丁凡，陳震，李長(zhǎng)春*，程千，費(fèi)帥鵬，李景勃，徐洪剛，李宗鵬

不同施氮處理下無(wú)人機(jī)光譜感知冬小麥產(chǎn)量

丁凡1，陳震2，李長(zhǎng)春1*，程千2，費(fèi)帥鵬2，李景勃1，徐洪剛2，李宗鵬3

（1.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，鄭州 450002）

【目的】快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)冬小麥產(chǎn)量，構(gòu)建最佳產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)農(nóng)田管理有重要應(yīng)用價(jià)值?！痉椒ā恳猿樗肫?、開花期和灌漿期3個(gè)不同時(shí)期的冬小麥為研究對(duì)象，通過無(wú)人機(jī)搭載的多光譜傳感器采集冠層光譜信息并提取植被指數(shù)。使用逐步回歸與隨機(jī)森林2種方法，篩選最優(yōu)特征并建立產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型?！窘Y(jié)果】在抽穗期，綠（Green，）、藍(lán)（Blue，）、修改型土壤調(diào)查植被指數(shù)（Modified Soil-adjusted Vegetation Index 2，2）和土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(Soil-adjusted Vegetation Index，)組合使用隨機(jī)森林算法對(duì)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)效果最好同時(shí)（Akaike information criterion，赤池信息準(zhǔn)則）較低，2為0.65。在開花期，過綠指數(shù)（Excess Green，）、近紅外光（Near Infrared，）、歸一化差異植被指數(shù)（Normalized Difference Index，）、藍(lán)（Blue，）和修改型土壤調(diào)查植被指數(shù)2（Modified Soil-adjusted Vegetation Index 2，2）特征變量組合使用隨機(jī)森林算法對(duì)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)效果最好，同時(shí)較低，2為0.71。在灌漿期，以全部植被特征變量構(gòu)建的隨機(jī)森林回歸模型對(duì)冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)的精度最高，2達(dá)到0.76，綠（Green，）、藍(lán)(Blue，)、過綠指數(shù)（Excess Green，）、過紅指數(shù)（Excess Red，）、歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，）、比值植被指數(shù)（Ratio Vegetation Index，）和歸一化差分植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，）特征變量組合的隨機(jī)森林回歸模型2較高同時(shí)較低，2達(dá)到0.73。同時(shí)使用冬小麥3個(gè)生育期，以抽穗期藍(lán)（Blue，）、開花期過綠指數(shù)（Excess Green，）、灌漿期近紅外光（Near Infrared，）、灌漿期歸一化差異植被指數(shù)（Normalized Difference Index，）和灌漿期過綠減過紅指數(shù)（Excess Green-Excess Red，-）為特征變量組合構(gòu)建的隨機(jī)森林回歸模型2較高，同時(shí)較低，2達(dá)到0.76?！窘Y(jié)論】通過逐步回歸篩選出特征變量間共線性最小的特征變量組合并利用隨機(jī)森林構(gòu)建回歸模型具有可行性，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)冬小麥產(chǎn)量。

多光譜；植被指數(shù)；逐步回歸；隨機(jī)森林；產(chǎn)量預(yù)測(cè)

0 引 言

【研究意義】冬小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活質(zhì)量具有密切的關(guān)系[1-2]，在冬小麥?zhǔn)斋@前進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測(cè)對(duì)國(guó)家糧食政策制定、田間管理以及宏觀調(diào)控具有重要意義。

