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萬亮, 岑海燕, 朱姜蓬, 張佳菲, 杜曉月, 何勇. 基於紋理特徵與植被指數融合的水稻含水量無人機遙感監測[J]. 智慧農業(中英文), 2020, 2(1): 58-67.
Wan Liang, Cen Haiyan, Zhu Jiangpeng, Zhang Jiafei, Du Xiaoyue, He Yong. Using fusion of texture features and vegetation indices from water concentration in rice crop to UAV remote sensing monitor[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(1): 58-67. (in Chinese with English abstract)
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基於紋理特徵與植被指數融合的水稻含水量無人機遙感監測
萬 亮1,2，岑海燕1,2*，朱姜蓬1,2，張佳菲1,2，杜曉月1,2，何 勇1,2
（1. 浙江大學生物系統工程與食品科學學院，浙江杭州310058；2. 農業農村部光譜檢測重點實驗室，浙江杭州310058）
摘 要：含水量是表徵水稻生理和健康狀況的關鍵參數，精確預測水稻含水量對於水稻育種和大田精準管理具有重要意義。目前，利用無人機搭載光譜圖像傳感器監測作物生長的研究主要集中在利用植被指數評估作物在單一或者幾個生育期的生長參數，針對作物含水量監測的研究非常有限。本研究主要利用多旋翼無人機低空遙感平臺獲取不同生育期水稻冠層的RGB圖像和多光譜圖像，通過提取植被指數和紋理特徵，分析水稻的動態生長變化，並構建了基於隨機森林迴歸方法的含水量預測模型。試驗結果表明：（1）從無人機圖像提取的植被指數、紋理特徵以及地面測量的含水量都能用於監測水稻生長，並且這些參數隨水稻生長呈現出了相似的動態變化趨勢；（2）與RGB圖像相比，多光譜圖像評估水稻含水量具有更高的潛力，其中歸一化光譜指數NDSI771，611實現了更好的預測精度（R2=0.68，RMSEP=0.039，rRMSE=5.24%）；（3）融合植被指數和紋理特徵能夠進一步改善含水量的預測結果（R2=0.86， RMSEP=0.026，rRMSE=3.51%），預測誤差RMSEP分別減小了16.13%和18.75%。上述結果表明，基於無人機遙感技術監測水稻含水量是可行的，可為農田精準灌溉和田間管理決策提供新思路。
關鍵詞：無人機低空遙感；水稻含水量；RGB圖像；多光譜圖像；植被指數；紋理特徵；特徵融合
文章圖片
圖1 試驗田的位置和佈局
Fig. 1 Location and layout of experimental field
圖2 圖像特徵和含水量隨水稻生長的變化
Fig.2 Image features and water concentration response to rice growth
圖3 基於任意兩波段組合的NDSI的含水量預測結果
Fig.3 Water concentration prediction result based on NDSI with random two bands
圖4 基於多植被指數融合的含水量預測結果
Fig.4 Water concentration prediction results based on fusion of multiple vegetation indices
圖5 基於多紋理特徵融合的含水量預測結果
Fig.5 Water concentration prediction results based on fusion of multiple texture features
圖6 基於植被指數和紋理特徵融合的含水量預測結果
Fig. 6 Water concentration prediction results based on fusion of vegetation indices and texture features
圖7 基於特徵融合的含水量預測結果
Fig.7 Water concentration prediction results based on feature fusion
圖8 全生長週期的田間水稻含水量分佈圖 Fig.8 Distribution mapping of water concentration in rice at field during the whole growth periods
來源：《智慧農業（中英文）》2020年第1期
轉載請聯繫編輯部授權
通訊作者簡介
岑海燕 研究員
岑海燕，浙江大學生物系統工程與食品科學學院研究員，副系主任，博士生導師，浙江大學百人計劃入選者。主要從事農作物光學成像與智能傳感技術及裝備、高通量植物表型技術、無人機低空遙感、作物及農產品組織光學等方面的研究，形成了“植物組織光學成像機理—光學成像技術與裝備—圖譜解析—植物表型分析應用”的特色研究思路。目前已發表學術論文70餘篇，論文他引1000餘篇次，參編學術著作5部，授權發明專利14項，承擔多項國家級及省部級科研項目。現擔任美國農業生物工程師學會（ASABE）ITSC秘書長，海外華人農業生物與食品工程師協會常務理事（AOCBFE）等。現擔任Transactions of the ASABE、Computer and Electronics in Agriculture、Information Processing in Agriculture副主編。
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京藍雲智物聯網技術有限公司
北京農信通科技有限責任公司
北京中農信達信息技術有限公司
● 徐凌翔、陳佳瑋等：室內植物表型平臺及性狀鑑定研究進展和展望（2020年第1期）
● 楊成海：機載遙感系統在精準農業中的應用（2020年第1期）
● 劉園等：基於遙感數據的大尺度區域水田空間格局及生態服務價值變化分析（2020年第1期）
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