王夢迪，何 莉，劉 潛，李志娟，王 冉，賈中甫，王敬哲，鄔國峰，石鐵柱

基于小麥冠層無人機(jī)高光譜影像的農(nóng)田土壤含水率估算

王夢迪1，何 莉2，劉 潛1，李志娟3，王 冉3，賈中甫3，王敬哲4，鄔國峰1，石鐵柱1※

（1. 深圳大學(xué)自然資源部大灣區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室&廣東省城市空間信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室&深圳市空間信息智能感知與服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060；2. 深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，深圳 518060；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)測繪地理信息中心，呼和浩特 010020；4. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院人工智能學(xué)院，深圳 518055）

精準(zhǔn)監(jiān)測農(nóng)田土壤含水率（soil moisture content，SMC）有助于提高中國水資源利用率以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平，為實(shí)現(xiàn)國家農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了探索基于無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的土壤含水率監(jiān)測的方法，該研究選取新疆阜康綠洲田塊為研究區(qū)，使用無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）高光譜傳感器采集田塊尺度小麥冠層光譜信息，進(jìn)行SMC定量估算和制圖。對小麥冠層光譜進(jìn)行savitzky-golay（SG）平滑，利用7種不同的小波基函數(shù)（bior4.4、coif4、db4、fk14、haar、rbio3.9、sym4）對光譜信息進(jìn)行連續(xù)小波變換（continuous wavelet transform，CWT）處理，并采用遺傳算法（genetic algorithm, GA）對小波系數(shù)進(jìn)行特征提取，最后結(jié)合偏最小二乘回歸（partial least square regress，PLSR）、支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）、隨機(jī)森林（radom forest，RF）以及極端梯度提升（extreme gradient boosting，XGBoost）估算SMC并實(shí)現(xiàn)其空間制圖。結(jié)果表明：基于GA的特征波段選擇方法可有效提高SMC的估算精度。使用全波段小波系數(shù)構(gòu)建模型的決定系數(shù)2在0.20～0.44之間，而使用特征小波系數(shù)的2為0.25～0.82。與其他小波基函數(shù)相比，采用db4特征小波系數(shù)的估算精度最優(yōu)，PLSR、SVM、ANN、RF和XGBoost模型估算SMC的2分別為0.82、0.72、0.79、0.76和0.45。基于PLSR和ANN最優(yōu)模型進(jìn)行SMC空間制圖，基于CWT和機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合模型能夠有效估算小田塊尺度SMC。該研究基于無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了SMC精確估算，為農(nóng)田尺度SMC監(jiān)測提供了有效手段。

土壤含水率；無人機(jī)；高光譜；連續(xù)小波變換；遺傳算法

0 引 言

作為農(nóng)業(yè)監(jiān)測的重要指標(biāo)之一，土壤含水率（soil moisture content，SMC）對于評估土壤墑情、農(nóng)作物生長狀況和產(chǎn)量具有指導(dǎo)性作用。在作物的生長過程中，SMC過低會(huì)導(dǎo)致土地硬化，進(jìn)而影響農(nóng)作物對水分以及養(yǎng)分的吸收[1]。同時(shí)，由于中國農(nóng)業(yè)水資源利用率不高[2]，尤其在中國西北部干旱區(qū)，精確獲取綠洲農(nóng)田SMC信息對于加強(qiáng)綠洲生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

