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无人机遥感技术在精量灌溉中应用的研究进展 被引量：39
1
作者 韩文霆 张立元 +1 位作者 牛亚晓 史翔 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期1-14,共14页
以提高农业用水效率为目标的精量灌溉是未来农业灌溉的主要模式,精量灌溉的前提条件是对作物缺水的精准诊断和科学的灌溉决策。用于作物缺水诊断和灌溉决策定量指标的信息获取技术主要基于田间定点监测、地面车载移动监测及卫星遥感。... 以提高农业用水效率为目标的精量灌溉是未来农业灌溉的主要模式,精量灌溉的前提条件是对作物缺水的精准诊断和科学的灌溉决策。用于作物缺水诊断和灌溉决策定量指标的信息获取技术主要基于田间定点监测、地面车载移动监测及卫星遥感。无人机从根本上解决了卫星遥感由于时空分辨率低而导致的瞬时拓延、空间尺度转换、遥感参数与模型参数定量对应等技术难题,也克服了地面监测效率低、成本高、影响田间作业等问题。近几年的研究结果表明,无人机遥感系统可以高通量地获取多个地块的高时空分辨率图像,使精准分析农业气象条件、土壤条件、作物表型等参数的空间变异性及其相互关系成为可能,为大面积农田范围内快速感知作物缺水空间变异性提供了新手段,在精量灌溉技术应用中具有明显的优势和广阔的前景。无人机遥感系统已经应用在作物覆盖度、株高、倒伏面积、生物量、叶面积指数、冠层温度等农情信息的监测方面,但在作物缺水诊断和灌溉决策定量指标监测方面的研究才刚刚起步,目前主要集中在作物水分胁迫指数(CWSI)、作物系数、冠层结构相关指数、土壤含水率、叶黄素相关指数(PRI)等参数估算的研究,有些指标已经成功应用于监测多种作物的水分胁迫状况,但对于大多数作物和指标,模型的普适性还有待进一步研究。给出了无人机遥感在精准灌溉技术中应用的技术体系,并指出,为满足不同尺度的高效率监测和实现农业用水精准动态管理的需求,今后无人机遥感需要结合卫星遥感和地面监测系统,其中天空地一体化农业水信息监测网络优化布局方法与智能组网技术、多源信息时空融合与同化技术、作物缺水多指标综合诊断模型、农业灌溉大数据等将是未来重点研究内容。 展开更多
关键词 无人机遥感 精量灌溉 变量灌溉 作物需水量 作物水分胁迫
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基于多时相无人机遥感植被指数的夏玉米产量估算 被引量：36
2
作者 韩文霆 彭星硕 +1 位作者 张立元 牛亚晓 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期148-155,共8页
为建立夏玉米无人机遥感估产模型,正确评价规模化农业经营管理和用水效率,以内蒙古自治区规模化种植的夏玉米为研究对象,设置了5个不同水分处理的实验区域,每个实验区域布置了3个样区,利用自主研发的多旋翼无人机多光谱遥感平台,对夏玉... 为建立夏玉米无人机遥感估产模型,正确评价规模化农业经营管理和用水效率,以内蒙古自治区规模化种植的夏玉米为研究对象,设置了5个不同水分处理的实验区域,每个实验区域布置了3个样区,利用自主研发的多旋翼无人机多光谱遥感平台,对夏玉米进行多时相的遥感监测。采用牛顿-梯形积分和最小二乘法,构建了基于多种植被指数和多种生育期对应的夏玉米实测产量的6种线性模型,并采用阈值滤波法减少土壤噪声对模型精度的影响。结果显示,不同生育期的玉米估产模型精度存在显著差异。单一生育期中,精度由高到低依次为:抽雄期、吐丝期、蜡熟期、拔节期,最优植被指数为EVI2(决定系数R^2=0.72,均方根误差RMSE为485.46 kg/hm^2);多生育期的最优植被指数为GNDVI(R^2=0.89,RMSE为299.35 kg/hm^2)。经过土壤滤波后,拔节期和多生育期的R^2提升显著,其中基于植被指数GNDVI、MASVI2、EVI2的多生育期估产模型的决定系数R2提升到0.87以上。多生育期的无人机遥感估产优于单生育期,最优估产植被指数为GNDVI,阈值滤波法可以有效提升估产精度,优化后基于植被指数的无人机遥感估产模型可以快速有效诊断和评估作物长势和产量。 展开更多
关键词 夏玉米 产量估算 生育期 多时相 植被指数 无人机
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基于无人机遥感的玉米水分利用效率与生物量监测 被引量：16
3
