太赫兹技术及其在农业领域的应用研究进展 被引量：17

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作者 李斌 龙园 +1 位作者 刘欢 赵春江 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第2期1-9,共9页

太赫兹波在电磁波谱中位于中红外波与微波之间,具有探测分子间或分子内部弱相互作用的独特性质,是当前研究的热点之一。近年来,随着太赫兹波产生和探测技术的快速发展,太赫兹光谱及成像技术在多个领域正逐步从实验室研究转向实际应用,... 太赫兹波在电磁波谱中位于中红外波与微波之间,具有探测分子间或分子内部弱相互作用的独特性质,是当前研究的热点之一。近年来,随着太赫兹波产生和探测技术的快速发展,太赫兹光谱及成像技术在多个领域正逐步从实验室研究转向实际应用,包括安全成像检测、航空航天、爆炸物分子检测等,同时农业领域专家学者也积极开展了太赫兹技术的农业应用研究,取得了较好的研究进展。该文从太赫兹光谱简介、产生探测原理、样品制备及数据处理出发,系统地介绍了待测样品理化信息的太赫兹数据获取方法,然后结合太赫兹技术特性,聚焦农业领域,探讨了太赫兹光谱和成像技术在该领域中的应用研究进展及有待解决的问题,具体包括农业生物大分子检测、农产品质量安全检测、植物生理检测和环境监测等多个方面,进而揭示太赫兹技术这一新兴科技在农业领域的研究潜力和应用前景。 展开更多

关键词 农业 光谱分析 监测 太赫兹技术 研究进展

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基于无人机遥感影像的玉米苗期株数信息提取 被引量：39

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作者 刘帅兵 杨贵军 +4 位作者 周成全 景海涛 冯海宽 徐波 杨浩 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第22期69-77,共9页

准确、快速地获取玉米苗期株数对于育种早期决策起着至关重要的作用。该文利用2017年6月于北京市小汤山镇采集的无人机影像,首先对比分析RGB、HSV、YCbCr及L*A*B 4种色彩空间,变换优选HSV颜色模型对无人机影像前景(作物)与后景(土壤背景... 准确、快速地获取玉米苗期株数对于育种早期决策起着至关重要的作用。该文利用2017年6月于北京市小汤山镇采集的无人机影像,首先对比分析RGB、HSV、YCbCr及L*A*B 4种色彩空间,变换优选HSV颜色模型对无人机影像前景(作物)与后景(土壤背景)进行分割,得到分类二值图。然后利用骨架提取算法及多次去毛刺处理等数学形态学流程提取玉米苗形态,得到高精度作物形态骨架,结合影像尺度变换剔除噪声影像,将影像分为多叶、少叶2类,经Harris、Moravec和Fast角点检测识别结果对比,Harris角点检测算法可以较好地提取玉米苗期影像的株数信息。结果表明,少叶类型识别率达到96.3%,多叶类型识别率达到99%,总体识别率为97.8%,将目前传统影像识别精度提高了约3%。同时在多个植株叶片交叉重叠覆盖的情况下,该文的研究方法有良好的适用性。通过无人机影像提取玉米苗期作物准确数目是可行的。该文采用了数学形态学的原理,通过HSV色彩空间变换得到的二值图,从无人机影像中识别提取玉米苗期形态信息,利用影像尺度缩放变换去除噪点,优化骨架识别算法使得识别精度大大提高,最后采用角点检测从无人机影像中直接读取玉米材料小区内的具体数目,该方法节省了人力物力,为田间大面积测定出苗率及最终估产提供了参考。 展开更多

关键词 无人机 作物 遥感 玉米 株数 色彩空间 骨架提取 角点检测

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基于无人机多光谱影像的夏玉米叶片氮含量遥感估测 被引量：56

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作者 魏鹏飞 徐新刚 +7 位作者 李中元 杨贵军 李振海 冯海宽 陈帼 范玲玲 王玉龙 刘帅兵 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第8期126-133,I0001,共9页

利用无人机平台搭载多光谱相机组成的遥感监测系统在农业上已取得了一些成果,但利用无人机多光谱影像开展作物氮素估测研究少有尝试。基于此,该文利用国家精准农业基地2017年夏玉米3个关键生育期无人机多光谱影像和田间实测叶片氮含量数... 利用无人机平台搭载多光谱相机组成的遥感监测系统在农业上已取得了一些成果,但利用无人机多光谱影像开展作物氮素估测研究少有尝试。基于此,该文利用国家精准农业基地2017年夏玉米3个关键生育期无人机多光谱影像和田间实测叶片氮含量数据,开展夏玉米叶片氮素含量的无人机遥感估测研究。对该研究选用的15个光谱变量,通过相关性分析解析光谱变量与LNC的相关关系,筛选出对玉米叶片氮素含量敏感的光谱变量;应用后向逐步回归方法分析不同变量指数下估测精度变化,最终确定不同生育期夏玉米LNC估测的光谱变量,实现对夏玉米叶片氮含量的较高精度监测。研究发现:1)在3个生育时期,GRE和GNDVI与LNC都有很强的相关性,表明绿波段可以很好地进行夏玉米生物理化参数的反演;2)在喇叭口期和灌浆期,OSAVI、SAVI与LNC具有高度相关性,证明在夏玉米生长前期和后期选择控制土壤因素的光谱变量可以提高对氮素估测的能力。在筛选最优光谱变量建模过程中发现,喇叭口期选取5个光谱变量(GNDVI、GRE、OSAVI、REG、SAVI)建模效果最好,估测模型的R^2、RMSE和nRMSE分别为0.63、27.63%、11.62%;抽雄吐丝期选取6个光谱变量(REG、GRE、GNDVI、MNLI、RED、NDVI)建模效果最好,估测模型的R^2、RMSE和n RMSE分别为0.64、20.50%、7.80%;灌浆期选取5个光谱变量(GRE、GNDVI、RED、NDVI、OSAVI)建模效果最好,估测模型的R^2、RMSE和n RMSE分别为0.56、31.12%、12.71%;在不同生育期选取最优光谱变量进行夏玉米LNC估测具有很好的效果。应用无人机多光谱遥感影像数据可以很好地监测田块尺度夏玉米LNC的空间分布,可为玉米田间氮素精准管理提供空间决策服务信息支持。 展开更多

