北京理加联合科技有限公司

LICA United Technology Limited

服务热线: 13910499761 010-51292601
企业邮箱
应用支持 Application Support
News 应用支持

通过高光谱成像利用机器学习评估麦草畏对麦草畏不耐受性大豆的农作物损害

日期: 2020-07-09
浏览次数: 143

111 

在大豆的种植中,对杂草的管理有利于作物产量最大化。研究发现麦草畏可有效防除数种一年生和多年生的阔叶杂草。然而,麦草畏喷雾偏离目标漂移或蒸气漂移会严重危害易感作物,包括麦草畏不耐受性作物。因此评估麦草畏漂移对农作物的损害对于有效控制杂草具有重要的意义。目前,作物损害主要是通过评估生理和生化变化(叶面积,叶色,植物高度,产量等)来确定的。但是,这些评估需要耗费大量的劳动力。对于大尺度农田的评估,则需要更快速且经济高效的方法。高光谱成像(HSI)可以快速扫描植物样品且能获得图像中每个像素的完整反射光谱,已用于植物生理和生化特性的鉴定以及有毒金属,盐和病虫害引起的植物胁迫的检测。同时结合许多机器学习(ML)算法,例如贝叶斯决策,最大似然分类,K均值聚类,随机森林,支持向量机和人工神经网络可以检测,监测和量化作物损害。

在这篇文章中,科学家们利用Resonon Pika Ⅱ VNIR高光谱成像系统进行了相关的研究,旨在:

1)了解不同麦草畏喷雾比率下生理参数,产量和相应光谱响应的变化;

(2)确定适当的光谱特征,以评估麦草畏比率对植物的影响;

3)基于高光谱成像,使用机器学习算法建立模型,评估麦草畏比率。

111 

1 研究区域

田间试验于美国密西根州斯通维尔市农作物生产系统研究农场的美国农业部农业研究处4.5公顷的区域内进行。试验场布设如图1所示。大豆于2014年5月7日播种。2014年3月下旬,在实验区域的周围种植了玉米用于建立缓冲区,最大程度地减少麦草畏向/从邻近田间的喷洒漂移。

111 

2 结果

2.1 麦草畏引起的光谱响应和生理变化

比较不同麦草畏比率下大豆的平均光谱时,1WAT和3WAT的结果中都可以清楚地观察到有序变化模式(图5(A,B))。随着麦草畏比率的增加,绿色植被的一些典型光谱特征,如绿色峰值,红色山谷和红色边缘逐渐变得模糊。与未处理的对照样品相比,1WAT和3WAT上的光谱比曲线提供了清晰的光谱变化图,在480-510 nm和640-690 nm处有两个峰,在730 nm以上光谱比较低且变化平稳(图5(C,D ))。此外,可以看出,0.2X麦草畏比率是一个转折点,接受较低剂量的植物将恢复,而接受较高剂量(包括0.2X)的植物将变得衰弱。在1WAT时可以观察到0.05–0.1X样品与0.2–1.0X样品之间的光谱差异(图5(A)),而在3WAT时则更加清晰(图5(B))。

111 

2.2 区分可恢复和不可恢复的情况

0.05–0.1X样品和0.2–1.0X样品之间的JM距离和t检验的P值曲线(图6(A,B))显示了波段对麦草畏处理后大豆植株可恢复性的敏感性。图6(C)显示了基于1WAT和3WAT合并数据的JM距离。从中确定了三个最佳敏感波段,分别位于495、679和752 nm处,它们对应于JM距离曲线的光谱峰值。这些光谱值用于开发可恢复性指数。1和3WAT三个波段的t检验结果证实,0.05–0.1X样本和0.2–1.0X样本在统计学上具有显著性差异。如图6(C)所示,麦草畏处理的样品在495和679 nm处的反射率趋于明显增加,而在752nm处则降低。如图7所示,HDRI(除草剂破坏比指数)的临界值为2.89(1WAT)和2.58(3WAT),HDNI(除草剂破坏归一化指数)的临界值为2.15(1WAT)和2.82(3WAT)。根据验证样本,HDRI的可恢复和不可恢复样品的OA达到0.91(1WAT)和0.95(3WAT),而HDNI分别达到0.92(1WAT)和0.97(3WAT)。因此通过HIS分析可以将大豆植物的可恢复性和不可恢复性区分开。

111 

111 

2.3 通过光谱特征量化麦草畏比率


图8(A)显示了可恢复情况下,基于1和3WAT合并数据的0.05X样本和0.1X样本之间的JM距离和t检验的P值。在JM距离曲线的峰值处识别出三个敏感波段,分别位于409、516、684 nm处。波段的P<0.01,这样可以确保差异的统计显著性。对敏感性光谱特征进行以R2≤0.8为标准的互相关检查,共保留了八个敏感性光谱特征作为模型的输入变量:409和684nm,b,r,WID550-750,GI,TCARI和PSRI。

图8(B)显示了不可恢复情况下,Spearman相关系数的绝对值|R|以及相关分析的P值。在|R|曲线的峰值处确定了403、540和719 nm处的三个敏感波段。波段的P<0.01,确保了波段选择的有效性。同样地,根据敏感性分析和互相关检查,保留了七个敏感性光谱特征:403,719 nm,SDb,DEP550-750,WID550-750,PRI,MCARI。

111 

基于可恢复和不可恢复情况下选择的SFs,使用NB,GA-SVM和1WAT和3WAT上的RF建立了分类模型。除了仅基于SFs的模型外,还建立了同时包含SFs和植物Ht的综合模型。表2总结了两种模型在不同算法和特征组合下的OA和Kappa系数。可恢复情况模型的准确性显著高于不可恢复情况模型的准确性。与仅由SFs驱动的模型(以下称为SFs模型)相比,由SFs和Ht驱动的模型(以下称为SFs+Ht模型)显示出更高的准确性。 对于这三种算法,NB或RF在不同变量组合下显示出最高的准确性。

对于与可恢复情况相对应的模型,SFs模型的OA和Kappa系数在1WAT时范围分别为0.69–0.75和0.38–0.50,在3WAT时分别为0.56–0.69和0.13–0.38。SFs+Ht模型显示出更高的准确性,因为在1WAT时OA和Kappa分别为0.88–0.94和0.75–0.88,且在3WAT时三种算法均达到0.94(OA)和0.88(Kappa)。除了在1WAT时的SFs模型(NB算法准确性最高),其余均表现为RF优于其他两种算法。

对于与不可恢复情况相对应的模型,在1WAT时,SFs模型中OA和Kappa值从最高值分别降低到0.53和0.38,而在3WAT时,仅降低到0.38和0.17。SFs+Ht模型产生相对较高的准确性,在1WAT时,OA和Kappa值最高分别达到0.63和0.46,在3WAT时分别达到0.69和0.58。

111 

3 结论

(1)HIS可以清楚地捕捉到麦草畏喷雾造成的大豆伤害的光谱响应;

(2)通过除草剂可恢复性光谱指数—除草剂破坏比指数(HDRI)和除草剂破坏归一化指数(HDNI)可以准确地区分喷洒除草剂引起的可恢复和不可恢复的损害,总体准确度(OA)高于90%;

