基于无人机遥感的玉米株高株数提取方法研究

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在玉米生长周期内,准确、快速地获取玉米株高和株数能够更好地掌握玉米生长信息,对于发展精准农业起着至关重要的作用。无人机能够为大范围农情信息的快速、准确、动态监测提供重要技术手段,有效弥补地面调查的部分缺陷。因此,利用无人机遥感技术快速、精准和大范围地监测玉米株高、株数信息,对其长势监测及产量预测具有重要意义。通过无人机获取大面积、高精度的玉米数字正射影像(Digital Orthophoto Map,DOM)和数字表面模型(Digital Surface Model,DSM)进行株高和株数的提取方法研究,并与实测数据进行对比分析和精度评价,最后建立一个较为完备的玉米株高、株数提取方案。主要研究内容及成果如下:(1)玉米株高提取方法。分别利用K-means算法、遗传神经网络算法和骨架算法提取DOM影像中的玉米植株区域,通过制作掩膜与DSM数据进行叠加提取玉米植株高度信息。与实测株高数据进行对比,3种方法的R2分别为0.853、0.877、0.923,RMSE分别为15.886cm、14.519cm、11.493cm,MAE分别为13.743cm、11.884cm、8.927cm。实验证明,结合DOM和DSM可以较好地提取营养生长阶段的玉米高度。与K-means算法、遗传神经网络算法相比,基于骨架算法的玉米株高提取方法具有更高的精度(R2=0.923,RMSE=11.493cm,MAE=8.927cm)。(2)玉米株数提取方法。分别利用阈值法、Harris角点检测算法提取DOM影像中的玉米株数信息。通过K-means算法和遗传神经网络算法分别提取玉米植株区域,结合阈值法提取株数信息;通过骨架算法提取玉米植株骨架,结合Harris角点检测算法提取株数信息。与目视解译株数进行对比,3种方法的准确率分别为95.94%、96.24%、97.49%,目视解译与影像中提取的结果分别相差42株、39株、26株,相同区域个数分别为12个、9个、24个。实验证明,从无人机DOM影像中可以提取出玉米实验区内的具体数目。与阈值法相比,通过Harris角点检测算法提取玉米株数精度更高,效果更稳定,对于多株粘连的情况下提取株数有良好适应性。而通过骨架算法提取玉米植株骨架后,结合加入高斯滤波器的Harris角点检测算法进行株数提取,避免了多次去除骨架上毛刺分叉的操作,节省时间且效果稳定。(3)基于(1)(2)研究得到一个精确度较高、简单稳定的株高、株数提取方案。利用骨架算法提取DOM影像中的玉米植株骨架,通过制作掩膜与DSM影像进行叠加可以提取玉米高度信息;提取的玉米植株骨架结合加入高斯滤波器的Harris角点检测算法可以提取玉米株数信息。经实验验证,本方案准确率较高且效果稳定,能为大范围玉米育种过程中提取株高、株数提供快速、有效的手段,极大地解放人力,推动精准农业的发展。
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