基于遥感光谱数据的油菜生育期识别

发布时间：2020-09-12 08:08

　　油菜关键生长发育期的信息对油菜的田间管理,观赏时间预测,产量评估等具有重要的意义。遥感技术可以高效无损的获取大尺度范围的植被信息,被广泛的运用到精细农业中。本研究利用光谱反射率数据进行油菜生育期识别,同时结合油菜的物候信息建立叶面积指数反演模型,主要的研究结果如下:(1)根据油菜光谱信息和地面观测的真实生育期,采用k-近邻(/c-NN)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、梯度提升决策树(GBDT)、人工神经网(ANN)络五种常用的机器学习算法以及Stacking组合分类方法对油菜的关键生育期进行识别。结果表明通过组合不同的机器学习的Stacking组合算法较单一分类器能显著提升分类的精度,比最好的单一分类器(k-NN)提升1%的正确率,所建立的油菜生育期识别模型被应用于地面数据和无人机平台数据进行跨平台交叉验证,地面数据识别的正确率达90.07%,无人机平台数据识别的正确率达81.48%,均优于使用单一分类器的结果。(2)提出一种基于机器学习和植被指数的油菜关键生育期识别方法。通过分析k-近邻算法在油菜叶期和角果期的错分现象和油菜的冠层光谱信息,得出叶期和角果期反射率在绿波段的显著差异,选择使用VARIgreen=0.35为阈值区分在k:-近邻算法中较难以区分的角果期和叶期,能显著提升了油菜生育期的识别精度。在地面平台的ASD数据的识别正确率为92.4%,低空的无人机UAV平台的识别正确率为79.62%,不区分数据的识别正确率为86.92%,结果表明其能够应用到不同地点、不同平台的数据中,具有较好的泛化能力。(3)根据油菜光谱信息反演叶面积指数,将全量的样本进行训练单一的机器学习模型,最优的机器学习方法支持向量机的测试误差为0.401,高于使用增强植被指数(EVI2;)的测试误差(0.379),因此植被指数方法能够以简单、有效的模型很好的进行叶面积指数的反演。(4)通过分析不同物候时期的LAI植被指数反演结果表明油菜的花期数据较为混乱,给LAI反演带来误差,因此使用结合物候信息的LAI植被指数经验模型反演。在油菜叶期EVI2具有最优的结果(RMSE=0.247),在油菜角果期,CIgreen具有最优的结果(RMSE=0.108),然而在油菜的花期,使用单独花期的误差(RMSE=0.792)高于使用全量的数据进行植被指数反演的结果(0.753)。(5)通过对比使用机器学习、全生育时期植被指数和分时期植被指数反演叶面积指数的结果表明,结合物候时期的油菜反演模型在测试集中的均方根误差为0.346,因此结合物候期的油菜叶面积指数反演具有较优的结果。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S565.4;S127
【部分图文】：

位置分布,武汉市,位置分布,图像

本研究选取湖北省武汉市和武穴市的两处典型冬油菜种植区域作为研究区逡逑域，这两个区域位于长江流域，气候温暖，雨量较多，且适宜油菜的生长。如逡逑图２－１所示为两处实验田的分布，２－ｌ（ａ）位于武汉市武汉大学工学部实验田逡逑（１１４．３６°Ｎ，邋３０．５５°Ｅ），实验田被划分为９个区域，每个区域的面积都为９ｍ２（３ｍ逡逑Ｘ３ｍ），图２－ｌ（ｂ）位于武穴市梅川县油菜试验田（１１５．３５ｏＮ，３０．０６ｏＥ），该实验田分逡逑成２４个小区，每块小区的面积为３０ｍ２（１５ｍＸ２ｍ）。两块试验田种植的均为移栽逡逑的甘蓝型油菜，品种为“华油杂９号”，其具有高产、优质、稳定性好、抗倒逡逑伏能力强等优势，被广泛进行推广种植（黄光昱，２００６）。逡逑１１０ＷＥ逦Ｉ１２ＷＥ邋１Ｉ４Ｗ．Ｅ逦１１６ＷＥ逡逑１１逦１１逦１１逦１１邋６°0＇0＂ｅ邋ｉｍｍｍｍ逡逑图２－１研究区位置分布（ａ）２０１６．０３．１８武汉市获取的油菜花期图像；（ｂ）逡逑２０１６．０３．１２武穴市获取的油菜花期图像逡逑２．２数据采集与处理逡逑本文根据油菜的光谱数据进行油菜的关键生育期识别，因此在数据的获取逡逑中，使用四波段辐射计邋ＳＫＹＥ（ＳＫＲ邋Ｉ８６０，邋ＳＫＹＥ邋Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ邋Ｌｔｄ，邋Ｌｌａｎｄｒｉｎｄｏｄ逡逑Ｗｅｌｌｓ

