基于多源遥感的育种小区玉米表型信息定量反演

发布时间：2020-07-17 16:58

【摘要】：遥感技术具有快速、客观、无损和高通量地获取地物信息的能力,在农作物长势监测、产量预测中具有重要应用价值。目前,表型信息获取技术的滞后严重阻碍基因学分析的发展,成为作物育种研究中的瓶颈之一。由于育种材料小区较多,利用人工方法,获取小区的田间表型信息时,不仅费时耗力、效率低,而且因测量者的主观因素不同,存在标准不统一的现象,存在测量误差。因此,利用遥感技术对育种材料表型信息进行定量反演,已成为目前表型信息客观、快速、无损和准确获取研究的焦点。国内利用遥感技术对育种材料田间表型信息定量获取的研究较少,论文研究了基于多源遥感的育种小区玉米表型信息定量反演。论文以北京市昌平区小汤山镇国家精准农业研究示范基地玉米育种材料为研究对象,在研究基地内,于2017年5月至9月获取无人机高清数码影像、多光谱影像和冠层高光谱数据以及株高、叶面积指数(leaf area index,LAI)和干生物量表型数据。论文的主要研究内容和结论如下:(1)将苗期、拔节期、喇叭口期和抽雄吐丝期的高清数码影像结合地面控制点(ground control point,GCP)进行拼接处理,得到试验田的数字表面模型(digital surface model,DSM)和数字正射影像(digital orthophoto map,DOM);基于不同生育期的DSM提取了育种材料小区的株高,和实测株高进行拟合,结果显示R~2、RMSE和nRMSE分别为0.93,28.69cm和17.90%;基于玉米育种材料冠层高光谱数据进行株高估测,分别利用偏最小二乘回归分析、支持向量机回归分析和随机森林回归分析,结果显示随机森林模型具有最优的估测精度,其模型建立和模型验证的R~2、RMSE、nRMSE分别为0.95、15.55cm、10.37%和0.73、30.35cm、21.01%。通过对株高增长率变化分析,显示在播种后的45至57天之间,株高每天的平均增长率为5.37cm,达到最大。(2)基于无人机高清数码影像和多光谱影像进行玉米育种材料LAI估测。通过提取高清数码影像信息,利用逐步回归分析进行LAI估测,结果显示仅用数码影像变量时,最优估测模型建立和模型验证的R~2、RMSE和nRMSE分别为0.63、0.40、26.47%和0.68、0.38、25.51%;将株高和数码影像变量进行融合后,最优估测模型建立和模型验证的R~2、RMSE和nRMSE分别为0.69、0.37、24.34%和0.73、0.35、23.49%,表明融合株高信息,可以在一定程度上克服冠层光谱饱和现象。通过提取多光谱影像的不同波段信息,计算多光谱植被指数,分别利用偏最小二乘回归分析、支持向量机回归分析和随机森林回归分析,结果显示随机森林模型具有最优的估测精度,其模型建立和模型验证的R~2、RMSE、nRMSE分别为0.92、0.18、10.75%和0.76、0.37、21.11%。(3)基于冠层高光谱数据估测玉米育种材料地上部干生物量。通过筛选敏感的单波段光谱反射率数据,结合高光谱植被指数,分别利用偏最小二乘回归分析、支持向量机回归分析和随机森林回归分析方法,同时,对冠层光谱信息与株高信息是否融合进行对比分析。结果显示仅用冠层光谱信息时,支持向量机回归模型具有最优的估测精度,其模型建立和模型验证的R~2、RMSE、nRMSE分别为0.83、1590.41kg/ha、32.70%和0.80、1613.87kg/ha、33.97%;光谱信息融合株高信息时,偏最小二乘回归模型具有最优的估测精度,其模型建立和模型验证的R~2、RMSE、nRMSE分别为0.92、1055.76kg/ha、21.71%和0.92、1062.91kg/ha、22.37%。表明,将株高信息与冠层光谱信息进行融合估测玉米育种材料地上部干生物量能明显提高模型的预测精度。综上所述,论文利用无人机高清数码和多光谱影像以及冠层高光谱数据,分析了玉米育种材料田间株高、叶面积指数、干生物量表型参数的冠层光谱特征,构建了遥感定量反演模型,实现了株高、叶面积指数和干生物量表型参数的客观、快速、无损和准确获取,进一步完善了玉米表型信息获取技术手段,为遥感技术进行田间作物表型信息获取进行了有益的探索,有利于促进遥感技术在作物田间表型信息获取技术中的应用。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S513;S127
【图文】：

玉米育种,材料研究,试验设计,区位

图 2 玉米育种材料研究区位置及试验设计Fig.2 Position of maize breeding material research area and experimental design2.2 数据获取2.2.1 株高、叶面积指数和干生物量数据获取选取可以伸缩的 5m 塔尺测量玉米育种材料的株高。塔尺采用铝合金等轻质高强材料制成，采用塔式收缩形式，在使用时方便抽出，长度为 5m，其长度可按使用需求进行收缩，在测量玉米育种材料的株高时，非常方便，如图 3 所示。玉米育种材料株高的地面测量方法为：在每个小区的每一行的中间位置处选取 1 株玉米，使用塔尺测量其株高，每个小区有 3 行，得到 3 个株高观测值，取其平均值作为小区的平均株高。拔节期和喇叭口期的株高是以第一片完全展开叶的自然高度，作为植株的高度，抽雄吐丝期，以雄穗顶端的高度作为植株的高度。分别于拔节期（2017 年 6 月 29 日）、喇叭口期（2017 年 7 月 11 日）和抽雄吐丝期（2017

拔节期,小区,材料

图 3 塔尺Fig.3 Sopwith staff种材料小区的 LAI 使用的是 LAI-2200C.cn），如图 4 所示。LAI-2200C 具有无损、快气状况的影响。分别于拔节期（2017 年 6 月日）和抽雄吐丝期（2017 年 7 月 28 日）3 个AI 数据的采集。

植物冠层,分析仪,拔节期,小区

图 3 塔尺Fig.3 Sopwith staff料小区的 LAI 使用的是 LAI-2200C，如图 4 所示。LAI-2200C 具有无损、快况的影响。分别于拔节期（2017 年 6 月和抽雄吐丝期（2017 年 7 月 28 日）3 个据的采集。

【参考文献】