基于数码相机的玉米冠层SPAD遥感估算

摘要：

[目的]叶绿素是植物光合作用中重要的色素.利用作物光谱信息对叶绿素含量进行反演,为作物的实时监测和生长状态诊断提供重要依据.[方法]以大田环境下不同氮肥水平(0,50％和100％)的开花期玉米为研究对象,利用轻小型无人机搭载数码相机,获取试验区RGB影像.使用土壤调整植被指数(soil adjusted vegetation index,SAVIgreen)对图像进行分割,基于分割前后的影像分别提取15种常见的可见光植被指数,综合分析指数与玉米冠层叶绿素相对含量SPAD值的相关关系.采用单变量回归模型、多元逐步回归模型和随机森林(random forest,RF)回归算法构建玉米SPAD值的遥感估算模型,通过模型精度评价指标决定系数(coefficient of determination,R2)、均方根误差(root mean square error,RMSE)、平均相对误差(mean relative error,MRE)和显著性检验水平(P＜0.01),确定最佳指标和最优模型.[结果]基于分割前后的数码影像提取的VIplot和VIplant植被指数与玉米冠层SPAD值之间具有显著的相关关系,其中VIplant中的红光标准化值(NRI)、归一化叶绿素比值植被指数(NPCI)、蓝红比值指数(BRRI)、差值植被指数(DVI)与SPAD值的相关性在0.77以上;以相关性高于0.77的VIplant指数NRI、NPCI、BRRI、DVI构建的线性、指数、对数、二次多项式、幂函数的单变量回归模型中,NRI指数构建的二次多项式模型效果最好,决定系数R2为0.7976,RMSE为4.31,hMRE为5.91％.在VIplant指数NRI、NPCI、BRRI、DVI参与建立的多变量SPAD反演模型中,使用随机森林方法的模型精度最高,决定系数R2为0.8682,RMSE为3.92,MRE为4.98％,而多元逐步回归模型的精度高于任意单变量回归模型,决定系数R2为0.819,RMSE为4,MRE为5.67％;对数码影像结合各模型制作的SPAD分布图进行精度分析,使用随机森林回归模型对SPAD的估测值与实测值最为接近,具有最佳的预测效果,R2为0.8247,RMSE为4.3,MRE为5.36％,可以作为玉米冠层叶绿素信息监测的主要方法.[结论]本研究证明将数码相机影像提取的可见光植被指数应用于玉米叶绿素相对含量的估测是可行的,这也为无人机遥感系统在农业方面的应用增添了新的手段和经验.

关键词：无人机、数码相机、SPAD值、随机森林回归算法

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资助基金：科技创新服务能力建设-基本科研业务费科研类025185305000/163

在线出版日期：2018-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共12页

页码：2886-2897