傳統(tǒng)的SMC監(jiān)測基于烘干法、中子儀測定法、γ射線法等[3]，該類方法單點(diǎn)測定精度高，但需耗費(fèi)大量的人力物力及時(shí)間資源，且無法提供連續(xù)的SMC空間表面信息。由于實(shí)時(shí)性、無損性以及非接觸性等特點(diǎn)，可見光近紅外遙感（visible and near-infrared，VIS-NIR）[4]和微波遙感[5]等為SMC監(jiān)測提供了有效手段。微波輻射能夠穿透土壤達(dá)到與波長相關(guān)的深度，但其分辨率相對VIS-NIR傳感器較差[6]，無法滿足數(shù)字土壤制圖日益精細(xì)化的需求。而高光譜傳感器能夠提供更高的光譜保真度，能夠有效解決SMC容易受到蒸發(fā)蒸騰影響帶來的監(jiān)測誤差[7]。干旱地區(qū)特殊的地理環(huán)境導(dǎo)致SMC具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性。而衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相對較低的空間分辨率無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)監(jiān)測田塊尺度SMC，提供精細(xì)化的空間尺度信息。相比衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)，無人機(jī)平臺(tái)具有更高的空間分辨率，且簡單高效、操作靈活，其可搭載高光譜傳感器獲取更為豐富的光譜信息，能夠提供比衛(wèi)星遙感技術(shù)更加精細(xì)的空間分辨率和光譜分辨率[8]，適合田塊尺度精細(xì)化監(jiān)測，在精準(zhǔn)獲取農(nóng)業(yè)信息方面已被廣泛研究和應(yīng)用[9]，無人機(jī)高光譜已成為數(shù)字土壤制圖中重要的數(shù)據(jù)源。然而，無人機(jī)在數(shù)據(jù)采集過程中，易受飛行姿態(tài)、天氣條件的干擾，且在植被覆蓋時(shí)無法直接獲取到土壤表面光譜信息。而目前暫無一套適用于植被覆蓋條件下對SMC進(jìn)行預(yù)測的無人機(jī)高光譜影像數(shù)據(jù)處理流程與方法。研究表明[10]，高光譜成像的部分特征波段可用于根據(jù)脫水對葉片色素特征的影響間接評估植物的水分狀況。而僅有少量學(xué)者基于植被指數(shù)方法基于無人機(jī)植被冠層光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤含水率的估算研究。因此，有必要進(jìn)一步探索利用無人機(jī)高光譜獲取的植被冠層信息估算SMC的方法。

高光譜數(shù)據(jù)具有豐富的波段信息，能夠提供更為細(xì)致的光譜信息用來反映地物理化特性，但是同時(shí)也存在著噪聲、信息高度冗余、吸收特征重疊等問題。作為強(qiáng)力有效的信號(hào)處理工具，小波變換（wavelet transform，WT）被證明可用于特征增強(qiáng)與提取[11]，已被廣泛應(yīng)用于基于遙感數(shù)據(jù)的葉面積指數(shù)估算[12]、作物病蟲害監(jiān)測[13]和土壤重金屬反演[14]等中，并表現(xiàn)出出色的增強(qiáng)光譜信息的能力。利用WT增強(qiáng)SMC光譜特征的微弱吸收峰，能夠在一定程度上分離重疊的吸收特征[15]，對高光譜信息進(jìn)行連續(xù)小波變換（continuous wavelet transformation，CWT）也能夠增強(qiáng)理化參數(shù)的特征信息[16]。

高光譜數(shù)據(jù)存在波段數(shù)眾多、信息冗余度高的問題，可通過特征波段提取解決此類問題。目前，常用的特征提取方法主要有相關(guān)系數(shù)法、主成分分析法和連續(xù)投影法等。與這些常用的方法相比，遺傳算法（genetic algorithm，GA）[17]提供了一種更為簡單高效的數(shù)據(jù)建模方法，且保留了原始光譜變量的物理意義。GA以種群為目標(biāo)在全局尺度上進(jìn)行特征波長的選取，在極大程度上保持目標(biāo)光譜在全域波段的完整性，避免了在特征選取過程中由于部分過于敏感的特征波段的影響而忽視了全局優(yōu)化的情況，能夠使模型更加穩(wěn)定。遺傳算法結(jié)合最小二乘法進(jìn)行光譜特征波段選取是近幾年的研究熱點(diǎn)。LIU等[18]驗(yàn)證采用基于GA的反向傳播（back propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸進(jìn)行SMC預(yù)測在準(zhǔn)確率方面優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸。NGUYEN等[19]在利用極端梯度提升模型（extreme gradient boosting，XGBoost）進(jìn)行SMC預(yù)測時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)合GA進(jìn)行最佳波段選擇能夠表現(xiàn)出更高的預(yù)測精度。因此，WT與GA相結(jié)合的方法應(yīng)用于無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)，可綜合二者的優(yōu)勢，在提升SMC預(yù)測精度的同時(shí)降低計(jì)算復(fù)雜度，提高模型的魯棒性。而目前，幾乎沒有將WT與GA相結(jié)合的研究，故有必要探索WT與GA在SMC數(shù)字土壤制圖方面的潛力。