关键词 无人机 遥感 氮 多光谱 叶片氮含量 逐步回归 夏玉米

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基于综合指标的冬小麦长势无人机遥感监测 被引量：59

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作者 裴浩杰 冯海宽 +3 位作者 李长春 金秀良 李振海 杨贵军 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第20期74-82,共9页

作物长势监测可以及时获取作物的长势信息,该文尝试建立新型长势指标,监测小麦总体长势情况。将反映小麦长势的叶面积指数(leaf area index,LAI)、叶片叶绿素含量、植株氮含量、植株水分含量和生物量5个指标按照均等权重综合成一个指标... 作物长势监测可以及时获取作物的长势信息,该文尝试建立新型长势指标,监测小麦总体长势情况。将反映小麦长势的叶面积指数(leaf area index,LAI)、叶片叶绿素含量、植株氮含量、植株水分含量和生物量5个指标按照均等权重综合成一个指标,综合长势指标(comprehensive growth index,CGI)。利用450~882 nm范围内单波段和任意两个波段构建归一化光谱指数(normalized difference spectral index,NDSI),比值光谱指数(ratio spectral index,RSI)和简单光谱指数(simple spectral index,SSI),计算CGI与光谱指数的相关性,筛选出相关性好的光谱指数,结合偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)建立反演模型。以CGI为指标,运用无人机高光谱影像对2015年小麦多生育期的长势监测。结果表明:1)冬小麦各生育期,总体上CGI与光谱指数的决定系数R^2均好于各项单独指标与相应光谱指数的R^2。仅孕穗期CGI和RSI(754,694)的R^2比叶绿素和RSI(486,518)的R^2低,开花期的CGI和R570的R^2比生物量和R834的R^2低以及灌浆期CGI和SSI(582,498)的R^2比植株含水量和SSI(790,862)的R^2低。2)拔节期,孕穗期,开花期,灌浆期和全生育期PLSR模型的建模R^2分别为0.70,0.72,0.78,0.78和0.61。拔节期,孕穗期和开花期的无人机CGI影像验证模型的均方根误差RMSE(root mean square error)分别为0.050,0.032和0.047。CGI与相应光谱指数的R^2高于单独各项指标与相应光谱指数的R^2,光谱指数能够很好反映CGI包含的信息。无人机高光谱影像反演CGI精度较高,能够判断出小麦总体的长势差异,可为监测小麦长势提供参考。 展开更多

关键词 无人机 光谱分析 作物 长势监测 冬小麦 综合长势指标

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综合光谱纹理和时序信息的油茶遥感提取研究 被引量：11

5

作者 孟浩然 李存军 +3 位作者 郑翔宇 宫雨生 刘玉 潘瑜春 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期1589-1597,共9页

具有极高营养价值且被誉为东方“橄榄油”的油茶树是我国南方地区重要经济林,我国是世界上油茶树分布最广的国家。提取油茶种植分布和面积对林业部门开展油茶的宏观管理和生产指导具有重要意义。以地处亚热带地物复杂且多山地丘陵的湖... 具有极高营养价值且被誉为东方“橄榄油”的油茶树是我国南方地区重要经济林,我国是世界上油茶树分布最广的国家。提取油茶种植分布和面积对林业部门开展油茶的宏观管理和生产指导具有重要意义。以地处亚热带地物复杂且多山地丘陵的湖南省常宁市为研究区,该区域分布有大量农田和森林,且部分植被季节变化较大,对油茶的遥感提取带来了很大挑战。提出了基于春夏秋三期的GF-2号高分辨率卫星影像,综合植被指数、纹理特征、 PCA主成分3种特征,以及春夏、春秋、夏秋、春夏秋四种不同时序组合和随机森林(RF)算法共构建了17种分类场景(S1—S17),运用随机森林(RF)、支持向量机(SVM)、最大似然(MLC)三种不同分类算法开展油茶遥感提取实验,筛选出最优特征组合、最佳分类季节与最优时序组合、最优分类方法。结果表明:仅基于光谱信息分类精度低,纹理特征的加入可大幅提升精度,而PCA对于精度的提升效果微弱;通过比较不同季节单时期的分类结果发现油茶提取精度最高的季节为夏季,夏季单时期影像在最优特征组合(S8)中油茶生产者精度(PA)为94.06%,油茶用户精度(UA)为92.57%;在分类场景S10—S17中实验发现,采用时序信息要比单时期影像有明显的精度提升,时序组合分类精度由高到低依次为:春夏秋、春夏、春秋、夏秋;综合光谱、纹理、时序信息通过随机森林(RF)、支持向量机(SVM)、最大似然(MLC)进行油茶提取,随机森林算法分类精度总体表现最好。采用春夏秋多时相遥感植被指数、纹理、 PCA的随机森林方法(S17)是分类精度最高的方案,总体精度(OA)和Kappa系数分别为96.85%和0.961 0,油茶生产者精度(PA)为98.31%,油茶用户精度(UA)为94.33%;采用春夏时相遥感植被指数、纹理的随机森林方法(S10)为兼顾计算效率与精度的最优方案,总体精度(OA)和Kappa系数分别为95.62%和0.9458,油茶生产者精度(PA)为96.93%,油茶用户精度(UA)为95.09%。所提出的最佳油茶遥感提取方案能够为亚热带地区油茶及其他经济林的遥感监测提供参考。 展开更多

