基于无人机数码和多光谱数据构建的玉米地上部生物量立体估算模型


发布时间:

2022-03-18

来源:

本站

作者:

PhenoTrait

  地上部生物量对光能利用、干物质产量形成具有重要影响,是作物产量形成的重要基础。当前利用遥感技术获取作物地上部生物量主要有2种方法:经验模型法和物理模型法,其中经验模型普适性较差,物理模型较为复杂,需要用到较多参数。因此,构建具有高精度、可解释性和普适性的玉米地上部生物量估算方法具有重要意义,为玉米高通量育种筛选提供必要的决策信息。植物表型资讯介绍如下。

 

  本研究整合了无人机数据估算的株高和叶面积指数,构建具有半经验半机理的玉米地上部生物量立体概念模型,以期提高模型的估算精度和普适性,并实现育种小区的玉米地上部生物量制图。具体研究内容包括:(1)利用无人机数码影像估算玉米株高;(2)基于修正的Beer-Lamber定律和无人机多光谱影像估算玉米叶面积指数;(3)构建基于株高和叶面积指数的玉米地上部生物量立体概念模型,并与基于NDVI构建的地上部生物量回归模型进行对比分析。

 

  基于株高和叶面积指数的玉米地上部生物量概念图

 

  结果表明,与基于NDVI构建的地上部生物量估算模型(R2=0.79,RMSE=41.95 g/m²,rRMSE=31.79%)相比,综合株高和LAI构建的立体概念模型能更准确的预测玉米地上部生物量(R2=0.82,RMSE=38.53 g/m²,rRMSE=29.19%)。采用2019年和2021年实验数据测试本研究构建的立体概念模型,表明地上部生物量立体概念模型估算精度明显高于基于NDVI构建的模型,且优于仅使用株高构建的估算模型。因此,本研究提出的半经验半机理的立体概念模型有效提高了玉米地上部生物量的估算精度,模型具有更高的稳定性和普适性,可为无人机技术在育种小区尺度的作物参数估算研究提供参考。

 

  基于立体概念模型估算的2020年的玉米地上部生物量与实测值的比较

 

  基于NDVI模型估算的2020年的玉米地上部生物量与实测值的比较

 

  基于立体概念模型估算的2020年的玉米地上部生物量热力图

 

  立体概念模型 (a)、NDVI模型 (b)和株高模型 (c)估算的2019年的玉米地上部生物量和实测值的比较

 

  立体概念模型 (a)、NDVI模型 (b)和株高模型 (c)估算的2021年的玉米地上部生物量和实测值的比较

 

  作者介绍:论文第一作者为中国农业大学土地科学与技术学院博士研究生束美艳,论文通讯作者为马韫韬教授,合作者包括李保国教授和杨小红教授。中国农业大学数字农业研究团队主要研究方向为多源尺度的植物功能-结构-环境互作的基因型/表型研究,包括植物功能-结构-环境互作的系统仿真与数字孪生、植物(三维)表型研究与应用研发、多源传感器的融合及数字农业应用、人工智能及其农业算法应用等研究。长期招收多名硕士、博士研究生和合作博士后,有意者请联系:yuntao.ma@cau.edu.cn。

 

  来源:Shu Meiyan, Shen Mengyuan, Dong Qizhou, Yang Xiaohong, Li Baoguo, Ma Yuntao*. Estimating the maize above-ground biomass by constructing the tridimensional concept model based on UAV-based digital and multi-spectral images. Field Crop Research, 2022, https://doi.org/10.1016/j.fcr.2022.108491.

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