機(jī)器學(xué)習(xí)方法常被用于構(gòu)建SMC估算模型。如ADAB等[20]利用可見光近紅外高光譜數(shù)據(jù)比較了支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測SMC上的能力。但由于不同數(shù)據(jù)預(yù)處理方法以及土壤質(zhì)地和氣候環(huán)境等外部因素的影響，不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在各研究中呈現(xiàn)不同程度的精度結(jié)果。因此有必要基于無人機(jī)植被冠層高光譜影像數(shù)據(jù)，探討GA結(jié)合CWT在不同機(jī)器學(xué)習(xí)方法下估算SMC的效果。

綜上，為利用UAV遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的土壤含水率監(jiān)測，該研究基于UAV高光譜影像，探討基于農(nóng)作物冠層光譜反演SMC的可行性，旨在：1）建立一套適用于UAV高光譜影像的處理流程和方法；2）評估CWT結(jié)合GA算法提取適宜SMC反演的特征信息的效果；3）分析不同機(jī)器學(xué)習(xí)算法估算SMC的空間分布特征，以期為干旱區(qū)綠洲農(nóng)田土壤水含量狀況監(jiān)測以及農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)概況

本研究選取的地塊位于中國新疆維吾爾族自治區(qū)阜康市的荒漠-綠洲過渡帶（87°51'15″E，44°21'14″N）。該田塊屬溫帶大陸性荒漠氣候區(qū)，北部為古爾班通古特沙漠。研究區(qū)全年降水主要集中于冬春季，普遍在150 mm以下，年蒸發(fā)量大于2 000 mm。研究區(qū)的主要土壤類型為灰棕漠土和風(fēng)沙土，土壤有機(jī)質(zhì)含量和含水率低。研究區(qū)內(nèi)種植作物為一年一熟的冬小麥。該田塊長度為220 m，寬度為130 m，總面積為2.72 hm2（圖1）。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布

1.2 UAV高光譜數(shù)據(jù)采集

本研究使用DJI Matrice 600 Pro六旋翼無人機(jī)搭載Headwall公司Nano-Hyperspec高光譜成像儀獲取研究區(qū)的高光譜影像數(shù)據(jù)（圖2）。Nano-Hyperspec是集成光譜儀和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的高光譜傳感器，同時(shí)集成了GPS/IMU（inertial measurement unit）慣導(dǎo)系統(tǒng)，可以同步獲取UAV的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息。傳感器的波段范圍是紅外/近紅外波段（400～1 000 nm），包括270個(gè)光譜通道，光譜采樣間隔低于2.4 nm/像素，光譜分辨率在20 μm狹縫時(shí)低于6 nm。飛行器處于100 m航高下，Nano-Hyperspec高光譜傳感器焦距12 mm可獲取空間分辨率約為4 cm的高光譜影像，像素為640×480。為確保數(shù)據(jù)的真實(shí)客觀性，試驗(yàn)組首先確認(rèn)野外作業(yè)前5天內(nèi)無降水與人工干擾，并于2018年4月17日（冬小麥返青期）北京時(shí)間15:00進(jìn)行了UAV高光譜數(shù)據(jù)的采集工作。在無人機(jī)起飛前需要對傳感器進(jìn)行暗電流校正和白板校正，飛行時(shí)天氣晴朗且無大風(fēng)影響，具有良好視野。數(shù)據(jù)采集完成后使用HyperspecⅢ及Headwall Spectral View軟件進(jìn)行幾何校正及正射校正數(shù)據(jù)預(yù)處理。為減少原始高光譜數(shù)據(jù)的噪聲，本研究采用savitzky-golay（SG）濾波平滑處理后的影像作為基礎(chǔ)影像，設(shè)SG濾波平滑為2階多項(xiàng)式及5點(diǎn)移動(dòng)平均。本研究中的SG處理均在MATLAB R2016b中進(jìn)行。