关键词 油茶 遥感 时序 植被指数 纹理特征

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基于连续小波变换的冬小麦叶片最大净光合速率遥感估算 被引量：8

6

作者 苗梦珂 王宝山 +6 位作者 李长春 龙慧灵 杨贵军 冯海宽 翟丽婷 刘明星 吴智超 《江苏农业学报》 CSCD 北大核心 2020年第3期544-552,共9页

已有研究发现,植物的最大净光合速率(Amax)决定了其潜在的光合能力。以冬小麦为研究对象,以2017年、2018年4-6月获取的拔节期、挑旗期、开花期和灌浆期4个重要生育期的不同叶位叶片的原始光谱(350~1350 nm)与气体交换数据为基础,旨在建... 已有研究发现,植物的最大净光合速率(Amax)决定了其潜在的光合能力。以冬小麦为研究对象,以2017年、2018年4-6月获取的拔节期、挑旗期、开花期和灌浆期4个重要生育期的不同叶位叶片的原始光谱(350~1350 nm)与气体交换数据为基础,旨在建立基于连续小波变换的冬小麦叶片最大净光合速率估算模型。结果表明,基于连续小波变换方法估算的模型,2017年、2018年的建模决定系数(R2)分别为0.62、0.77,验证R2分别为0.65、0.77,其估算模型的精度远高于基于植被指数建立的模型。通过对比分析几种植被指数与高光谱数据对最大净光合速率的估算结果发现,植被指数对小麦叶片Amax的解释能力较低,无法对光合能力作出正确且精确的估算。基于连续小波变换方法对冬小麦叶片Amax的估算精度较高,可以作为预估冬小麦生长状况、产量的依据。 展开更多

关键词 连续小波变换 最大净光合速率 植被指数 高光谱

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基于时序Sentinel-2的河北地下水漏斗区作物单双季种植遥感监测

7

作者 郑翔宇 李存军 +4 位作者 刘玉 孟浩然 杨铁利 卢闯 张方娟 《江苏农业科学》 北大核心 2023年第7期182-190,共9页

精准获取河北地下水漏斗区作物单双季种植信息,对农业部门科学安排作物耕作制度、合理调整和减少地下水资源消耗具有重要意义。采用10 m空间分辨率的哨兵2号(Sentinel-2)数据作为遥感数据源,分析不同耕作制度农作物周年光谱曲线的差异... 精准获取河北地下水漏斗区作物单双季种植信息,对农业部门科学安排作物耕作制度、合理调整和减少地下水资源消耗具有重要意义。采用10 m空间分辨率的哨兵2号(Sentinel-2)数据作为遥感数据源,分析不同耕作制度农作物周年光谱曲线的差异和关键时间节点,结合实测数据和植被光谱特征,构建时序特征的分类场景,采用随机森林分类方法进行大区域田块尺度作物单双季种植遥感分类,确定区分河北平原地下水漏斗区田块尺度作物种植制度的最佳时序组合,并与传统的最大似然法和HSV-NDVI组合的阈值法比较分类效果。结果表明,区分1年1熟作物和1年2熟作物的最佳时序组合为11—12月以及3—8月的作物关键生长节点的8个关键时相的影像组合,比1—12月的全年12时相以及其他时序组合的分类精度略高,随机森林算法比传统的阈值法和最大似然法分类精度高;利用11—12月和3—8月的时序影像组合的随机森林法提取1年1熟作物F1分数达到95.97%,提取1年2熟作物F1分数达到98.70%;结合10 m分辨率的河北平原地下水漏斗区作物单双季种植遥感监测专题图和河北地下水主要漏斗区分布发现,衡水和沧州部分县市1年2熟作物的种植比例较多,建议减少1年2熟作物的种植面积以降低地下水资源损耗。本研究可为干旱半干旱区田块尺度的作物种植制度遥感监测以及种植结构调整提供参考。 展开更多

关键词 地下水漏斗区 作物单双季种植 时序 遥感监测 随机森林

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基于太赫兹光谱技术的D-无水葡萄糖定性定量分析研究 被引量：11

8

作者 李斌 龙园 +1 位作者 刘海顺 赵春江 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2017年第7期2165-2170,共6页

葡萄糖是生命活动中重要的有机分子,研究葡萄糖在太赫兹波段的吸收特性并开展定性定量分析研究具有重要意义。太赫兹光谱对大分子物质具有特异性,当光谱穿透生物大分子时,由于分子间作用力和分子转动振动等因素影响,会产生太赫兹光谱下... 葡萄糖是生命活动中重要的有机分子,研究葡萄糖在太赫兹波段的吸收特性并开展定性定量分析研究具有重要意义。太赫兹光谱对大分子物质具有特异性,当光谱穿透生物大分子时,由于分子间作用力和分子转动振动等因素影响,会产生太赫兹光谱下的特征指纹峰,不同大分子物质的指纹峰具有特异性,利用这一特征可以对不同大分子物质进行鉴别。本研究选取D-无水葡萄糖为研究对象,首先运用太赫兹时域光谱技术测量得到葡萄糖样品的时域光谱,测得的时域光谱经过傅里叶变换得到频域光谱,再采用Dorney和Duvillaret方法计算得到吸收系数,研究样品的吸收特性,然后开展了数学建模研究并建立了D-无水葡萄糖含量与太赫兹光谱的定量预测数学模型。研究结果表明,D-无水葡萄糖在太赫兹波段呈现明显的吸收特性,比较多元线性回归与偏最小二乘方法建立的回归模型,通过多元线性回归对样品的特征指纹峰建立的回归模型,得到的预测模型精度较高,稳定性较好,模型的校正集相关系数达0.977 2,均方根误差为0.061 6,预测集相关系数为0.992 7,预测均方根误差为0.055 2,从而太赫兹时域光谱技术可用于有效开展D-无水葡萄糖定性定量研究,该研究为运用太赫兹光谱技术手段开展果蔬、食品、药品中葡萄糖含量快速检测提供方法参考。 展开更多

