当前位置:首页>农业>RSE最新成果|中国农业大学曾也鲁团队:全新田间框架实现大豆冠层结构高精度反演GEE遥感训练营2026年6月14日 22:30 河北 1人

RSE最新成果|中国农业大学曾也鲁团队:全新田间框架实现大豆冠层结构高精度反演GEE遥感训练营2026年6月14日 22:30 河北 1人

  • 2026-10-19 09:19:37
RSE最新成果|中国农业大学曾也鲁团队:全新田间框架实现大豆冠层结构高精度反演GEE遥感训练营2026年6月14日 22:30 河北 1人

论文摘要

叶倾角(LIA)分布是表征冠层结构的核心特征,会影响植被光能利用效率与辐射传输过程。现有叶倾角测量方法精度较高,但难以实现大范围作业,致使农业与生态领域均出现表型检测瓶颈。本研究提出一套基于无人机摄影测量技术提取田间平均叶倾角(MLA)的完整技术框架。该框架主要包含三大核心步骤:一是采用深度学习超分辨率算法,将正射影像分辨率提升至0.28厘米/像素;二是基于U-Net网络开展语义分割,实现单叶精准轮廓提取,该分割模型准确率达0.93,F1分数为0.84,召回率0.84,精确率0.85;三是采用两种不同方案反演叶倾角,分别为基于点云的LIA_PC法与基于数字地表模型的LIA_DSM法,两种方法均结合随机抽样一致性算法完成平面拟合。以实地实测数据为真值进行验证,依托三维点云直接分析的LIA_PC法精度表现优异,决定系数R^2达0.94,均方根误差为1.74°;而LIA_DSM法计算效率更高,但精度相对偏低,其R^2为0.54,均方根误差达9.43°。此外,本研究证实了植被结构参数的实际应用价值:叶片朝向是决定叶片表观反射率的关键因素,会显著影响近红外波段与红边波段反射特征。研究结果表明,该技术框架可高效生成高空间分辨率的田间尺度平均叶倾角分布图。此方法能够大范围获取冠层结构定量化指标,可为生态、农业领域提供可规模化应用的技术手段。

关键图表

图 1.研究区与采样布设。(a) 试验样地在中国海南省的地理位置;(b) 无人机正射影像,展示大豆品种多样性试验田,其中红点为 31 个地面验证采样区的空间分布;(c) 试验大田实景,呈现大豆冠层生长状况。

图 2.无人机航飞任务与样区级数据处理。(a) 黄色线条为 30 米航高的全域飞行航线;蓝点为 15 米低空补充航摄区域(受场地安全限制,仅在场地西南角开展),该数据用于训练超分辨率生成对抗网络(SRGAN)。(b) 数据裁剪流程:L 型矢量边界为整个试验区的总感兴趣区(ROI);右侧为单个典型样地的点云与数字地表模型(DSM)提取示意图。
图 3.叶倾角高通量表型提取技术流程。整个流程分为四个依次执行的阶段:(1) 运动恢复结构(SfM)处理:利用运动恢复结构算法对原始无人机影像进行处理,生成基础数据集,包括密集点云、数字地表模型以及原始影像(低分辨率 RGB 正射影像)。(2) 超分辨率重建:采用 SRGAN 模型对原始影像进行增强,先将影像分块、逐块重建,再拼接得到超分辨率影像(高分辨率正射影像)。(3) 叶片分割:使用基于单叶片标注数据训练的 U-Net 模型处理超分辨率影像,提取叶片边界,输出分割结果(叶片矢量文件)。(4) 叶倾角提取:依托分割结果裁剪目标区域,分别采用基于数字地表模型和基于点云两套并行方法,结合随机抽样一致性算法(RANSAC)计算叶片倾角(LIA);统计单叶倾角平均值得到样地平均叶倾角(MLA),完成精度验证后开展全域制图。
图 4.基于三维点云计算叶片倾角的流程示意图。(a) 叠加在无人机正射影像上的分割后点云,展示整块样地内识别出的单叶片范围;(b) 叶片点云裁剪细节,依据单叶片边界提取对应点云,分别呈现俯视视角与侧视视角;(c) 基于点云提取叶片最大长度(Leaf_d_max),以此作为滤除同区域噪声的约束条件;(d) 结合天顶方向与叶片表面法向量,通过单叶片点云几何运算求解叶片倾角(Θ)。

图 5.基于数字地表模型(DSM)计算平均叶倾角(MLA)的流程示意图。(a) 所用数据层概念示意图,包含叶片分割矢量、无人机正射影像与数字地表模型;(b) 逐叶片裁剪数字地表模型的详细过程;(c) 从裁剪后的 DSM 栅格中提取中心点及其对应高程值;(d) 对提取的中心点进行平面拟合,根据拟合平面法向量与天顶方向的夹角,计算叶片倾角(Θ)。

图 6.影像重建前后分辨率对比。(a)–(c) 为原始大田无人机影像,局部放大后可见叶片边缘模糊,无法满足单叶片分割要求;(d)–(f) 为重建后影像,叶片轮廓与边缘清晰,可实现单叶片精准识别与分割。重建影像中出现少量蓝色杂点,是模型生成过程中蓝通道重建偏差所致,但并未影响后续叶片分割精度。

图 7.叶片分割效果目视对比。本图展示模型在不同场景下对单叶片的分割精度。每行依次为:(a) 原始高分辨率影像;(b) 人工标注的真实样本(大豆叶片真值图);(c) 模型输出的分割掩膜。图 (c) 中红色圆圈标注区域为分割效果不佳、需人工剔除的矢量边界。

图 8.两种平均叶倾角估算方法的性能评估。散点图对比估算平均叶倾角与实测平均叶倾角:(a) 基于数字地表模型的方法;(b) 基于点云的方法。虚线为 1:1 参考线;图上方与右侧的直方图展示数据分布;各方法均附上回归方程与决定系数(R²)、均方根误差(RMSE)等评价指标;子图底部为残差分布。

图 9.大豆样地平均叶倾角(MLA)与间隙率 G (0) 的空间分布及统计分析。全面分析大豆试验区两大冠层结构参数:(a)(b) 分别为基于俯视遥感数据(表征冠层上层)得到的平均叶倾角、间隙率 G (0) 空间分布,色阶体现数值空间差异,二者空间分布呈负相关;(c)(d) 为两项参数的概率密度统计分布,红色虚线代表均值,灰色阴影区域为一倍标准差范围。

图 10.单叶片视在反射率与太阳入射方向–叶片法向量夹角 (θsn) 的散点密度图。共分析四个光谱波段:(a) 近红外波段、(b) 红边波段、(c) 绿波段、(d) 红波段。研究采用角度等频分层抽样,最终得到 216324 组单叶片样本构建均衡数据集。所有波段中,单叶片视在反射率均与夹角 θsn 呈显著负相关(p<0.001),黑色虚线为普通最小二乘回归拟合曲线。

版权声明

声明:本推文仅用于学习交流,不做其他任何目的。若有侵权,请联系微信号:GeeStudy_2020删除或修改!论文doi链接:https://doi.org/10.1016/j.rse.2026.115411,点赞、收藏、关注!

最新文章

随机文章