【研究進(jìn)展】隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)和輕型多光譜相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，低空無(wú)人機(jī)多光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，在作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)中具有低成本高效率的特點(diǎn)[3]。由于多光譜傳感器光譜分辨率的提升，相鄰波段之間的相關(guān)性也隨之增加，因而會(huì)造成數(shù)據(jù)間產(chǎn)生冗余信息，從而增加了對(duì)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性以及不必要的計(jì)算資源消耗。因此，有必要對(duì)多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理[4]，篩選出對(duì)目標(biāo)性狀影響較大的特征。目前，已有諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)小麥等農(nóng)作物進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測(cè)。王來剛等[5]使用隨機(jī)森林算法，構(gòu)建的融合多源時(shí)空數(shù)據(jù)的冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型精度較高；Fei等[6]基于冬小麥無(wú)人機(jī)多光譜數(shù)據(jù)，通過集成學(xué)習(xí)方法構(gòu)建的產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型精度較高；程千等[7]采集不同水分虧缺條件下冬小麥多光譜圖像，通過偏最小二乘、支持向量機(jī)和隨機(jī)森林的方法，利用冬小麥多時(shí)相植被指數(shù)構(gòu)建產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明多種植被指數(shù)隨著冬小麥的生長(zhǎng)預(yù)測(cè)精度不斷提高，且隨機(jī)森林回歸模型預(yù)測(cè)效果最好；牛慶林等[8]將可見光與多光譜植被指數(shù)相結(jié)合，使用逐步回歸和隨機(jī)森林回歸方法對(duì)冬小麥葉片值進(jìn)行預(yù)測(cè)，該方法表現(xiàn)出較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。逐步回歸可從大量已有變量中篩選出對(duì)模型影響較大的變量[9]并剔除冗余變量，進(jìn)而構(gòu)建預(yù)測(cè)模型?！厩腥朦c(diǎn)】隨機(jī)森林預(yù)測(cè)模型精度高于線性預(yù)測(cè)模型[10]，但隨機(jī)森林生成的模型不直觀，無(wú)法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，被認(rèn)為是“黑箱”模型，但其提供其他方式，諸如變量的重要性用來協(xié)助解釋模型，因此Prasad等[11]稱隨機(jī)森林為“灰箱”模型。

【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以抽穗期、開花期和灌漿期3個(gè)生育期的冬小麥為研究對(duì)象，通過無(wú)人機(jī)多光譜影像技術(shù)獲取3個(gè)時(shí)期冬小麥多光譜數(shù)據(jù)并構(gòu)建多種植被指數(shù)，隨后利用逐步回歸和隨機(jī)森林方法構(gòu)建各生育期產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，以實(shí)現(xiàn)在收獲前對(duì)冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020—2021年在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)試驗(yàn)基地（35.2°N，113.8°E）進(jìn)行。該地為平原區(qū)域，地處黃河和海河兩大流域，土壤肥沃且光照充足，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為14 ℃，年平均降水量573.4 mm，適宜冬小麥生長(zhǎng)。表層土壤質(zhì)地為輕質(zhì)壤土，地下水埋深超過10 m。采用大型平移式噴灌機(jī)變量噴灑水肥，設(shè)置6個(gè)不同的施氮（N）肥處理，氮肥選用尿素，施肥水平分別為N0（不施加氮肥）、N1（60 kg/hm2）、N2（120 kg/hm2）、N3（180 kg/hm2）、N4（240 kg/hm2農(nóng)民習(xí)慣用量）和N5（300 kg/hm2，過量施氮），每30個(gè)小區(qū)1個(gè)處理，共180個(gè)小區(qū)，試驗(yàn)小區(qū)布置如圖1所示。施氮肥在拔節(jié)期和抽穗期2個(gè)時(shí)期進(jìn)行，各施肥量按2∶1劃分，施加氮肥的質(zhì)量濃度為0.3%。小區(qū)規(guī)格3 m×1.4 m，相鄰小區(qū)左右間隔0.2 m，前后間隔1 m。于2020年10月初按試驗(yàn)小區(qū)播種，2021年6月初按試驗(yàn)小區(qū)收獲，自然曬干稱質(zhì)量得到各小區(qū)實(shí)測(cè)產(chǎn)量。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置圖

1.2 無(wú)人機(jī)影像獲取及處理

本試驗(yàn)搭載平臺(tái)采用大疆經(jīng)緯M210型四旋翼無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)質(zhì)量為4.69 kg，最大承載質(zhì)量1.45 kg，續(xù)航時(shí)間約20 min。無(wú)人機(jī)搭載Red Edge MX多光譜相機(jī)于抽穗期（2021年4月17日）、開花期（2021年4月28日）和灌漿期（2021年5月8日）對(duì)冬小麥冠層拍攝多光譜影像，使用大疆GSPro地面站規(guī)劃航線，多光譜相機(jī)設(shè)置為與地面垂直，等時(shí)間間隔拍照模式。飛行高度為30 m，航向重疊率85%，旁向重疊率80%，影像空間分辨率為2 mm。光譜影像具有5個(gè)通道，分別為紅（Red，）、綠（Green，）、藍(lán)（Blue，）、近紅外（Near infrared，）和紅邊（Red edge，），波段信息如表1所示。

表1 Red Edge MX型多光譜相機(jī)波段信息

在無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)后利用Pix4Dmapper軟件對(duì)獲取的影像進(jìn)行校正拼接。通過ArcGIS10.2計(jì)算多光譜植被指數(shù)并繪制感興趣區(qū)提取小區(qū)植被指數(shù)均值。

1.3 植被指數(shù)選取

植被指數(shù)是由光譜中多個(gè)波段組合而成，在對(duì)地面植被狀況進(jìn)行度量方面比單波段具有更好的靈敏性。本試驗(yàn)選取植被提取顏色指數(shù)（Color Index of Vegetation Extraction，）、差異植被指數(shù)（Difference vegetation index，）、過綠指數(shù)（Excess Green，）、過綠減過紅指數(shù)（Excess Green-Excess Red，-）、過紅指數(shù)（Excess Red，）、修改型土壤調(diào)查植被指數(shù)（Modified Soil-adjusted Vegetation Index 2，2）、歸一化差異植被指數(shù)（Normalized Difference Index，）、歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，）、重歸一化植被指數(shù)（Re-normalized Vegetation Index，）、比值植被指數(shù)（Ratio Vegetation Index，）、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（Soil-adjusted Vegetation Index，）、歸一化差分植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，）共12個(gè)植被指數(shù)，如表2所示。

表2 植被指數(shù)及計(jì)算式

1.4 分析方法

本研究通過逐步回歸[22]算法構(gòu)建的模型篩選特征間影響較小的特征向量組合，再利用隨機(jī)森林算法[23]構(gòu)建預(yù)測(cè)模型。逐步回歸是一種對(duì)線性回歸模型自變量選擇的方法，其基本思想是逐個(gè)將特征變量引入回歸模型中，在每引入1個(gè)特征變量時(shí)對(duì)模型進(jìn)行1次檢驗(yàn)，若引入的特征變量使模型內(nèi)其他特征變量的解釋顯著性降低，則剔除該特征變量，重復(fù)此過程，直至不再有對(duì)模型貢獻(xiàn)大的特征變量引入模型，也沒有對(duì)模型貢獻(xiàn)小的特征變量從模型中被剔除，此時(shí)模型為最優(yōu)模型[24]。對(duì)模型特征選擇的標(biāo)準(zhǔn)選用赤池信息準(zhǔn)則（Akaike information criterion，）[8]，值越小，表示模型內(nèi)各個(gè)特征變量的解釋性就越好，每個(gè)特征變量之間對(duì)彼此重要性的影響程度越小。選用值最小的模型既為最優(yōu)模型。隨機(jī)森林的思想是集成學(xué)習(xí)，是機(jī)器學(xué)習(xí)的一大分支，由多棵樹組成，其基本單元是決策樹[25]。其在訓(xùn)練過程中，從訓(xùn)練集中有放回地隨機(jī)抽取樣本，重復(fù)多次，生成多棵決策樹，對(duì)每棵決策樹通過傳遞隨機(jī)變量來預(yù)測(cè)結(jié)果，從而得到多種結(jié)果，對(duì)這些結(jié)果計(jì)算平均值便得到隨機(jī)森林回歸的最終預(yù)測(cè)結(jié)果。隨機(jī)森林通過平均決策樹的預(yù)測(cè)結(jié)果降低過擬合的風(fēng)險(xiǎn)，并且受噪聲影響較小[26]。

1.5 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

隨機(jī)選取數(shù)據(jù)的3/4作為訓(xùn)練集，剩余1/4作為驗(yàn)證集。以驗(yàn)證集決定系數(shù)（2）、均方根誤差（）、歸一化均方根誤差（）和作為預(yù)測(cè)模型的精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。2越大表明植被指數(shù)與產(chǎn)量的擬合性越好；和越小表明模型預(yù)測(cè)效果越好；越小表明模型特征最少同時(shí)可以最好的解釋數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被指數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)性

使用3個(gè)生育期的12個(gè)植被指數(shù)與產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析。使用、、、、和12個(gè)光譜指數(shù)分別建立3個(gè)生育期產(chǎn)量的隨機(jī)森林回歸模型，詳見表3。