关键词 太赫兹时域光谱 葡萄糖 多元线性回归

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中国近10年SO2时空格局变化遥感监测

9

作者 孙乾 顾晓鹤 +2 位作者 孙林 曾文 杨贵军 《环境科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2019年第7期154-160,共7页

开展近地表大气中的二氧化硫浓度长时序空间格局动态变化监测,对于保护生态环境、评估节能减排成效具有重要意义。该文利用OMI L3 SO2产品数据分析2008-2017年近地表中国区域SO2柱浓度的年际、季相、月际及空间变化特征,并与SO2排放量... 开展近地表大气中的二氧化硫浓度长时序空间格局动态变化监测,对于保护生态环境、评估节能减排成效具有重要意义。该文利用OMI L3 SO2产品数据分析2008-2017年近地表中国区域SO2柱浓度的年际、季相、月际及空间变化特征,并与SO2排放量统计数据进行对比分析,结果表明:(1)从年际变化来说,2008-2017年中国SO2柱浓度总体呈下降趋势,于2016年下降至最低值,2017年SO2柱浓度与2016年持平,2008-2017年OMI SO2柱浓度与国内SO2排放量相关系数可达0.74;(2)在空间分布上,中国中东部地区SO2柱浓度较高,尤其是京津冀及其周边地区,而西部地区SO2柱浓度普遍较低,如西藏、青海、新疆等地区;(3)从各年份SO2柱浓度分布情况可以得出,自2012年起全国SO2柱浓度高值区范围逐年缩小,京津冀及山东地区高值区范围缩小程度最为明显,至2015年全国已不存在SO2柱浓度高值区;(4)从季相变化来看,SO2柱浓度高低排序为:冬季>秋季>春季>夏季;SO2柱浓度月均值呈现以年为周期的波动形式,SO2柱浓度最低值一般出现在每年的5-7月,最高值一般出现在11、12、1、2月,与季度变化趋势相一致。近10年来中国制定了许多环保政策,加大了环保治理力度,如节能减排,淘汰落后产能,优化产业结构,近地表大气SO2柱浓度不断下降的时序遥感监测结果充分证明了中国近年来在环保领域所取得的重大进步。 展开更多

关键词 OMI 中国 SO2柱浓度 PBL 遥感

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基于无人机数码影像的大豆育种材料叶面积指数估测 被引量：41

10

作者 李长春 牛庆林 +3 位作者 杨贵军 冯海宽 刘建刚 王艳杰 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第8期147-158,共12页

利用低成本的无人机(Unmanned aerial vehicle,UAV)高清数码影像获取系统,于2016年7—9月在山东省济宁市嘉祥县圣丰大豆育种基地,获取大豆育种材料试验区的R1-R2、R3、R5-R6共3个关键生育期的高清数码影像,首先利用高清数码影像中的黑... 利用低成本的无人机(Unmanned aerial vehicle,UAV)高清数码影像获取系统,于2016年7—9月在山东省济宁市嘉祥县圣丰大豆育种基地,获取大豆育种材料试验区的R1-R2、R3、R5-R6共3个关键生育期的高清数码影像,首先利用高清数码影像中的黑白定标布,对数码影像的DN(Digital number,DN)值进行归一化标定,并构建标定的18个数码影像变量,然后基于900个育种小区的叶面积指数实测数据构建大豆育种材料叶面积指数的一元线性回归、逐步回归、全子集回归、偏最小二乘回归、支持向量机回归和随机森林回归模型,最后基于模型建立和验证的决定系数(R^2)、均方根误差(RMSE)和归一化的均方根误差(nRMSE)3个指标,筛选估测叶面积指数的最佳模型。研究表明,全子集回归模型中采用4个数码影像变量B、RGBVI、GLA和B/(R+G+B)的多元线性回归模型对大豆育种材料叶面积指数的解析精度最优,模型建立的R^2、RMSE和nRMSE分别为0.69、0.99和17.90%,验证模型的R^2、RMSE和nRMSE分别为0.68、1.00和18.10%。结果表明,以无人机为遥感平台,搭载低成本的高清数码相机,利用高清数码影像进行大豆育种材料LAI估测是可行的,可以快速、有效、无损地获取大豆育种材料的长势信息,为筛选高产大豆品种提供一种低成本的可行方法。 展开更多

关键词 大豆育种材料 叶面积指数 标定 无人机 数码影像 全子集回归

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太赫兹光谱技术用于干旱胁迫下大豆冠层含水量检测研究 被引量：7

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作者 赵旭婷 张淑娟 +1 位作者 李斌 李银坤 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第8期2350-2354,共5页

