精准农业是现代农业提质增效、实现可持续发展的核心方向,产量预测作为其关键环节,可为水肥管理、收获规划与产业决策提供重要依据。传统作物产量模型如WOFOST、DSSAT 等,依赖大量预设参数与复杂生理过程模拟,难以适配动态环境下的非线性响应;常规机器学习方法虽能捕捉非线性关系,但需人工构建 NDVI、LAI 等光谱指数,易丢失无人机遥感图像原始空间特征信息。遥感技术是农田信息获取的重要手段,卫星遥感覆盖范围广但空间分辨率不足,无人机多光谱遥感则具备高时空分辨率优势,更适配小农户与地块尺度监测。气象因素是影响棉花生长与产量的关键变量,尤其花铃期极端高温、降水波动会显著干扰棉铃发育,然而现有基于 CNN 的无人机遥感模型,大多仅采用单模态图像数据,未充分融合气象信息,且复杂网络结构在小样本场景易出现过拟合问题,Transformer 模型又因计算复杂度高,难以满足高分辨率数据实时处理需求。
本研究以新疆昌吉棉花种植区为对象,聚焦棉花产量精准预测难题,构建融合无人机多光谱影像与气象数据的多模态深度学习框架。研究旨在优化CNN 特征提取结构与全连接层深度,明确气象数据融合方式对模型性能的影响,对比 AlexNet 与轻量化 2Conv CNN 的预测精度与计算效率;同时验证花铃期后周尺度气象数据融合的有效性,提升模型对田间时空异质性与气候胁迫的刻画能力,最终形成一套兼顾精度与效率的棉花产量预测方案,为小尺度农田精准管理与多源时空数据融合应用提供技术支撑。
研究内容:
本研究以新疆昌吉棉花种植区为研究区,于2023—2024 年开展田间试验,采集棉花花铃期无人机多光谱影像与地面实测产量数据,获取温度、降水、太阳辐射等逐日常规气象信息并按周、月尺度聚合。构建融合无人机遥感与气象数据的多模态深度学习模型,设置两种 CNN 特征提取结构(改进 AlexNet、轻量化 2Conv CNN)、三种全连接层深度与三种气象融合策略,共 18 组模型组合进行对比。
通过5 折交叉验证与 Z-score 标准化,采用 RMSE、R²、RMSPE 评估模型精度,结合方差分析与事后检验明确网络结构、气象数据类型对性能的影响。对比最优模型的预测精度、计算效率与空间分布稳定性,解析花铃期极端高温等关键气象因子对产量的调控效应。分析轻量化网络在小样本下的泛化能力,验证周尺度气象 late fusion 策略的优势,揭示多模态数据协同提升产量预测的机理,最终形成适用于田间实时监测的高效预测方案。
研究结论: