【JAG好文推荐】通过协同使用无人机图像和气象数据准确估计冬小麦每穗粒数

文摘   2025-01-02 06:59   湖北  
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(一)文章信息
  • 标题:Accurate estimation of grain number per panicle in winter wheat by synergistic use of UAV imagery and meteorological data

  • 期刊:《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》(中科院1区TOP,IF=7.6)

  • 作者:Yapeng Wu, et al.

  • doi:10.1016/j.jag.2024.104320

(二)研究背景
本研究聚焦于冬小麦每穗粒数(GNPP)的快速、准确、非破坏性估测,这对于加速智能育种、提高精准作物管理以及确保粮食安全至关重要。GNPP作为三个常用的产量构成因素之一,与每单位地面面积的穗数和千粒重相比,通过遥感数据量化的程度较低。现有研究要么因为使用地面冠层光谱数据准确性低,要么因为使用近地面穗部成像系统效率低。目前还没有研究报道使用无人机(UAV)影像来估测GNPP,尽管UAV在高分辨率和高效监测方面具有明显优势。为了解决这些问题,本研究提出了一种实用的方法,通过整合UAV影像和气象数据,并结合元学习集成回归,来估测冬小麦的GNPP。研究还检验了不同变量对提高GNPP光谱估测的潜在贡献,包括光谱指数(SIs)、最佳冠层高度(CH)指标和光合有效辐射(APAR)。

(三)研究数据与方法
研究在中国江苏省如皋和宿迁两个具有代表性的小麦生产县进行,涉及四种不同的小麦品种、氮肥施用水平和种植密度。研究收集了包括叶面积指数(LAI)、植物高度(PH)和GNPP在内的农学参数,并通过LI-COR公司的仪器进行测量。UAV影像数据在小麦生殖生长期捕获,包括RGB和多光谱影像。使用Agisoft PhotoScan Pro软件预处理RGB和AIRPHEN多光谱图像,生成正射影像图,并从中提取颜色指数(CIs)和光谱指数(SIs)。同时,通过气象站获取每日日照时数,计算累积日照时数(ASD)和光合有效辐射(APAR)。使用随机森林回归(RFR)和元学习集成回归(MLER)比较多源特征及其组合在估测GNPP中的性能,使用10折交叉验证优化超参数。

(四)研究结果

研究结果表明,从RGB影像中提取的CHP99(在感兴趣区域的99百分位处的CH)与测量的植物高度之间的相关性最强。将遥感APAR和RGB衍生的CHP99纳入模型,比仅使用颜色指数或SIs能更准确地估测GNPP。在所有特征组合中,Comb. #6(SIs + APARMS + CHP99)在估测GNPP时获得了最高的整体准确性。与Combs. #5–7的最佳开花期模型相比,多阶段(抽穗期+开花期)模型在独立验证中的准确性更高。研究表明,使用UAV遥感估测GNPP的新途径已被打开。提出的UAV影像和气象数据的协同使用方法在不同地区预测GNPP和粮食产量方面具有很大的潜力。具体来说,Comb. #6在独立验证中表现最佳,其Rval^2值大于0.61,RMSE小于2.47,RRMSE小于5.21%。此外,多阶段模型在独立验证中的准确性比单一阶段模型更高,表明多阶段模型对输入变量的数量变化不敏感,并且在独立验证中表现出更高的准确性。

(五)研究结论

本研究提出了一种使用元学习集成回归(MLER)结合无人机(UAV)影像和气象数据来估测冬小麦每穗粒数(GNPP)的实用方法,打破了基于UAV的小麦GNPP估测的瓶颈。研究发现,累积变量ASD并不比瞬时变量APAR在GNPP估测中表现更好。通过整合遥感APAR和RGB衍生的CHP99,比单独使用CIs或SIs能更准确地估测GNPP。在所有特征组合中,Comb. #6(SIs + APARMS + CHP99)在单一和多阶段估测GNPP时显示出最强的鲁棒性。开花期是半冬性小麦GNPP估测的最佳时期。与单一阶段的最佳模型相比,多阶段模型在独立验证中的准确性更高,表明多阶段模型对输入变量数量的变化不敏感,并且在独立验证中表现出更高的准确性。综合考虑成本和准确性,建议使用消费级UAV获取RGB图像,并结合Comb. #5和多阶段模型(抽穗期+开花期)来估测小麦GNPP。该方法为使用UAV遥感估测小麦GNPP开辟了新途径,经过适当的特征选择或UAV成像协议的修改,该方法可以扩展到其他谷物作物或农业系统,并为精准农业、智能育种和粮食安全背景下准确估测作物产量提供了有力支持。

文章来源 :Wu, Y., Yu, W., Gu, Y., Zhang, Q., Xiong, Y., Zheng, H., ... & Cheng, T. (2025). Accurate estimation of grain number per panicle in winter wheat by synergistic use of UAV imagery and meteorological data. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 136, 104320.

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