近年来水资源短缺问题日益严重,部分地区由于农业灌溉用水不足导致庄稼减产农民利益受损。大豆是一种需水量较大的农作物,一旦水分亏缺将直接影响大豆植株的形态和生长发育,从而造成大豆品质降低和产量减少。大豆叶片的水分状况可真实... 近年来水资源短缺问题日益严重,部分地区由于农业灌溉用水不足导致庄稼减产农民利益受损。大豆是一种需水量较大的农作物,一旦水分亏缺将直接影响大豆植株的形态和生长发育,从而造成大豆品质降低和产量减少。大豆叶片的水分状况可真实地反映植株水分受土壤水分亏缺的影响程度,因此,大豆冠层叶片水分含量的快速获取成为一种需要。太赫兹辐射在水中的强烈衰减使其成为一种非常灵敏的非接触式探针,可以快速、无损地检测叶片含水量。因此基于太赫兹光谱这一新技术进行大豆冠层叶片含水量的检测研究,用于实时监测田间大豆的健康状况。实验选用中黄13号大豆进行栽培,为尽可能模拟田间不同程度的干旱胁迫状况,将开花期大豆进行5个不同梯度:正常供水、轻度干旱胁迫、中度干旱胁迫、重度干旱胁迫、严重干旱胁迫(分别占田间最大持水量的80%,65%,50%,35%,20%)的水分灌溉,每个梯度设置3个重复。利用人工称重法与便携式土壤水分速测仪结合将土壤含水量调控到各水分梯度要求。然后,将实验大豆植株运回实验室并利用透射式太赫兹时域光谱仪进行样本扫描,每个梯度采集18片冠层叶片,共90个样本,以2∶1的比例分为校正集和预测集。在获取各样本时域光谱数据后,根据Dorney和Duvillaret提出的模型进行了光学参数的提取,得到各样本的吸收系数谱以及折射率谱。定性分析了太赫兹时域光谱、吸收系数、折射率随水分胁迫程度不同的变化情况。实验发现:随着水分胁迫程度的降低,时域光谱的峰值呈不断衰减趋势,且均低于空白参考峰值,同时有明显的时间延迟。吸收系数值随干旱胁迫程度的加剧逐渐降低;折射率值同样随干旱胁迫程度的加剧逐渐降低。并利用偏最小二乘(PLS)和多元线性回归(MLR)方法定量研究了时域光谱、吸收系数、折射率光谱数据与叶片含水率的相关关系。结果表明,太赫兹波对大豆叶片水分差异十分敏感,基于时域光谱最大值和最小值的MLR预测精度最高,预测集相关性(rp)达-0.939 3,均方根误差(RMSEP)为0.049 5。研究表明太赫兹光谱技术应用于大豆冠层叶片含水量观测具有良好的可行性,为开展大豆冠层含水量信息快速获取,实现科学节水管理与灌溉决策提供了新的检测手段和实验依据。 展开更多

关键词 大豆叶片 含水量 太赫兹时域光谱 吸收系数 折射率 回归模型

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冬小麦光合速率对施氮量与光照强度的响应分析 被引量：5

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作者 张丽妍 顾晓鹤 +5 位作者 裴亮 杨贵军 王立志 王晓宁 李振海 李伟国 《华北农学报》 CSCD 北大核心 2017年第4期122-128,共7页

为了探索施氮量在不同光照强度下对冬小麦光合速率的影响,基于小区施氮控制试验,设置4个施氮量水平和5个光照强度,分析施氮量对冬小麦叶片氮素含量的响应规律,研究光照强度和叶片氮素对冬小麦叶片净光合速率的影响。结果表明,随施氮量... 为了探索施氮量在不同光照强度下对冬小麦光合速率的影响,基于小区施氮控制试验,设置4个施氮量水平和5个光照强度,分析施氮量对冬小麦叶片氮素含量的响应规律,研究光照强度和叶片氮素对冬小麦叶片净光合速率的影响。结果表明,随施氮量的提高,叶片含氮量逐渐上升,过量施氮会抑制灌浆初期和灌浆中期叶片含氮量的增加;从拔节期-灌浆中期,叶片含氮量总体降低,冬小麦净光合速率随光照强度的增大呈增加趋势,光合速率在低施氮量下先上升后下降,而在不施氮和中、高施氮量下随生育时期推进呈下降趋势;在人工控制的固定光照强度下,冬小麦叶片净光合速率与叶片含氮量呈极显著正相关,即随着叶片含氮量的增加光合速率呈上升趋势,故适量增施氮肥有助于冬小麦光合速率的提高。 展开更多

关键词 冬小麦 施氮量 光照强度 叶片含氮量 光合速率

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利用无人机高光谱影像的冬小麦氮含量监测 被引量：6

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作者 冯海宽 樊意广 +3 位作者 陶惠林 杨福芹 杨贵军 赵春江 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期3239-3246,共8页

作物氮含量影响作物的生长状况,合适的施氮量可以促进作物生长和提高作物产量,因此准确、快速地监测作物的氮含量十分必要。旨在探索将无人机成像高光谱获取的植被指数和光谱特征参数相结合以提高冬小麦关键生育期氮含量估算精度的潜力... 作物氮含量影响作物的生长状况,合适的施氮量可以促进作物生长和提高作物产量,因此准确、快速地监测作物的氮含量十分必要。旨在探索将无人机成像高光谱获取的植被指数和光谱特征参数相结合以提高冬小麦关键生育期氮含量估算精度的潜力。首先,以无人机为遥感平台,搭载高光谱传感器获取了冬小麦拔节期、挑旗期、开花期和灌浆期4个主要生育期的高光谱遥感影像,并实测了各生育期的氮含量数据。其次,基于预处理后的高光谱影像,提取冬小麦各生育期的冠层反射率数据,并构造能较好反映作物氮素营养状况的12种植被指数和12种光谱特征参数。然后,计算了各光谱参数与冬小麦氮含量的相关性,并筛选出各生育期与氮含量相关性较强的植被指数和光谱特征参数;最后,利用逐步回归分析(SWR)构建基于植被指数、植被指数结合光谱特征参数的氮含量估算模型。结果显示:(1)选取的大部分植被指数和光谱特征参数与冬小麦氮含量都有较高的相关性。其中,植被指数的相关性高于光谱特征参数;(2)基于单个植被指数或光谱特征参数估算冬小麦虽然可行,但精度还有待进一步提高;(3)与单一植被指数或光谱特征参数相比,植被指数结合光谱特征变量利用SWR方法构建的氮含量估算模型的精度和稳定性更高(拔节期:建模R^(2)=0.64,RMSE=24.68%,NRMSE=7.96%,验证R^(2)=0.77,RMSE=23.13%,NRMSE=7.81%;挑旗期:建模R^(2)=0.81,RMSE=15.79%,NRMSE=7.41%,验证R^(2)=0.84,RMSE=15.10%,NRMSE=7.08%;开花期:建模R^(2)=0.78,RMSE=9.88%,NRMSE=5.66%,验证R^(2)=0.85,RMSE=9.12%,NRMSE=4.76%;灌浆期:建模R^(2)=0.49,RMSE=13.68%,NRMSE=9.85%,验证R^(2)=0.40,RMSE=18.29%,NRMSE=14.73%)。研究结果表明,结合无人机成像高光谱获取的植被指数和光谱特征参数构建的冬小麦氮含量估算模型精度和稳定性较高,研究结果可为冬小麦氮含量的空间分布和精准管理提供参考。 展开更多