圖2 無人機(jī)飛行平臺(tái)搭載高光譜傳感器

1.3 SMC樣本采集

在高光譜數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，在目標(biāo)田塊中均勻選取70個(gè)0.5 m×0.5 m的采樣單元，使用GPS（LT500T，CHC Navigation Technology Co. Ltd. Shanghai，China）記錄采樣點(diǎn)位置，精度約為1 m。以各個(gè)采樣單元中的小麥植株為中心點(diǎn)進(jìn)行4點(diǎn)采樣，從表層去除植物殘留物和礫石等雜物，從植株中心樣方的4個(gè)角采集4個(gè)0～10 cm土壤樣品并徹底混合，并放置于鋁盒中密封保存。完成土壤樣本原始質(zhì)量記錄后，對70份樣本進(jìn)行熱重分析測量土壤樣本無水分質(zhì)量，在105 ℃烘箱中進(jìn)行48 h烘干，并計(jì)算SMC。

1.4 光譜處理與SMC建模方法

1.4.1 連續(xù)小波變換增強(qiáng)光譜特征信息

式中代表波長（400～1 000 nm），為縮放因子或稱膨脹因子，為平移因子。

式中()代表反射光譜，。在研究應(yīng)用中，須以實(shí)際情況對和的值進(jìn)行設(shè)置。本研究中，是波長從2 00 nm到1 000 nm的偏移量。

本研究選取7種小波基函數(shù)（bior4.4、coif4、db4、fk14、haar、rbio3.9和sym4）分別對冬小麥的冠層光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)小波變換。其中正交小波基函數(shù)coif4、db4、fk14、haar和sym4具有良好的局部化特征，能夠有效處理和分析微弱或突變的信號(hào)。雙正交小波基函數(shù)bior4.4和rbio3.9具有非線性相位及對偶性特征，能夠使生成的小波系數(shù)更加有規(guī)律，具有較好的平滑效果。除haar小波基函數(shù)外，其他正交小波基函數(shù)并不存在對稱性。本文對所得到的9層分解尺度小波系數(shù)與SMC實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，并利用顯著性相關(guān)水平確定最優(yōu)CWT尺度。

1.4.2 GA遺傳算法提取特征波段

采用遺傳算法對7種小波基函數(shù)最優(yōu)CWT尺度的小波系數(shù)進(jìn)一步提取特征波段。遺傳算法是基于達(dá)爾文自然進(jìn)化學(xué)說中的自然選擇與遺傳學(xué)機(jī)理，模擬生物自然進(jìn)化過程的計(jì)算模型[22]。它基于種群搜索算法，同時(shí)對群體目標(biāo)中的多個(gè)個(gè)體進(jìn)行篩選，通過多次更迭，極大程度地降低局部最優(yōu)解的風(fēng)險(xiǎn)。研究設(shè)置GA的初步種群大小為64，窗口寬度為1，初始變量集為10%，突變率為0.5%。并采用隨機(jī)交叉驗(yàn)證，以均方根誤差作為適應(yīng)度函數(shù)來防止過擬合。當(dāng)模型的適應(yīng)度函數(shù)迭代達(dá)到一定次數(shù)時(shí)程序終止。在每次運(yùn)行結(jié)束時(shí)，選定最佳染色體變量。為確保得到穩(wěn)定可靠的結(jié)果，對數(shù)據(jù)重復(fù)執(zhí)行 5 次，并對入選的波段及其頻率進(jìn)行累計(jì)，根據(jù)累計(jì)頻率均值進(jìn)行特征波段的提取。

