色法... 为了快速、准确的检测北方寒地水稻叶片的磷素含量,分析水稻的长势情况,为精准施肥以及稻田的科学管理提供依据,以北方寒地水稻为研究对象,以小区实验为基础,使用海洋光学HR 2000+光谱仪获取水稻叶片高光谱反射率数据,采用钒钼黄比色法对水稻叶片磷素含量进行测定。采用SG平滑与多元散射校正(MSC)两种方法对水稻叶片高光谱数据进行预处理,并将预处理后的光谱数据使用连续投影法(SPA)与无信息变量消除法(UVE)两种算法进行特征选择。采用SPA算法筛选得到的特征共有11个,其中位于可见光波段处的有6个,分别为411、 420、 428、 442、 467和689 nm;近红外波段处有5个,分别为797、 850、 866、 965和976 nm;UVE算法筛选得到的特征共47个,均位于可见光波段范围内,分布在405~603 nm之间。分别将这两种方法筛选出的特征波段的反射率作为输入,构建极限学习机(ELM), BP神经网络以及狼群算法优化的BP神经网络(WPA-BP)三种水稻叶片磷素含量反演模型并加以分析。结果表明:以UVE算法筛选的特征反射率为输入量构建的三种模型的验证集R^(2)在0.705 2~0.724 5之间,RMSE在0.017 4~0.020 4之间;在相同的反演模型的条件下,使用SPA算法筛选的特征反射率为输入量构建的模型预测效果更好,三种模型的验证集R^(2)在0.726 4~0.829 3之间,RMSE在0.018 0~0.021 1之间;另外,在利用这两种算法筛选到的特征进行建模时,对比三种模型的预测结果发现,经过狼群算法优化后的BP神经网络模型的精度明显高于极限学习机和BP神经网络,其验证集的决定系数R^(2)为0.803 4, RMSE为0.018 0。鉴于此,结合连续投影算法和狼群算法优化后的BP神经网络模型在北方寒地水稻叶片磷素含量高光谱反演中具有一定的优势,可作为水稻叶片磷素含量的检测以及精准定量施肥的参考和借鉴。 展开更多
关键词 水稻 高光谱数据 磷素含量 狼群算法 反演模型
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Combining the critical nitrogen concentration and machine learning algorithms to estimate nitrogen deficiency in rice from UAV hyperspectral data
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作者 YU Feng-hua bai ju-chi +3 位作者 JIN Zhong-yu GUO Zhong-hui YANG Jia-xin CHEN Chun-ling 《Journal of Integrative Agriculture》 SCIE CAS CSCD 2023年第4期1216-1229,共14页
Rapid and large area acquisition of nitrogen(N)deficiency status is important for achieving the optimal fertilization of rice.Most existing studies,however,focus on the use of unmanned aerial vehicle(UAV)remote sensin... Rapid and large area acquisition of nitrogen(N)deficiency status is important for achieving the optimal fertilization of rice.Most existing studies,however,focus on the use of unmanned aerial vehicle(UAV)remote sensing to diagnose N nutrition in rice,while there are fewer studies on the quantitative description of the degree of N deficiency in rice,and the effects of the critical N concentration on the spectral changes in rice have rarely been explored.Therefore,based on the canopy spectral data obtained by remotely-sensed UAV hyperspectral images,the N content in rice was obtained through field sampling.The construction method of the rice curve for the northeastern critical N concentration was studied,and on this basis,N deficiency was determined.Taking the spectrum of the critical N concentration state as the standard spectrum,the spectral reflectivity data were transformed by the ratios and differences,and the feature extraction of the spectral data was carried out by the successive projections algorithm(SPA).Finally,by taking the characteristic band as the input variable and N deficiency as the output variable,a set of multivariate linear regression(MLR),long short-term memory(LSTM)inversion models based on extreme learning machine(ELM),and the nondominated sorting genetic algorithmⅢextreme learning machine(NSGA-Ⅲ-ELM)were constructed.The results showed two key aspects of this system:1)The correlation between the N deficiency data and original spectrum was poor,but the correlation between the N deficiency data and N deficiency could be improved by a difference change and ratio transformation;2)The inversion results based on the ratio spectrum and NSGA-Ⅲ-ELM algorithm were the best,as the R2values of the training set and validation set were 0.852 and 0.810,and the root mean square error(RMSE)values were 0.291 and 0.308,respectively.From the perspective of the spectral data,the inversion accuracy of the ratio spectrum was better than the accuracy of the original spectrum or difference spectrum.At the algorithm level,the model inversion results based on LSTM algorithms showed a serious overfitting phenomenon and poor inversion effect.The inversion accuracy based on the NSGA-Ⅲ-ELM algorithm was better than the accuracy of the MLR algorithm or the ELM algorithm.Therefore,the inversion model based on the ratio spectrum and NSGA-Ⅲ-ELM algorithm could effectively invert the N deficiency in rice and provide critical technical support for accurate topdressing based on the N status in the rice. 展开更多
关键词 UAV hyperspectral nitrogen deficiency critical nitrogen concentration NSGA-Ⅲ
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