关键词 无人机 冬小麦 高光谱 氮含量 逐步回归 光谱特征参数

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基于无人机数码影像的玉米育种材料株高和LAI监测 被引量：69

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作者 牛庆林 冯海宽 +4 位作者 杨贵军 李长春 杨浩 徐波 赵衍鑫 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期73-82,共10页

快速、无损和高通量地获取田间株高(height,H)和叶面积指数(leaf area index,LAI)表型信息,对玉米育种材料的长势监测及产量预测具有重要的意义。基于无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)遥感平台搭载高清数码相机构建低成本的遥感数... 快速、无损和高通量地获取田间株高(height,H)和叶面积指数(leaf area index,LAI)表型信息,对玉米育种材料的长势监测及产量预测具有重要的意义。基于无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)遥感平台搭载高清数码相机构建低成本的遥感数据获取系统,于2017年5—9月在北京市昌平区小汤山镇国家精准农业研究示范基地的玉米育种材料试验田,获取试验田苗期、拔节期、喇叭口期和抽雄吐丝期的高清数码影像和地面实测的H、LAI和地面控制点(ground control point,GCP)的三维空间坐标。首先,基于高清数码影像结合GCP生成试验田的数字表面模型(digital surface model,DSM)和高清数码正射影像(digital orthophoto map,DOM);然后,基于DSM和DOM分别提取玉米育种材料的H和数码影像变量,其中将DOM的红、绿和蓝通道的DN(digital number)值分别定义为R、G和B,进行归一化后得到数码影像变量,分别定义为r、g和b;最后,基于实测H对DSM提取的H进行了精度验证,并用逐步回归分析方法进行了LAI的估测。结果表明,实测H和DSM提取的H高度拟合(R^2、RMSE和n RMSE分别为0.93,28.69 cm和17.90%);仅用数码影像变量估测LAI,得到最优的估测变量为r和r/b,其估算模型和验证模型的R^2、RMSE和n RMSE分别为0.63,0.40,26.47%和0.68,0.38,25.51%;将H与数码影像变量进行融合估测LAI,得到最优的估测变量为H、g和g/b,其估算模型和验证模型的R^2、RMSE和n RMSE分别为0.69,0.37,24.34%和0.73,0.35,23.49%。研究表明,基于无人机高清数码影像结合GCP生成DSM,提取玉米育种材料的H,精度较高;将H与数码影像变量进行融合估测LAI,与仅用数码影像变量相比,估测模型和验证模型的精度明显提高。该研究可为玉米育种材料的田间表型信息监测提供参考。 展开更多

关键词 无人机 农作物 提取 数码影像 玉米育种材料 株高 叶面积指数 逐步回归

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无人机影像光谱和纹理融合信息估算马铃薯叶片叶绿素含量 被引量：64

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作者 陈鹏 冯海宽 +4 位作者 李长春 杨贵军 杨钧森 杨文攀 刘帅兵 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第11期63-74,共12页

利用无人机平台搭载多光谱传感器在农业监测上已经有一些应用,但是利用无人机多光谱影像估算作物叶绿素含量的研究较少,特别是融合无人机多光谱影像光谱信息和纹理信息估算马铃薯叶绿素含量的研究更是罕见。基于此,该文利用2018年北京... 利用无人机平台搭载多光谱传感器在农业监测上已经有一些应用,但是利用无人机多光谱影像估算作物叶绿素含量的研究较少,特别是融合无人机多光谱影像光谱信息和纹理信息估算马铃薯叶绿素含量的研究更是罕见。基于此,该文利用2018年北京小汤山基地马铃薯各个典型生育期的无人机多光谱影像及实测的叶绿素含量数据,首先提取多光谱影像植被指数和纹理特征等变量,然后分析其与叶绿素含量相关性,筛选出较优特征变量,并开展基于调整R^2和K折交叉验证的全子集分析估算马铃薯叶绿素含量。最后将植被指数与纹理特征通过主成分融合构建一种新的综合指标估算叶绿素含量。研究发现:1)多光谱植被指数和纹理特征估算叶绿素含量模型,K折交叉验证均优于调整R^2;2)整个生育期,综合指标模型决定系数比植被指数模型、纹理特征模型均有提升,且标准均方根误差均降低。综合指标估算模型较优,多光谱植被指数模型次之,纹理特征模型较差。该研究可为马铃薯生长营养监测提供一种可行的方法,对马铃薯的栽培种植管理具有指导意义。 展开更多

关键词 无人机 农作物 遥感 马铃薯 叶绿素含量 多光谱 纹理特征 最优子集分析

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基于无人机热红外与数码影像的玉米冠层温度监测 被引量：26