由表3可看出，3個(gè)生育期中，灌漿期的大部分植被指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性最高，抽穗期的大部分植被指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性最低。-、、與產(chǎn)量的相關(guān)性較低，除抽穗期的-與產(chǎn)量無(wú)顯著相關(guān)外，相關(guān)系數(shù)范圍為0.22～0.45，其余9個(gè)植被指數(shù)在3個(gè)生育期中與產(chǎn)量的相關(guān)性均大于0.5。在抽穗期和開花期，的相關(guān)性均最高，絕對(duì)值分別為0.57和0.67；在灌漿期，2的相關(guān)性最高，絕對(duì)值為0.59，此外、、的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.58。由此可見，本文選用的12個(gè)植被指數(shù)與產(chǎn)量均具有較強(qiáng)的相關(guān)性，可以用來對(duì)冬小麥的產(chǎn)量進(jìn)行估測(cè)。

表3 不同生育期植被指數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)性分析

2.2 基于逐步回歸分析方法預(yù)測(cè)產(chǎn)量

將、、、、和各植被指數(shù)作為輸入變量，以產(chǎn)量為輸出變量建立逐步回歸模型，結(jié)果見表4。在3個(gè)生育期，2范圍分別在0.351～0.412、0.436～0.538、0.439～0.486，值范圍分別在0.569～0.584、0.488～0.588、0.593～0.624 t/hm2，值范圍分別在16.324%～17.305%、14.396%～17.145%、17.365%～17.993%。綜上，開花期的模型精度在包含5個(gè)輸入變量（、、、、）時(shí)最佳，2為0.526，值為0.488 t/hm2，值為14.396%，值為288.152。

2.3 基于逐步回歸篩選變量后的隨機(jī)森林回歸模型精度

通過逐步回歸篩選出每個(gè)生育期值最小的5個(gè)預(yù)測(cè)模型后，根據(jù)每個(gè)模型的輸入特征變量構(gòu)建對(duì)應(yīng)的隨機(jī)森林回歸模型，并計(jì)算各個(gè)預(yù)測(cè)模型的2、和，如表5所示。

為了篩選最優(yōu)預(yù)測(cè)模型，對(duì)各個(gè)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行綜合評(píng)定，以預(yù)測(cè)模型的2、、和為評(píng)定指標(biāo)。在3個(gè)生育期，2范圍分別在0.501～0.669、0.638～0.708、0.629～0.755，值范圍分別在0.457～0.552、0.453～0.520、0.425～0.522 t/hm2，值范圍分別在13.053%～15.820%、12.877%～14.584%、12.093%～14.656%。其中，在灌漿期預(yù)測(cè)模型的綜合評(píng)定精度最好，精度最好的2個(gè)預(yù)測(cè)模型分別包含全部特征變量和7個(gè)輸入特征變量（、、、、、、），2分別為0.755和0.734，、分別為0.425 t/hm2、12.093%和0.439 t/hm2、12.441%，值分別為306.180和295.005。在開花期，精度最好的2個(gè)預(yù)測(cè)模型分別包含5個(gè)輸入特征變量（、、、、2）和2個(gè)輸入特征變量（、），2分別為0.708和0.685，和分別為0.471 t/hm2、13.288%和0.453 t/hm2、12.877%，值分別為293.319和299.338。在抽穗期，精度最好的2個(gè)預(yù)測(cè)模型分別包含4個(gè)輸入特征變量（、、2、）和全部特征變量，2分別為0.645和0.669，、分別為0.496 t/hm2、14.263%和0.481 t/hm2、13.743%，值分別為315.303和323.129。

表4 冬小麥不同生育期逐步回歸線性預(yù)測(cè)模型

表5 冬小麥不同生育期篩選變量后的隨機(jī)森林回歸模型

同時(shí)使用3個(gè)生育期的共51個(gè)輸入特征變量篩選出值較小的模型，并構(gòu)建隨機(jī)森林回歸模型，如表6所示。使用_1、_2和_3后綴以區(qū)分不同時(shí)期的植被指數(shù)，分別對(duì)應(yīng)抽穗期、開花期和灌漿期。

由表6可看出，精度最好的預(yù)測(cè)模型包含5個(gè)輸入特征（1、1、3、3、3），2達(dá)到0.76，為0.402 t/hm2，為11.488%，與只考慮單生育期所構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相比，均表現(xiàn)出較好的精度。