作者 韩文霆 汤建栋 +2 位作者 张立元 牛亚晓 王彤华 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第5期129-141,共13页
玉米生物量及水分利用效率是反映作物长势和作物品质的重要指标。为实现农业精准管理,本文以不同水分处理的青贮玉米为研究对象,探讨无人机多光谱遥感平台结合作物生长模型估测青贮玉米生物量及水分利用效率的可行性。首先,将基于高时... 玉米生物量及水分利用效率是反映作物长势和作物品质的重要指标。为实现农业精准管理,本文以不同水分处理的青贮玉米为研究对象,探讨无人机多光谱遥感平台结合作物生长模型估测青贮玉米生物量及水分利用效率的可行性。首先,将基于高时空分辨率无人机多光谱图像估测的关键作物参数蒸腾系数k_t输入到简单的水分效率模型中,来拟合不同水分胁迫处理下玉米水分利用效率WUE和标准化水分利用效率WP*;然后,采用拟合的WUE、WP*估算相同水分和不同水分状况下的玉米生物量,并进行验证;基于高时空分辨的无人机多光谱遥感图像获取了大田尺度上的WUE、WP*和生物量的空间分布图。结果表明,基于无人机多光谱、气象和土壤水分数据计算的实际蒸腾量∑T_(c,adj)和∑k_(t)k_(sw)k_(st)(k_(sw)、k_(st)为环境胁迫因子)与玉米生物量具有极显著(P <0.001)的相关性,不同水分处理下WUE的决定系数R^(2)均不小于0.92,WP*的R^(2)均不小于0.93。在同一水分胁迫下,使用拟合的WUE和WP*对生物量的估测精度几乎相同,玉米V-R4生育期估测精度较高,WUE的RMSE为126 g/m^(2),WP*的RMSE为91.7 g/m^(2),一致性指数d均为0.98,但在R5-R6生育期内精度不高。在不同水分胁迫下,使用WUE和WP*估测生物量时,WUE容易受到水分胁迫影响,精度较低(RMSE为306 g/m^(2),d=0.93),而WP*的精度较高(RMSE为195 g/m^(2),d=0.97)。研究表明,将无人机遥感平台与作物生长模型相结合能够很好地估测大田玉米生物量及水分利用效率。 展开更多
关键词 青贮玉米 生物量 作物水分利用效率 作物生长模型 无人机遥感
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基于无人机遥感与植被指数的冬小麦覆盖度提取方法 被引量：68
4
作者 牛亚晓 张立元 +1 位作者 韩文霆 邵国敏 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期212-221,共10页
基于开源飞控Pixhawk开发了一套集成稳定云台、位置与姿态系统(Position and orientation system,POS)数据采集模块的无人机多光谱遥感图像采集系统,同步采集520~920 nm范围内的红、绿和近红外波段信息。以冬小麦为例,分别在越冬期、拔... 基于开源飞控Pixhawk开发了一套集成稳定云台、位置与姿态系统(Position and orientation system,POS)数据采集模块的无人机多光谱遥感图像采集系统,同步采集520~920 nm范围内的红、绿和近红外波段信息。以冬小麦为例,分别在越冬期、拔节期、挑旗期和抽穗期进行飞行实验,飞行高度55 m,多光谱影像地面分辨率2.2 cm。采用监督分类与植被指数统计直方图相结合的方式,提出了一种田间尺度小麦覆盖度快速提取的方法,给出归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)、土壤调节植被指数(Soil-adjusted vegetation index,SAVI)及修正土壤调节植被指数(Modified soil-adjusted vegetation index,MSAVI)对应的植被像元与土壤像元的分类阈值,分别为0.475 6、0.705 6和0.635 0。同时利用基于同步采集的地面分辨率可达0.8 cm的高清可见光遥感图像提取了相应时期的冬小麦覆盖度参考值。结果表明,基于无人机多光谱遥感技术及植被指数法可以较好地提取冬小麦越冬期、拔节期、挑旗期和抽穗期的植被覆盖度信息。与SAVI、MSAVI相比,基于NDVI分类阈值的提取效果最好,绝对误差最小。 展开更多
关键词 冬小麦 植被覆盖度 无人机 多光谱遥感影像 植被指数 监督分类
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大田玉米作物系数无人机多光谱遥感估算方法 被引量：29
5