16

作者 杨文攀 李长春 +5 位作者 杨浩 杨贵军 冯海宽 韩亮 牛庆林 韩东 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第17期68-75,共8页

快速、准确、无损地获取田间玉米冠层温度,对实现无人机辅助玉米抗旱性状的监测具有重要的意义。该文以无人机搭载热红外成像仪和RGB高清数码相机构成低空遥感数据获取系统,以不同性状的拔节期玉米为研究对象,采集试验区的无人机影像。... 快速、准确、无损地获取田间玉米冠层温度,对实现无人机辅助玉米抗旱性状的监测具有重要的意义。该文以无人机搭载热红外成像仪和RGB高清数码相机构成低空遥感数据获取系统,以不同性状的拔节期玉米为研究对象,采集试验区的无人机影像。利用含有已知三维坐标的几何控制板,进行数码影像几何校正,并利用校正后的数码影像对热红外影像进行几何配准。利用便携式手持测温仪测量辐射定标板黑白面的温度,对热红外影像进行辐射定标。利用高空间分辨率的数码影像对玉米进行分类并二值化处理,基于二值化结果提取热红外影像的玉米冠层像元,并提取试验区不同性状玉米的冠层温度。同时,利用便携式手持测温仪在地面同步测量玉米冠层温度,并与提取的冠层温度经行一致性分析,以验证评估基于热红外影像提取玉米冠层温度的效果。结果表明:提取的冠层温度值与地面实测值具有高度一致性(R2=0.723 6,RMSE=0.60℃),提取精度较高,表明基于无人机热红外影像获取玉米冠层温度的方法具有高通量的优势且精度较高。最后将试验区的植被覆盖度与提取的冠层温度进行对比分析,结果表明:玉米冠层温度与其覆盖度有显著的相关性(R2=0.534 5,P<0.000 1),覆盖度越高冠层温度越低,反之则越高,说明玉米冠层覆盖度的大小影响玉米冠层温度的高低。该研究可为玉米育种材料的田间冠层温度监测提供参考。 展开更多

关键词 无人机 农作物 温度 玉米 热红外影像 二值化 覆盖度

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基于无人机数码影像的冬小麦氮含量反演 被引量：35

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作者 刘帅兵 杨贵军 +4 位作者 景海涛 冯海宽 李贺丽 陈鹏 杨文攀 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第11期75-85,共11页

准确、快速地获取关键生育期冬小麦氮素含量,对农业管理者进行田间氮素施肥有重要的决策作用。利用无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)搭载数码相机,可以短时间内获取冬小麦长势信息,实现对冬小麦氮素含量动态监测。该研究利用2015年... 准确、快速地获取关键生育期冬小麦氮素含量,对农业管理者进行田间氮素施肥有重要的决策作用。利用无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)搭载数码相机,可以短时间内获取冬小麦长势信息,实现对冬小麦氮素含量动态监测。该研究利用2015年北京市小汤山冬小麦无人机数码影像,采用3种阈值分割方法,将田间植株作物与土壤背景分离。对比影像分割方法的时效性与准确性,最终确定可见光波段差异植被指数VDVI(visible-band difference vegetation index)提取植被信息。按照试验方案要求,在不同的氮肥与水分胁迫管理下,将冬小麦3次重复试验分成48个试验小区,依据小区边界提取小区的红、绿和蓝通道的平均DN(digital number)值,选取25个植被指数,同时与各个试验小区冬小麦不同器官氮含量进行相关性分析,筛选数码影像变量。由于植被指数之间耦合度较高,因此采用主成分分析对原始数据进行成分提取,提取特征向量参与建模,最后利用多元线性回归分析建立氮素反演模型,通过决定系数(R^2)、均方根误差(RMSE)和归一化的均方根误差(nRMSE)3个指标筛选出最佳模型,探究各器官氮素含量与数码变量的相关性。结果表明,实验室实测氮素含量与UAV数码影像氮素反演结果及基本一致。在反演模型构建精度方面,3种数据处理结果整体>部分>植被指数,反演效果叶氮>植株氮>茎氮。以冬小麦挑旗期为例,叶片氮含量整体信息提取验证模型的R^2、RMSE和nRMSE分别为0.85、0.235和6.10%,比部分信息提取验证模型的R^2高0.14,RMSE和nRMSE分别降低0.068和1.77个百分点;比植被指数信息提取验证模型的R^2高0.43,RMSE和nRMSE分别降低0.141和3.67个百分点。研究表明,基于UAV数码影像利用多元线性回归构建冬小麦氮素含量反演模型,对试验小区整体提取作物信息的方式反演冬小麦叶氮含量效果最好,相比传统反演方法,模型稳定性更高,可为冬小麦田间水肥决策管理提供参考。 展开更多

关键词 无人机 氮素 冬小麦 主成分分析 多元线性回归

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基于高斯回归分析的水稻氮素敏感波段筛选及含量估算 被引量：16

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作者 王娇娇 宋晓宇 +4 位作者 梅新 杨贵军 李振海 李贺丽 孟炀 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第6期1722-1729,共8页

