1 引言
2 材料与方法
2.1 基于D3P的虚拟小麦LiDAR监测实验
表 1 嵌入D3P的小麦ADEL-Wheat模型参数设置范围Table 1 Parameter range of ADEL-Wheat model interagted in D3P |
参数描述 | 最小值 | 最大值 |
---|---|---|
种植密度(株/m2) | 270 | 300 |
分蘖数 | 2.5 | 5 |
叶热间距( ) | 60 | 140 |
叶片旋转(°) | -40 | 40 |
主茎最终叶片数量 | 10 | 12 |
第一个叶片长度(cm) | 3 | 8 |
拔节期前叶片增长(cm) | 0 | 3.5 |
拔节期后叶片增长(cm) | 2.5 | 4.5 |
分蘖相对于主茎倾斜角度(°) | 10 | 85 |
衰老开始时,主茎绿色叶片数量 | 3.5 | 6.5 |
拔节期开始时,主茎绿色叶片数量 | 1.5 | 3.5 |
旗叶拔出叶鞘出现的时候,主茎绿色叶片数量 | 3.5 | 6.5 |
表 2 D3P中LiDAR参数及其搭载平台Phenomobile田间移动参数设置Table 2 Settings of LiDAR sensor and the carrier platform Phenomobile in D3P |
系统 | 变量 | 数值 | 注释 |
---|---|---|---|
Phenomobile | 速度(m/s) | 30 | 行驶速度 |
开始和结束 位置(cm) | -50-50 | 沿行方向(X轴)移动 | |
高度(cm) | 200 | 相对于地面高度 | |
方位角(°) | 0 | 扫描方向垂直于行方向 | |
天顶角(°) | 0 | 视角垂直向下(沿Z轴负方向) | |
LiDAR | 角分辨率(°) | 0.2 | 每个角度一个扫描点 |
足迹宽度(mm) | 5 | 固定 | |
扫描频率(Hz) | 290 | ||
扫描范围(o) | 35 |
2.2 三维小麦场景FIPARdif、GAI和AIA的提取
2.3 LiDAR三维点云特征提取
2.4 冠层结构反演方法
3 结果与分析
3.1 小麦冠层结构和光截获的生育期动态
3.2 点云特征与各目标性状间关系
3.3 冠层结构和光截获估算精度
图 6 在中等测量噪音强度(10%)下目标性状(GAI、AIA和FIPAR)在不同特征输入(GF、H和GF+H)情况下的估算精度 Fig.6 Estimation accuracy for traits targeted (i.e., GAI, AIA, and FIPAR) with different inputs (i.e., GF, H, and GF+H) under moderate observation noise |
表 3 不同模型输入(GF,H,GF + H)和噪音程度(5%,10%,20%)情况下目标性状估算精度Table 3 Estimation accrucy for traits targtted under different input features(GF,H,GF+H) and noise levels(5%,10%,20%) |
目标 性状 | 噪音 特征 | R2 | RMSE | rRMSE | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5% | 10% | 20% | 5% | 10% | 20% | 5% | 10% | 20% | ||
GAI | GF | 0.55 | 0.51 | 0.42 | 1.7 | 1.79 | 1.94 | 4.26 | 4.6 | 4.53 |
H | 0.96 | 0.94 | 0.88 | 0.48 | 0.59 | 0.83 | 0.40 | 0.42 | 0.51 | |
GF+H | 0.97 | 0.95 | 0.83 | 0.34 | 0.47 | 0.89 | 0.17 | 0.25 | 0.43 | |
AIA | GF | 0 | 0 | 0 | 26.35 | 7.36 | 7.38 | 0.58 | 0.15 | 0.15 |
H | 0.13 | 0.00 | 0.00 | 6.17 | 6.78 | 6.78 | 0.12 | 0.13 | 0.13 | |
GF+H | 0.44 | 0.20 | 0.01 | 5.53 | 6.62 | 7.34 | 0.11 | 0.13 | 0.16 | |
FIPARdif | GF | 0.75 | 0.73 | 0.63 | 0.17 | 0.18 | 0.21 | 1.06 | 1.11 | 1.14 |
H | 0.98 | 0.97 | 0.96 | 0.05 | 0.05 | 0.06 | 0.22 | 0.24 | 0.29 | |
GF+H | 0.99 | 0.98 | 0.94 | 0.03 | 0.04 | 0.07 | 0.09 | 0.14 | 0.27 |