辐射计,四通道,传感器

同时本研宄结合油菜的生育期的信息进行叶面积指数（ＬＡＩ）的ＹＥ四波段的反射率信息作为特征数据，在油菜的生长发育期中，ＬＡＩ２０００Ｃ进行叶面积指数的测量。逡逑通道辐射计逡逑波段辐射计ＳＫＹＥ能够对四个分离波段的光辐射同时监测，如图２－３ＹＥ由上下两个辐射计组成，每个辐射计都有四个镜头，其上下围分别为：绿波段（５３１．２－５７０．８ｎｍ）、红波段（６３５．ｌ－６７０．８ｎｍ）、红７３０．ｌｎｍ）和近红外波段（８３８．４－８７６．４ｎｍ）。上方的辐射计带有余弦矫１８０°的视角，能够采集太阳的下行辐射在四个不同波段的辐照度，情况；下方的辐射计不带有余弦矫正器，具有２５°的视场角，采反射的辐亮度，能够反映植被和太阳光能的相互作用。如图２－３（ｂ）大学油菜实验田的距离地面约４ｍ的金属支架上的ＳＫＹＥ仪器，支阳能电池板和蓄电池组进行供电，因此能够不间断采集其镜头下方的数＾逦逦逡逑

油菜,不同时期,辐射计,角果

以２５％植株开花认为是从叶期进入花期，７５％以上的花调零则进入角果期，逡逑全区７５％以上角果呈枇杷黄色进入成熟期为标准（汤亮等，２００８），实地观察的油逡逑菜的生长状况，目视解译得到油菜真实生育期。图２－２为在武汉大学工学部实验逡逑田采集的油菜在叶期、花期、角果期和成熟期图片，可以看到在油菜的叶期和逡逑角果期表型均为绿色，而花期和成熟期的表型的颜色大体为黄色。逡逑曊搤■■逡逑２０１６．０２．１５（叶夬邋２０１６．０３．１８（花期）逦２０１６．０４．０１（角果期）２０１６．０４．２０（成熟期）逡逑图２－２油菜不同时期的实地观测图逡逑同时本研宄结合油菜的生育期的信息进行叶面积指数（ＬＡＩ）的反演，以逡逑ＳＫＹＥ四波段的反射率信息作为特征数据，在油菜的生长发育期中，同步的使逡逑用ＬＡＩ２０００Ｃ进行叶面积指数的测量。逡逑２．２．１四通道辐射计逡逑四波段辐射计ＳＫＹＥ能够对四个分离波段的光辐射同时监测，如图２－３（ａ）所逡逑示，ＳＫＹＥ由上下两个辐射计组成，每个辐射计都有四个镜头，其上下辐射计逡逑波段范围分别为：绿波段（５３１．２－５７０．８ｎｍ）、红波段（６３５．ｌ－６７０．８ｎｍ）、红边波段逡逑（７０３．９－７３０．ｌｎｍ）和近红外波段（８３８．４－８７６．４ｎｍ）。上方的辐射计带有余弦矫正器，逡逑其具有１８０°的视角

【参考文献】