水稻氮素含量的准确监测是稻田精准施肥的重要环节,水稻叶片氮素含量发生变化会引起叶片、冠层的光谱发射率发生变化,高光谱遥感是目前作物氮素无损监测的关键技术之一。以2018年—2019年湖北监利两年水稻氮肥试验为基础,分别获取水稻... 水稻氮素含量的准确监测是稻田精准施肥的重要环节,水稻叶片氮素含量发生变化会引起叶片、冠层的光谱发射率发生变化,高光谱遥感是目前作物氮素无损监测的关键技术之一。以2018年—2019年湖北监利两年水稻氮肥试验为基础,分别获取水稻分蘖期、拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期五个生育期水稻叶片和冠层两个尺度的高光谱反射率数据及对应的叶片氮素含量数据,利用单波段原始光谱和一阶导数光谱的相关性分析、高斯过程回归(GPR)等方法筛选水稻全生育期叶片及冠层尺度氮素敏感波段。针对敏感波段,利用单波段回归分析、随机森林(RF)、支持向量回归(SVR)、高斯过程回归-随机森林(GPR-RF)、高斯过程回归-支持向量回归(GPR-SVR)和GPR构建水稻氮素监测模型,并进行精度对比,以确定水稻叶片在各生育期的氮素估算最佳模型。结果表明:GPR筛选的敏感波段符合水稻氮素含量及光谱变化的规律。相同条件下,叶片模型精度整体高于冠层模型。相关性分析模型中,叶片尺度原始光谱模型更好,冠层尺度刚好相反,冠层一阶导数光谱可以减弱稻田背景噪声的影响。其中,叶片最佳模型建模集R^(2)为0.79,验证集R^(2)为0.84;冠层最佳模型建模集R^(2)为0.80,验证集R^(2)为0.77。与相关性回归分析模型相比,机器学习模型受生育期影响小(R^(2)>0.80,NRMSE<10%)。其中,RF比SVR更适合对GPR敏感波段建模,GPR-RF模型可以用1.5%左右的波段达到RF模型使用全部波段的精度。五种方法中,GPR模型对生育期敏感度最低、叶片及冠层尺度效果都很好(R^(2)>0.94,NRMSE<6%)。且与其他四种机器学习方法相比,GPR模型可有效提高冠层氮素含量估算的精度和稳定性(R^(2)增加0.02,NRMSE降低1.2%)。GPR方法可为筛选作物氮素高光谱敏感波段、反演各生育期叶片及冠层氮素含量提供方法参考。 展开更多

关键词 敏感波段 氮素 高斯过程回归 随机森林 支持向量回归 高光谱

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基于无人机数码影像的冬小麦株高和生物量估算 被引量：51

19

作者 陶惠林 徐良骥 +4 位作者 冯海宽 杨贵军 杨小冬 苗梦珂 代阳 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第19期107-116,共10页

高效、快速地获取作物的株高和生物量信息,对农业生产有重要意义。该文利用2015年4月-6月获得了冬小麦拔节期、挑旗期和开花期的高清数码影像。首先基于无人机高清数码影像生成冬小麦的作物表面模型(crop surface model,CSM),利用CSM提... 高效、快速地获取作物的株高和生物量信息,对农业生产有重要意义。该文利用2015年4月-6月获得了冬小麦拔节期、挑旗期和开花期的高清数码影像。首先基于无人机高清数码影像生成冬小麦的作物表面模型(crop surface model,CSM),利用CSM提取出冬小麦的株高(Hcsm),然后利用提取的21种数码影像图像指数,构建了拔节期、挑旗期和开花期混合的多生育期生物量估算模型,并进行单生育期和多生育期模型对比分析;最后选择逐步回归(stepwise regression,SWR)、偏最小二乘(partial least square,PLSR)、随机森林(random forest,RF)3种建模方法对多生育期估算模型进行对比,挑选出冬小麦生物量估算的最优模型。结果表明,提取的Hcsm和实测株高(H)具有高度拟合性(R^2=0.87,RMSE=6.45 cm,NRMSE=11.48%);与仅用数码影像图像指数构建的生物量估算模型相比(R^2=0.7212,RMSE=0.1372 kg/m^2,NRMSE=26.25%),数码影像图像指数融入H和Hcsm所得模型效果更佳,其中融入Hcsm的模型精度和稳定性(R^2=0.8191,RMSE=0.1106 kg/m^2,NRMSE=21.15%)要优于加入株高H所构建的估算模型(R^2=0.7941,RMSE=0.1179 kg/m^2,NRMSE=22.56%);SWR生物量估算模型(R^2=0.7212)效果优于PLSR(R^2=0.6774)和RF(R^2=0.6571)生物量估算模型。该研究为冬小麦生长状况高效、快速监测提供参考。 展开更多

关键词 无人机 数码影像 作物表面模型 冬小麦 株高 生物量 逐步回归

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基于立体视觉的玉米雄穗三维信息提取 被引量：10

20

作者 韩东 杨贵军 +5 位作者 杨浩 邱春霞 陈明杰 温维亮 牛庆林 杨文攀 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第11期166-173,共8页

玉米雄穗的表型信息对玉米育种研究具有重要的参考意义。该研究以自动获取玉米雄穗三维表型信息为目的。通过对雄穗样本进行多视角摄影处理来重建其三维模型。对重建的三维点云数据运用基于密度聚类的方法统计其分枝数信息,运用Delaunay... 玉米雄穗的表型信息对玉米育种研究具有重要的参考意义。该研究以自动获取玉米雄穗三维表型信息为目的。通过对雄穗样本进行多视角摄影处理来重建其三维模型。对重建的三维点云数据运用基于密度聚类的方法统计其分枝数信息,运用Delaunays三角网方法计算其外包络体积信息,并基于点云信息对雄穗主轴和最大穗冠的结构参数进行计算,同时定义了相关表型参数。用实测结果验证计算结果:分枝数统计结果的最大绝对误差为2,RMSE(root mean square error)为1.03,n RMSE(normalized root mean square error)为0.05;主轴长度,主轴最大/最小直径,最大穗冠高度和最大穗冠直径的R^2分别为0.99,0.82,0.83,0.97和0.93,均达到极显著相关水平。研究提出的相关表型参数和其提取方法在育种研究中具有应用潜力,为田间高通量雄穗信息的快速提取提供了参考。 展开更多

关键词 作物 机器视觉 三维重建 玉米雄穗 数码相机 雄穗表型信息

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