表6 冬小麥3個(gè)生育期篩選變量后的隨機(jī)森林回歸模型

圖2為不同氮肥處理下冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，圖2中估測(cè)值分別選取每個(gè)時(shí)期估測(cè)效果最優(yōu)的訓(xùn)練模型。抽穗期選用、、2、多特征變量組合模型，開花期選用、、、、2多特征變量組合模型，灌漿期選用、、、、、、多特征變量組合模型。從圖2可以看出，N4處理冬小麥產(chǎn)量最高，平均達(dá)到9.374 t/hm2，隨著施氮量的減少，產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，但在N1處理時(shí)略有提高。N0處理冬小麥平均產(chǎn)量為5.964 t/hm2，比N4處理降低36.377%。冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)比，N1處理和N4處理預(yù)測(cè)值偏小，其余施氮處理時(shí)，預(yù)測(cè)值偏大。N5處理時(shí)預(yù)測(cè)值的分布范圍與實(shí)測(cè)值的接近，其余處理下預(yù)測(cè)值的分布范圍均比實(shí)測(cè)值的小。由于試驗(yàn)所用冬小麥品種較多，不同品種產(chǎn)量不同，因而產(chǎn)量數(shù)據(jù)分布分散，尤其氮營(yíng)養(yǎng)虧缺嚴(yán)重時(shí)更為明顯。

圖2 不同氮肥處理下產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

3 討 論

使用逐步回歸篩選出的特征變量作為輸入的線性產(chǎn)量回歸模型精度較差，但可以對(duì)植被特征進(jìn)行降維，篩選出對(duì)模型影響較大的特征組合[4]。隨機(jī)森林較傳統(tǒng)的回歸算法精度和穩(wěn)定性更高。本研究表明，隨機(jī)森林應(yīng)用在作物表型評(píng)估中能夠提升模型性能，王麗愛等[27]以8個(gè)植被指數(shù)為輸入特征變量分析多個(gè)生育期小麥葉片值與植被指數(shù)間的相關(guān)性，構(gòu)建隨機(jī)森林回歸模型，并以支持向量回歸模型和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸模型為對(duì)照模型，研究表明隨機(jī)森林回歸模型的預(yù)測(cè)精度最高。王慶等[28]通過甜菜葉叢冠層的結(jié)構(gòu)特征和光譜特征構(gòu)建地上部和塊根鮮質(zhì)量和塊根含糖率隨機(jī)森林和偏最小二乘預(yù)測(cè)模型，研究顯示隨機(jī)森林回歸模型在精度上高于偏最小二乘回歸模型?；诖?，本研究先通過逐步回歸篩選特征變量，再使用隨機(jī)森林算法，在特征變量間相互影響較小的前提下，得到精度較高的隨機(jī)森林回歸模型，并在此前提下，通過對(duì)預(yù)測(cè)模型的分析，能夠大致得出哪些特征變量對(duì)預(yù)測(cè)模型更重要且對(duì)精度影響更高，進(jìn)而從這些特征變量中尋找出與產(chǎn)量之間的聯(lián)系，探究該特征變量對(duì)產(chǎn)量預(yù)測(cè)精度解釋性較強(qiáng)的原因。

在、、、和這是5個(gè)波段中和的建模精度較高，的建模精度較低。原因是綠波段的反射率對(duì)葉片葉綠素量敏感，反映了葉片葉綠素量水平，葉綠素量植株光合作用的重要影響因素，在很大程度上決定了作物產(chǎn)量[29]。在作物快成熟時(shí)既在灌漿期左右會(huì)出現(xiàn)紅邊位移[30]現(xiàn)象，作物生長(zhǎng)狀態(tài)好，紅邊位置會(huì)出現(xiàn)紅移，反之會(huì)出現(xiàn)藍(lán)移，并且紅邊反射率曲線斜率大，導(dǎo)致紅邊與產(chǎn)量具有較大的相關(guān)性。同時(shí)這一結(jié)果印證了一些研究者提出紅邊與葉片葉綠素即綠波段有關(guān)系的觀點(diǎn)[30-31]。在灌漿期的預(yù)測(cè)模型精度較高的原因是紅邊位移現(xiàn)象主要發(fā)生在該時(shí)期。

開花期和灌漿期冬小麥的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)已基本完成，產(chǎn)量也基本定型，葉片對(duì)土地覆蓋程度高，裸土較少，此時(shí)冬小麥的性狀與產(chǎn)量相關(guān)性較高。開花期之前的生育期受外界因素影響較大，不是對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)的最佳時(shí)期。成熟期冬小麥開始變黃，莖稈葉基本變干，葉片枯萎葉面積減少，裸土增多，因此不建議作為觀測(cè)時(shí)期。