作者 韩文霆 邵国敏 +3 位作者 马代健 ZHANG Huihui 王毅 牛亚晓 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第7期134-143,共10页
作物系数K_c快速获取是大田作物蒸散量(Evapotranspiration,ET)估算的关键,为研究无人机多光谱遥感估算玉米作物系数的可行性和适用性,以2017年内蒙古达拉特旗昭君镇实验站大田玉米、土壤、气象等数据为基础,采用经气象因子和作物覆盖... 作物系数K_c快速获取是大田作物蒸散量(Evapotranspiration,ET)估算的关键,为研究无人机多光谱遥感估算玉米作物系数的可行性和适用性,以2017年内蒙古达拉特旗昭君镇实验站大田玉米、土壤、气象等数据为基础,采用经气象因子和作物覆盖度校正后的双作物系数法计算不同生长时期与不同水分胁迫玉米的作物系数,并使用自主研发的无人机多光谱系统航拍玉米的冠层多光谱(蓝、绿、红、红边、近红外,475~840 nm)影像,研究了不同生长时期(快速生长期、生长中期和生长后期)玉米的6种常用植被指数(Vegetation indices,VIs):归一化差值植被指数(NDVI)、土壤调节植被指数(SAVI)、增强型植被指数(EVI)、比值植被指数(SR)、绿度归一化植被指数(GNDVI)和抗大气指数(VARI),与作物系数K_c的关系模型及水分胁迫对其的影响。结果表明:玉米生长时期和水分胁迫是影响玉米VIs-K_c模型相关性的两个重要因素。不同生长时期玉米植被指数和K_c相关性不同:充分灌溉情况下,快速生长期玉米VIs-K_c模型的相关性(R2为0.731 2~0.940 1,p<0.05,n=25)与生长中期至生长后期VIs-K_c模型的相关性(R2为0.276 5~0.373 2,p<0.05,n=40)不同;水分胁迫情况下,快速生长期玉米VIs-K_c模型的相关性(R2为0.0002~0.0830,p<0.05,n=25)与生长中期至生长后期VIs-K_c模型的相关性(R2为0.366 2~0.848 7,p<0.05,n=40)不同。水分胁迫对VIs-K_c模型的相关性影响较大:快速生长期,充分灌溉玉米VIs-K_c模型的相关性(R2最大为0.940 1)比水分胁迫玉米VIs-K_c模型的相关性(R2最大为0.083 0)强;生长中期至生长后期,充分灌溉玉米VIsK_c模型的相关性(R2最大为0.373 2)比水分胁迫玉米VIs-K_c模型的相关性(R2最大为0.848 7)弱。部分植被指数和作物系数相关性较强;快速生长期充分灌溉玉米的VIs-K_c模型的相关性由大到小依次为:SR、EVI、VARI、GNDVI、SAVI、NDVI;生长中期至生长后期水分� 展开更多
关键词 玉米 无人机遥感 作物系数 植被指数 蒸散量
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基于Lab颜色空间的棉花覆盖度提取方法研究 被引量：22
6
作者 牛亚晓 张立元 韩文霆 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第10期240-249,共10页
基于手持高清可见光图像和无人机可见光遥感影像中植被与非植被像元在不同颜色空间单通道上分布的差异性,以苗期和蕾期的棉花为对象,进行了棉花覆盖度的提取方法研究。基于不同天气状况和不同采集时刻等光照条件下采集的29幅具有不同覆... 基于手持高清可见光图像和无人机可见光遥感影像中植被与非植被像元在不同颜色空间单通道上分布的差异性,以苗期和蕾期的棉花为对象,进行了棉花覆盖度的提取方法研究。基于不同天气状况和不同采集时刻等光照条件下采集的29幅具有不同覆盖度的棉花地面可见光图像,分别对比分析了Lab颜色空间a通道、RGB颜色空间2G-R-B指数和HIS颜色空间H通道对棉花的识别能力,以及使用动态阈值和固定阈值两种情况下的棉花覆盖度提取精度。其中动态阈值通过植被与非植被像元的高斯分布交点确定,固定阈值在3种颜色空间分别设置为动态阈值的均值。结果表明,植被像元与非植被像元在a通道、2G-R-B指数和H通道上呈现高斯分布,可以采用非线性最小二乘算法实现高斯分布拟合。通过高斯分布拟合求解交点得到的动态分类阈值分布范围较为集中,将其均值-3.78、0.06、0.13设定为固定分类阈值。相比于2G-R-B指数和H通道,a通道对绿色植被的识别能力最好,更适合提取棉花植被覆盖度;相比于动态阈值,固定阈值的提取精度更好,平均提取误差为0.009 4。将该方法应用到无人机尺度时,同样可以较好地提取不同天气状况和不同土壤干湿类型的棉花覆盖度,且总体平均提取误差为0.012。经过初步检验和分析认为,基于植被与非植被像元在Lab颜色空间a通道上分布的差异性,结合固定分类阈值,可以精确地提取不同光照条件下的苗期和蕾期棉花覆盖度。 展开更多
