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王毅1, 薛蓉1, 韩文霆2(), 邵国敏3, 侯艳巧1, 崔茜彤1
收稿日期:
2024-12-01
出版日期:
2025-06-27
基金项目:
作者简介:
王 毅,博士,讲师,研究方向为农情信息空天地一体化智能感知与精准作业技术。E-mail:wang_yi@xaufe.edu.cn
通信作者:
WANG Yi1, XUE Rong1, HAN Wenting2(), SHAO Guomin3, HOU Yanqiao1, CUI Xitong1
Received:
2024-12-01
Online:
2025-06-27
Foundation items:
Shaanxi Province Natural Science Basic Research Program(2022JQ-363); Shaanxi Provincial Social Science Foundation Program(2021R022); Shaanxi Provincial Key Research and Development Program(S2024-YF-ZDCXL-ZDLNY-0158)
About author:
WANG Yi, E-mail: wang_yi@xaufe.edu.cn
Corresponding author:
摘要:
[目的/意义] 玉米地上生物量(Above Ground Biomass, AGB)反映了玉米的生长状况,但其形成受多种动态因素的影响,导致AGB在空间和时间上的变化较为复杂。因此,本研究引入卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)、长短期记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM)和自注意力机制(Self-Attention, SA)结合的模型架构,用于估算田间尺度的玉米AGB。 [方法] 首先,利用该架构构建CNN-LSTM-SA优化模型。分析影响因子与玉米AGB之间的皮尔逊相关系数,并通过递归特征消除法确定模型的最佳输入特征。其次,使用局部可解释模型无关解释方法对单个样本进行解释。最后,通过消融实验,探讨引入CNN和SA对CNN-LSTM-SA模型的影响,并与随机森林(Random Forest, RF)和支持向量机(Support Vector Machine, SVM)模型进行对比。 [结果和讨论] CNN-LSTM-SA模型的决定系数(R2)为0.92,均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)和平均绝对误差(Mean Absolute Error, MAE)为107.53 g/m2和55.19 g/m2,优于单一类型的LSTM模型、CNN-LSTM模型和LSTM-SA模型。同时,在各项指标上比RF模型和SVM模型效果更好。 [结论] 该模型从时空角度出发,提升了玉米AGB估算的准确性,具有可解释性。该研究为作物AGB的动态建模提供了思路与方法,具有一定参考价值。
中图分类号:
王毅, 薛蓉, 韩文霆, 邵国敏, 侯艳巧, 崔茜彤. 基于CNN-LSTM-SA的玉米地上生物量估算[J]. 智慧农业(中英文), doi: 10.12133/j.smartag.SA202412004.
WANG Yi, XUE Rong, HAN Wenting, SHAO Guomin, HOU Yanqiao, CUI Xitong. Estimation of Corn Aboveground Biomass Based on CNN-LSTM-SA[J]. Smart Agriculture, doi: 10.12133/j.smartag.SA202412004.
表1
2019年实验区实际灌溉量与降雨量
水分处理区域 | 快速生长期(DAP: 30—73d) | 生长中期(DAP: 74—104d) | 生长后期(DAP: 105—125d) | |||||||
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灌溉量/mm | 降雨量/mm | 总量/mm | 灌溉量/mm | 降雨量/mm | 总量/mm | 灌溉量/mm | 降雨量/mm | 总量/mm | ||
T1 | 56.0 | 19.6 | 75.6 | 68.3 | 94.2 | 162.5 | 12.0 | 0 | 12.0 | |
T2 | 36.4 | 19.6 | 56.0 | 56.3 | 94.2 | 150.5 | 7.8 | 0 | 7.8 | |
T3 | 22.4 | 19.6 | 42.0 | 64.6 | 94.2 | 158.8 | 9.6 | 0 | 9.6 | |
T4 | 36.4 | 19.6 | 56.0 | 46.8 | 94.2 | 141.0 | 7.8 | 0 | 7.8 | |
T5 | 22.4 | 19.6 | 42.0 | 51.3 | 94.2 | 145.5 | 4.8 | 0 | 4.8 |
表2
无人机图像采集系统主要参数表
无人机系统 | 主要参数 | 参数值 |
---|---|---|
无人机可见光图像采集系统 | 重量/g | 1388 |
飞行时间/min | 30 | |
通行半径/km | 5 | |
飞行速度/km/s | <72 | |
像素 | 5 472×3 648 | |
焦距/mm | 8.8/24 | |
视场角/(°) | 84 | |
传感器 | 1英寸CMOS | |
RGB颜色空间 | sRGB | |
ISO范围 | 100~12 800 | |
快门速度/s | 8~1/8 000 | |
图像格式 | JPEG、DNG | |
无人机多光谱图像采集系统 | 轴距/mm | 900 |
起飞重量/kg | 6 | |
载重/kg | 2 | |
飞行时间/min | 18 | |
通信半径/km | 3 | |
飞行速度/(m/s) | 5 | |
搭载相机 | MicaSense RedEdge-M | |
像素 | 1 280×960 | |
数据格式 | 12位Raw | |
光谱波段 | 蓝、绿、红、近红外、红边 | |
焦距/mm | 9.6 | |
视场角/(°) | 47.2 |
表4
玉米AGB估算中使用的主要植被指数及其计算公式
植被指数 | 公式 |
---|---|
归一化差值植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI )[ | (1) |
土壤调整植被指数(Soil Adjusted Vegetation Index, SAVI)[ | (2) |
增强型植被指数(Enhanced Vegetation Index, EVI)[ | (3) |
改进型叶绿素吸收植被指数(Transformed Chlorophyll Absorption In Reflectance Index,TCARI)[ | (4) |
绿度归一化植被指数(Green Normalized Difference Vegetation Index, GNDVI)[ | (5) |
抗大气指数(Visualized Atmospheric Resistance Index, VARI)[ | (6) |
比值植被指数(Simple Ratio, SR)[ | (7) |
归一化差异红边指数(Normalized Difference Red Edge Index, NDRE)[ | (8) |
标准化差值红边指数(Improved Normalized Difference Red Edge Index, NDERI)[ | (9) |
改进的叶绿素吸收反射指数(Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index, MCARI)[ | (10) |
表8
不同特征参数组合下CNN-LSTM-SA模型性能的评价指标对比
特征参数 | R 2 | RMSE/( g/m2) | MAE/( g/m2) |
---|---|---|---|
H,LAI,Tc,RH,Rn,U2,EVI,GNDVI,NDVI,TCARI,SR,NDREI,MCARI | 0.89 | 129.38 | 65.99 |
H,LAI,Tc,RH,Rn,EVI,GNDVI,NDVI,TCARI,SR,NDREI,MCARI | 0.92 | 107.53 | 55.19 |
H,LAI,Tc,Rn,EVI,GNDVI,NDVI,TCARI,SR,NDREI,MCARI | 0.88 | 134.06 | 76.01 |
H,LAI,Tc,Rn,EVI,GNDVI,NDVI,SR,NDREI,MCARI | 0.83 | 161.46 | 89.76 |
H,LAI,Tc,Rn,GNDVI,NDVI,SR,NDREI,MCARI | 0.81 | 170.03 | 92.41 |
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