在逐步回歸以及隨機(jī)森林回歸所構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型中，灌漿期表現(xiàn)出較高的預(yù)測(cè)精度。灌漿期時(shí)，冬小麥籽粒長(zhǎng)度先達(dá)到最大，隨后寬度和厚度明顯增加，是決定粒質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期[32]，這一生理特征決定了該時(shí)期對(duì)產(chǎn)量預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性。

本研究?jī)H使用了多光譜5個(gè)波段，沒有對(duì)多光譜波段以外對(duì)產(chǎn)量敏感的指數(shù)進(jìn)行研究，下一步可以考慮引入高光譜指數(shù)對(duì)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到更高的預(yù)測(cè)精度。

4 結(jié) 論

1）開花期和灌漿期的植被指數(shù)與產(chǎn)量均具有較強(qiáng)的相關(guān)性，所構(gòu)建的隨機(jī)森林預(yù)測(cè)模型最大2均大于0.7。

2）灌漿期的植被指數(shù)對(duì)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)效果最好，構(gòu)建的最優(yōu)預(yù)測(cè)模型的2達(dá)到0.73，輸入特征變量為、、、、、和組合，同時(shí)對(duì)比同時(shí)期其他特征變量組合較低。

3）同時(shí)考慮3個(gè)生育期的指標(biāo)相比單個(gè)生育期所構(gòu)建的隨機(jī)森林預(yù)測(cè)模型精度有所提升，保證較低的同時(shí)2可達(dá)到0.76。

4）本研究中，過量施氮以及氮肥虧缺均導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量降低。與N4處理相比，N0處理將造成冬小麥產(chǎn)量下降約1/3。

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Using Unmanned Aerial Vehicle to Evaluate the Effect of Nitrogen Fertilization on Winter Wheat Yield

DING Fan1, CHEN Zhen2, LI Changchun1*, CHENG Qian2, FEI Shuaipeng2, LI Jingbo1, XU Honggang2, LI Zongpeng3

(1. Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 3. Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

【Objective】Precision agriculture requires a quick and accurate evaluation of the response of yield to managements at different growing stages, which is challenging at the large scales because of the heterogeneity of plants and soils. Remote sensing technologies can plug this gap, and the purpose of this paper is to investigate the feasibility of using unmanned aerial vehicle (UAV) to evaluate the variation in winter wheat yield in response to change in nitrogen fertilization.【Method】Canopy spectral information of winter wheat under different nitrogen fertilizations was measured using a multispectral sensor mounted on a UAV at heading, flowering and filling stages, from which we extracted the vegetation indexes. Stepwise regression and random forest models were used to screen the optimal indexes for estimating the wheat yield.【Result】Combination of green (), blue (), modified soil-adjusted vegetation index 2 (2) and soil-adjusted vegetation index () at heading stage works best to predict the yield with low(Akaike Information Criterion) and2=0.65. Combination of excess green (), near infrared (), normalized difference index (),and modified soil-adjusted vegetation index 2 () at flowering stage is the best when using the random forest algorithm to predict the yield with lowand2=0.71. The random forest regression model using all vegetation features at filling stages gave the most accurate prediction of the yield with2=0.76, compared with2=0.76 when using,,, excess red (), normalized difference vegetation index (), ratio vegetation index () and normalized difference vegetation index () only. Prediction usingat heading stage,at flowering stage,at filling stage,at filling stage, and excess green-excess red () at filling stage predicted a yield with2=0.76. 【Conclusion】Combination of the vegetation indexes measured using multispectral sensors at different growing stages can predict the ultimate winter wheat yield, but the accuracy varies. Best results are achievable using a combination of different indexes measured at different growing stages.

multispectral; vegetation index; stepwise regression; random forest; yield prediction

1672 - 3317（2023）01 - 0024 - 07

S127

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022141

丁凡, 陳震, 李長(zhǎng)春, 等. 不同施氮處理下無(wú)人機(jī)光譜感知冬小麥產(chǎn)量[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(1): 24-30.

DING Fan, CHEN Zhen, LI Changchun, et al. Using Unmanned Aerial Vehicle to Evaluate the Effect of Nitrogen Fertilization on Winter Wheat Yield[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(1): 24-30.

2022-02-09

河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目（22IRTSTHN008）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41871333）

丁凡（1997-），男。碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)遙感長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與評(píng)估研究。E-mail: 212004020067@home.hpu.edu.cn

李長(zhǎng)春（1976-），男。教授，主要從事農(nóng)業(yè)遙感長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與評(píng)估研究。E-mail: lichangchun610@126.com

責(zé)任編輯：白芳芳