关键词 植被覆盖度 高斯分布 颜色空间 棉花
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大田玉米水分胁迫指数经验模型建立方法 被引量：15
7
作者 张立元 牛亚晓 +1 位作者 韩文霆 刘治开 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期233-239,共7页
作物水分胁迫指数(Crop water stress index,CWSI)经验模型的建立与气候和种植条件密切相关。以内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗大田玉米为对象,研究了CWSI的最优经验模型。玉米在营养生长阶段(Vegetative stage,V期)、生殖期(Reproduct... 作物水分胁迫指数(Crop water stress index,CWSI)经验模型的建立与气候和种植条件密切相关。以内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗大田玉米为对象,研究了CWSI的最优经验模型。玉米在营养生长阶段(Vegetative stage,V期)、生殖期(Reproductive stage,R期)和成熟期(Maturation stage,M期)分别进行不同灌溉水平的处理,采用红外测温传感器采集玉米冠层温度。分别结合田间和实验地旁标准气象站空气温湿度数据建立了CWSI经验模型的无水分胁迫基线。基于2种无水分胁迫基线,分别利用饱和水汽压梯度获取的无蒸腾作用基线和5℃无蒸腾作用基线建立了4种CWSI经验模型,得出反映大田玉米水分胁迫状况的关系曲线,并进行对比。结果表明,基于实验地旁标准气象站空气温湿度数据建立的CWSI经验模型具有很大的波动性,并不能很好反映玉米的水分胁迫状况,其值常常超出正常范围(0~1)。而基于田间空气温湿度数据建立的CWSI经验模型则可以很好地监测内蒙古自治区大田玉米水分胁迫状况,M期3种不同水分处理100%、52%和28%具有较好的CWSI数值梯度,分别为0.03、0.14和0.32。相比于基于饱和水汽压梯度获取的无蒸腾作用基线,以5℃作为无蒸腾作用基线时得到的CWSI数值较小,可以较好地反映水分胁迫状况,对应上述M期3种不同水分处理CWSI值分别为0.02、0.10和0.22,具有较为合理的梯度。经过初步检验和分析,认为基于田间空气温湿度数据建立的CWSI经验模型较为合理,可以有效监测大田玉米水分胁迫状况。 展开更多
关键词 大田玉米 水分胁迫 CWSI 经验模型 红外测温
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基于无人机可见光遥感的冬小麦株高估算 被引量：14
8
作者 刘治开 牛亚晓 +1 位作者 王毅 韩文霆 《麦类作物学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第7期859-866,共8页
株高是作物生长过程中重要的生长指标。为探索快速准确获取作物株高的方法,利用无人机可见光图像采集系统,获取冬小麦拔节期至成熟期的高清数码图像,建立冬小麦拔节期、抽穗期、灌浆期及成熟期的作物数字表面模型(digital surface model... 株高是作物生长过程中重要的生长指标。为探索快速准确获取作物株高的方法,利用无人机可见光图像采集系统,获取冬小麦拔节期至成熟期的高清数码图像,建立冬小麦拔节期、抽穗期、灌浆期及成熟期的作物数字表面模型(digital surface models,DSM)及作物高度模型(crop height model,CHM),并对模型进行验证。结果表明,冬小麦株高各生育时期CHM提取值与地面实测值极显著相关(P<0.01),误差为-0.10~0.09m,相对误差为17.64%~19.60%。株高预测值与实测值拟合性较高(R^2=0.82,RMSE=4.31cm)。这说明用无人机拍摄的高清数码影像可快速估算冬小麦的株高。 展开更多
关键词 小麦 株高 遥感 无人机 数字表面模型
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