(3)使用最佳光谱特征集,可以确定可恢复和不可恢复情况下的麦草畏喷雾比率。在可恢复的情况下,光谱特征加上植物高度可以产生相对较高的精度(OA=94%)。


高光谱成像系统在评估农作物损害上的应用.pdf


News / 相关新闻 More
2024 - 06 - 11
摘要土壤有机质(SOM)在全球碳循环中起着非常重要的作用,而高光谱遥感已被证明是一种快速估算SOM含量的有前景方法。然而,由于忽略了土壤物理性质的光谱响应,SOM预测模型的准确性和时空可迁移性较差。本研究旨在通过减少土壤物理性质对光谱的耦合作用来提高SOM预测模型的时空可迁移性。基于卫星高光谱图像和土壤物理变量,包括土壤湿度(SM)、土壤表面粗糙度(均方根高度,RMSH)和土壤容重(SBW),建立了基于信息解混方法的土壤光谱校正模型。选取中国东北的两个重要粮食产区作为研究区域,以验证光谱校正模型和SOM含量预测模型的性能和可迁移性。结果表明,基于四阶多项式和XG-Boost算法的土壤光谱校正具有优异的准确性和泛化能力,几乎所有波段的残余预测偏差(RPD)均超过1.4。基于XG-Boost校正光谱的SOM预测精度最 高,决定系数(R2)为0.76,均方根误差(RMSE)为5.74 g/kg,...
2024 - 05 - 20
北京,这座拥有千年历史的城市,见证了无数历史的变迁和现代文明的飞跃。然而,随之而来的是空气质量问题,尤其是由机动车尾气排放引发的大气污染。据相关研究显示,机动车尾气中含有大量的有害物质,包括一氧化碳、氮氧化物、挥发性有机化合物以及细颗粒物等,这些污染物不仅对人体健康构成威胁,还会导致城市雾霾的形成,影响城市的视觉美感和居民的生活质量。在众多污染物中,氨气作为一种典型的碱性气体,其来源多样,包括农业活动、工业生产、生活垃圾处理等。在北京市城区车辆排放是否是氨气的主要来源?据此,来自中国科学院大气物理研究所的研究团队进行了相关研究。北京城区NH3排放源-机动车尾气背景介绍氨气是大气中重要的碱性气体,在中和酸性气体,形成二次气溶胶方面发挥着重要作用。NH3在大气中滞留时间短,因此NH3浓度日变化显著。一般特征为在早上大约07:00~10:00,NH3浓度到达峰值。然而以前的研究局限于单一季节,无...
2024 - 05 - 17
菱透浮萍绿锦池,夏莺千啭弄蔷薇透过浮萍,诗人的眼里看到的是其和水中菱叶相映成趣的景象,是夏日池塘的勃勃生机。而在科研学者的眼中,看到的是天南星目浮萍科的水生植物,是潜藏在水稻种植中的双刃剑。营养物质的争夺?自然光照的遮挡?生存空间的占据?在一片生机之下,浮萍和水稻之间塑造着另一番景象..由于气候变暖/或灌溉水富营养化的影响,稻田中的浮萍(DGP)大幅增加。本研究考虑到生态因素、光合能力、光谱变化和植物生长等因素,对三个代表性水稻品种进行了田间试验,以确定DGP对水稻产量的影响。结果表明,DGP显著降低pH值0.6,日水温降低0.6℃,水稻抽穗期提前1.6天,并平均增加了叶片的SPAD和光合速率分别为10.8%和14.4%。DGP还显着提高了RARSc、MTCI、GCI、NDVI705、CI、CIrededge、mND705、SR705、GM等多种植被指数的数值,并且水稻冠层反射光谱的一阶导...
2024 - 05 - 08
在城市污水处理与农村生活废弃物管理中,化粪池作为一种常见的粪便处理设施,承担着重要角色。然而,化粪池在分解过程中会产生包括氨气在内的恶臭气体,这些气体不仅对周围环境造成异味污染,还可能对人体健康构成威胁。以下论文中,来自上海市环境科学研究院的研究团进行了化粪池的相关研究,以降低化粪池氨气排放对环境的负面影响,促进生态平衡和可持续发展,为相关领域的政策制定和技术改进提供理论依据和实践指导。中国城市潜在NH3排放源-化粪池背景介绍在中国高度污染的城市大气中,大气新粒子形成可能是由于硫酸和胺的成核机制,而目前尚不清楚为什么中国的城市大气中富含胺。在城市中,尽管抽水马桶的普及率接近100%,但人类排泄物大多储存在建筑物下面的化粪池中,而不是直接运往污水处理厂。化粪池中大量NH3是微生物分解的产物,可以通过连接屋顶的塑料管释放到大气中。鉴于胺与氨是共同排放的,有理由认为人类排泄物也可能是中国城市中胺...
关闭窗口】【打印
Copyright ©2018-2023 北京理加联合科技有限公司
犀牛云提供企业云服务

北京理加联合科技有限公司

地址:北京市海淀区安宁庄东路18号光华创业园5号楼(生产研发)
          光华创业园科研楼四层
电话:13910499761 13910499762 010-51292601
传真:010-82899770-8014
邮箱:info@li-ca.com
邮编:100085

 

地址:深圳市宝安区创业二路玖悦雅轩商业裙楼3层瑞思BEEPLUS 3029室 手机:13910499772

 


 


  • 您的姓名:
  • *
  • 公司名称:
  • *
  • 地址:
  • *
  • 电话:
  • *
  • 传真:
  • *
  • 电子邮箱:
  • *
  • 邮政编码:
  • *
  • 留言主题:
  • *
  • 详细说明:
  • *
在线留言
关注我们
  • 官方微信
  • 官方手机端
友情链接:
X
1

QQ设置

3

SKYPE 设置

4

阿里旺旺设置

等待加载动态数据...

等待加载动态数据...

5

电话号码管理

  • 010-51292601
6

二维码管理

等待加载动态数据...

等待加载动态数据...

展开