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基于无人机多光谱影像特征融合的小麦倒伏监测

2023-05-01分类号:S512.1;S127

【作者】魏永康  杨天聪  臧少龙  贺利  段剑钊  谢迎新  王晨阳  冯伟  
【部门】河南农业大学农学院  
【摘要】【目的】小麦倒伏严重影响小麦光合及成熟进程,进而造成小麦减产及品质下降。为快速精确获取倒伏信息,评估无人机遥感监测小麦倒伏的能力,构建小麦倒伏监测模式,为灾情评估、保险理赔及灾后补救提供技术支持。【方法】利用近地无人机获取包含红、绿、蓝、红边和近红外5个多光谱波段图像,经过预处理飞行高度50 m的小麦冠层图像,得到分辨率为1.85(cm/像素)的数字正射影像图(DOM)和数字表面模型(DSM),从中提取光谱特征、高度特征和光谱纹理共3类特征信息;采用支持向量机(SVM)和随机森林(RF)2种分类器对6种不同特征集组合进行倒伏分类比较,使用准确率(Acc)、精确率(Pre)、召回率(Re)和调和平均数(F1)以确定较优的特征组合和分类器;同时使用3种不同的特征集筛选方法(套索算法Lasso、随机森林递归算法RF-RFE和Boruta算法)对优化的特征子集进行综合评价,确立适宜的倒伏分类评价方法。【结果】单一特征的光谱和纹理及其组合对小麦倒伏的分类评价结果较差,“椒盐现象”严重,在此基础上融合DSM信息的分类精度显著提高。采用随机森林分类器对光谱特征、纹理特征和高度特征进行特征集组合,小麦倒伏识别的分类准确率最高达91.48%。为减少特征集变量数量,采用3种特征优化方法,与筛选得到的全特征集、Lasso算法、RF-RFE算法相比,基于Boruta算法得到的优化特征子集分类精度更高,整体稳定性更好,从含有DSM的3种特征组合均值来看,总体分类精度和Kappa系数分别提高了0.17%和0.01(全特征集)、2.45%和0.05(Lasso)、2.87%和0.05(RF-RFE)。其中,光谱-纹理-DSM组合效果最好,总体分类精度达92.82%,Kappa系数达0.86。【结论】Boruta算法有效优化光谱-纹理-DSM组合的特征子集数量,让更少的特征参量参与分类,且获得较高的分类精度,确立了精确监测小麦倒伏的多特征组合-Boruta-RFC技术融合模式,为小麦灾情评估及补救措施制定提供参考。
【关键词】冬小麦  无人机  多光谱  特征融合  倒伏
【基金】河南省科技研发计划联合基金(优势学科培育类)(222301420104)
【所属期刊栏目】中国农业科学
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