本文關(guān)鍵詞： 植被指數(shù) 紋理特征 隨機森林 水稻估產(chǎn)　出處：《武漢大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：水稻是中國最主要的糧食作物,及時了解、準確掌握水稻種植面積、產(chǎn)量等對各級政府制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村政策、確保我國乃至世界糧食安全具有重要的意義。隨著高光譜遙感技術(shù)和無人機遙感的發(fā)展與應用,對水稻估產(chǎn)的速度與精度都提出了更高的要求。本文利用水稻冠層尺度上的高光譜數(shù)據(jù)和低空無人機平臺上獲取的影像數(shù)據(jù),對水稻產(chǎn)量反演的方法展開了相應的研究。本文通過觀測武穴梅川鎮(zhèn)實驗區(qū)內(nèi)的水稻,利用地面高光譜數(shù)據(jù)和無人機平臺多光譜數(shù)據(jù),提取植被指數(shù)、端元豐度和紋理特征等信息,使用逐步線性回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡和隨機森林算法進行水稻估產(chǎn)研究,并對不同方法得到的不同模型精度進行了分析。主要研究內(nèi)容如下:(1)針對高光譜數(shù)據(jù)和無人機多光譜影像各自的特點,利用敏感性分析和相關(guān)性分析,分別提取了2種地面高光譜植被指數(shù)、4種無人機多光譜植被指數(shù)、5種端元豐度和4種紋理特征等因子。結(jié)果表明:地面高光譜植被指數(shù)中與水稻產(chǎn)量相關(guān)性最高的指數(shù)為孕穗期DVI(431,665)和乳熟期DVI(892,1087)相關(guān)系數(shù)值分別為0.77和0.76;從不同生育期無人機多光譜影像獲取的植被指數(shù)、端元豐度和紋理特征3類參數(shù)中與水稻產(chǎn)量相關(guān)性最高的是抽穗期NDVI指數(shù)和孕穗期CIrededge指數(shù),相關(guān)系數(shù)分別為0.795和0.781;端元豐度中與水稻產(chǎn)量相關(guān)性最高的是抽穗期葉片豐度和稻穗豐度,分別為0.695和-0.696;紋理特征與水稻產(chǎn)量相關(guān)性最低。(2)利用篩選出的特征因子,采用"留一法"交叉驗證的方式分別使用逐步線性回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡和隨機森林算法進行建模。結(jié)果表明:當利用地面高光譜孕穗期DVI和乳熟期DVI作為自變量時,得到的水稻估產(chǎn)模型R2依次為0.633、0.575 和 0.440,對應的 RMSE 分別為 24.546 kg/畝、27.710 kg/畝和 29.704 kg/畝;當輸入變量為無人機植被指數(shù)、端元豐度和紋理特征時,不論是用逐步線性回歸、還是BP神經(jīng)網(wǎng)絡或者隨機森林算法,植被指數(shù)的表現(xiàn)都比端元豐度和紋理特征要好,再次表現(xiàn)出了植被指數(shù)的強大,3種研究方法中建模效果最好的均為以植被指數(shù)作為自變量的模型,R2分別是0.615、0.599和0.405,RMSE分別為 25.131 kg/畝、26.377 kg/畝和 30.628 kg/畝。(3)綜合地面和低空無人機數(shù)據(jù)中獲取的多種特征,利用主成分分析法進行主成分提取,通過逐步線性回歸得到的多平臺綜合估產(chǎn)模型相對于地面或無人機平臺的最優(yōu)模型來說,效果有一定提高,利用交叉驗證的方法進行建模時,平均R2達到 0.661,平均 RMSE 為 23.568 kg/畝。
[Abstract]:Rice is the most important food crop in China. Timely understanding and accurate understanding of rice planting area, yield and other government at all levels to formulate agricultural production and rural policies. With the development and application of hyperspectral remote sensing technology and UAV remote sensing technology, it is of great significance to ensure food security in China and the world. Higher requirements for the speed and accuracy of rice yield estimation are put forward. In this paper, the hyperspectral data on the rice canopy scale and the image data obtained on the low altitude UAV platform are used. Based on the observation of rice in the experimental area of Meichuan Town in Wuxuan, the vegetation index is extracted by using the ground hyperspectral data and the multi-spectral data of UAV platform. The yield estimation of rice was studied by stepwise linear regression BP neural network and stochastic forest algorithm. The main research contents are as follows: (1) according to the characteristics of hyperspectral data and UAV multi-spectral images, sensitivity analysis and correlation analysis are used. Two kinds of ground hyperspectral vegetation index and four kinds of UAV multi-spectral vegetation index were extracted. The results showed that the highest correlation between surface hyperspectral vegetation index and rice yield was DVI(431 at booting stage. The correlation coefficient of 665) and milk stage DVI892 (1087) were 0.77 and 0.76, respectively. Vegetation index obtained from multi-spectral images of UAV at different growth stages. The NDVI index at heading stage and CIrededge index at booting stage were the highest among the three kinds of parameters, the correlation coefficients were 0.795 and 0.781respectively. Leaf abundance and panicle abundance at heading stage were the highest correlation between end element abundance and rice yield, which were 0.695 and -0.696, respectively. Texture features have the lowest correlation with rice yield. BP neural network and stochastic forest algorithm were used to model the model. The results showed that when the ground hyperspectral booting stage DVI and milk-ripening stage DVI were used as independent variables. The rice yield estimation model R2 was 0.633C 0.575 and 0.440 respectively, and the corresponding RMSE was 24.546 kg / mu. 27.710 kg / mu and 29.704 kg / mu; When the input variables are UAV vegetation index, Duan Yuan Feng degree and texture feature, whether by stepwise linear regression, BP neural network or stochastic forest algorithm. The performance of vegetation index is better than Duanyuanfeng degree and texture feature. Again, the model with vegetation index as independent variable is the best modeling method among the three research methods of vegetation index. The RMSE of RMSE was 25.131 kg / mu, respectively. 26.377 kg / mu and 30.628 kg / mu. Compared with the optimal model of the ground or UAV platform, the multi-platform comprehensive yield estimation model obtained by stepwise linear regression is more effective than the optimal model of the ground or UAV platform, when the cross-validation method is used to model the model. The average R2 was 0.661 and the average RMSE was 23.568 kg / mu.
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S511;TP79

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本文編號：1454281