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《COMPUT ELECTRON AGR》--基于无人机高光谱数据利用多查找表算法估算冬小麦冠层氮密度

来源：北京安洲科技有限公司更新时间：2024-09-27 18:15:11 阅读量：61

导读：基于无人机高光谱数据，采用多查找表方法实现冬小麦冠层氮密度精确估算，助力农业精准管理！

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基于无人机高光谱数据利用多查找表算法估算冬小麦冠层氮密度

英文: Multi-LUTs method for canopy nitrogen density estimation in winter wheat by field and UAV hyperspectral

研究单位

北京市农林科学院信息技术研究中心

纽卡斯尔大学

北京航空航天大学

国家农业信息化工程技术研究中心

摘要

基于无人机（UAV）的高光谱图像与辐射传输模型相结合可为高通量监测植物氮（N）状况提供一种有力的方法。该研究基于辐射传输模型N-PROSAIL构建了多个查找表（Multi-LUTs），每个LUT对应一个生长阶段，并优化了LUT大小以提高计算效率。目的是利用构建的Multi-LUT估算冬小麦冠层氮密度（CND）。结果表明，冬小麦叶面积指数、叶氮密度和两个光谱指数（MSR和MCARI/MTVI2）的Multi-LUTs在CND估算中表现出良好的性能；最佳大小为6000行的LUT可以获得良好的精度。2014-2015年生长季，基于无人机高光谱影像的CND估计值与测量值之间的R²和nRMSE分别为0.69和0.27。由此生成的CND专题图准确地展现了不同空间和时间尺度上的CND变化。该研究结果证实了将基于无人机的高光谱影像与物理光学方法相结合用于估算冬小麦CND的潜力。

研究数据

高光谱数据：高光谱数据由Cubert S185机载高速高光谱成像仪获取。该成像仪采用框幅式高光谱成像技术，能以更快的速度进行所有光谱通道同步成像，在1/1000秒内获得整个高光谱立方体数据，配套功能强大的测量及处理软件，快速获取大面积高光谱图像，影像具有厘米级地理坐标信息。

图1 无人机高光谱成像系统

研究过程

图2 2014-2015生长季研究区域和实验地块位置

图3 基于Multi-LUTs方法反演冬小麦CND的流程图

图4 该研究用于小麦CND估计的Multi-LUTs结构图

图5 CND估算精度和Multi-LUTs大小之间的关系：（a）用LAI/LND/VI设置的多查找表；（b）用8个参数/VI设置的多查找表

图6 基于无人机高光谱数据和Multi-LUTs方法估算的2014-2015年生长季（a）Z.S. 47和（b）Z.S. 65小麦CND图（g m^-2）

图7 基于Multi-LUTs方法利用无人机高光谱数据估算的CND与实测CND的关系（a）；2014-2015年生长季Z.S. 47（b）和Z.S. 65（c）不同水分和氮处理下的统计结果

研究结论

精确评估植物氮素状况对于确定小麦最终产量和品质、提高氮素利用效率和减少环境污染至关重要。该研究基于N-PROSAIL辐射传输模型，构建了冬小麦LAI、LND和两个光谱指数（MSR和MCARI/MTVI2）的多查找表，并利用田间和无人机高光谱数据实现不同生长阶段CND的有效估算。该研究的主要成果总结如下。

（1）仅考虑参数LAI和LND以及相应的光谱指数的Multi-LUTs在CND估计中具有优势，不仅LUT大小更小（Multi-LUT的最小大小为6000）、计算时间更短，而且CND估计的精度也更高。

（2）在2014-2015年生长季的两个生长阶段（Z.S. 47和Z.S. 65），无人机高光谱数据的R²和nRMSE值分别达到0.69和0.27。经验证，生成的具有空间和时间变异性的CND图与测量的CND数据一致。基于无人机的高光谱数据表明，使用Multi-LUT方法估算冬小麦冠层氮状况具有很高的潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compag.2019.04.005

END

X20P-LIR一体式

多源遥感系统

X20P-LIR一体式多源遥感系统是一款多功能无人机遥感设备，集激光雷达、热红外及高光谱成像为一体，实时同步获取激光雷达、红外及高光谱图像数据。主要功能包括：基于光场技术的高光谱成像，光谱范围350~1000nm、5MP高清全色相机、测距达450m（@80%Ref）的固态激光雷达、大面阵高精度热红外成像；主机内置控制系统、高精度惯导及固态存储，整机重量轻、操作简单，适合M300/M350 RTK无人机搭载使用。

是国家高新技术企业，拥有多项发明专利及著作软件，并通过ISO9001质量管理体系认证。我们专注于遥感技术领域高端科研设备及服务十余年，已为国内数百家科研单位及高校提供了各种遥感设备及技术支持，服务范围遍布全国。愿与遥感领域的各科研单位及高校建立长期合作关系，为科研人员提供真正有价值的无人机遥感设备和全面而专业的技术服务！

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