1.4.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的建模方法

基于遺傳算法提取的特征小波系數(shù)，采用以下5種機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建SMC估算模型，并與基于全波段小波系數(shù)的模型結(jié)果進(jìn)行對比分析：1）偏最小二乘回歸（partial least square regress，PLSR），該方法集主成分分析以及典型相關(guān)分析等傳統(tǒng)分析模型為一體，能夠在一定程度上解決數(shù)據(jù)非正態(tài)分布、因子結(jié)構(gòu)不確定性等問題。在防止過擬合的前提下，本研究通過交叉驗(yàn)證的均方根誤差來進(jìn)行潛在變量最優(yōu)數(shù)量選擇[23]。2）支持向量機(jī)（support vector machine，SVM），是DRUCKER[24]基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)提出的，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的局部極小值問題有著較好的優(yōu)勢。本研究中SVM的核函數(shù)使用高斯徑向基函數(shù)[25]；epsilon設(shè)置為1.0、0.1、0.01以控制決策邊界的寬度；gamma設(shè)置為以對數(shù)均勻分布在10-6～10之間的15個(gè)值，其作用為用于定義高斯函數(shù)寬度的調(diào)優(yōu)參數(shù)；cost則為每個(gè)支持向量的影響，設(shè)為以對數(shù)均勻分布在0.001～100之間的11個(gè)值[26]。3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN），這是現(xiàn)階段廣泛使用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法之一，并在眾多機(jī)器學(xué)習(xí)算法中有著相對較好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。本研究使用基于反向傳播BP（backpropagation）的前饋多層感知機(jī)（multilayer perceptron，MLP）[27]，通過連續(xù)更新或訓(xùn)練權(quán)值來減小估算誤差。設(shè)學(xué)習(xí)率為0.125，學(xué)習(xí)周期為20，學(xué)習(xí)周期首次訓(xùn)練持續(xù)時(shí)間由學(xué)習(xí)率決定，后續(xù)每個(gè)學(xué)習(xí)周期的訓(xùn)練持續(xù)時(shí)間為前一輪的2倍。4）隨機(jī)森林（radom forest，RF），它是一種基于回歸樹的集成學(xué)習(xí)算法，在2001年被BREIMAN等[28]提出，并被認(rèn)為是現(xiàn)階段最準(zhǔn)確的回歸預(yù)測方法之一。RF可以通過減少過度學(xué)習(xí)和過度擬合來提高性能，相較于傳統(tǒng)的單樹模型更加穩(wěn)定[29]。本研究設(shè)置最大的弱學(xué)習(xí)器的個(gè)數(shù)為250，決策樹最大深度為100，并采用袋外樣本進(jìn)行模型好壞的評估。5）極端梯度提升（extreme gradient boosting，XGBoost），該方法基于CHEN等[30]提出的梯度提升算法，通過使用更正則化的模型，形式化更好地控制過度擬合。XGBoost將弱分類器集成到強(qiáng)分類器中，并迭代生成新的樹以適應(yīng)先前樹的殘差。本研究經(jīng)過多次調(diào)參設(shè)置學(xué)習(xí)率為0.07，指定樹的最大深度為6，隨機(jī)數(shù)種子為45。

為了更好地提高驗(yàn)證精度，充分使用樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，防止由于建模集或驗(yàn)證集數(shù)量較少引起的偏差，在模型估算精度驗(yàn)證階段采用留一法交叉驗(yàn)證。本研究采用決定系數(shù)（2）和均方根誤差（MSE）進(jìn)行模型精度評價(jià)，其計(jì)算式見文獻(xiàn)[31-32]。

本研究使用最小距離分類法對原始高光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行植被像素的掩膜提取，剔除裸土像素。選取最優(yōu)估算模型實(shí)現(xiàn)SMC空間分布制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率及其光譜特征

研究區(qū)土壤樣本SMC分布如圖4所示，其平均值為25.15 g/kg，中位數(shù)為23.97 g/kg，最大值為37.63 g/kg，最小值為16.54 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.81 g/kg，變異系數(shù)為19.14%。Shapiro-Wilk (SW)正態(tài)分布檢驗(yàn)表明，SW=0.96，<0.01，表明SMC實(shí)測值整體呈非正態(tài)分布。

圖3 土壤含水率分布直方圖

為了直觀呈現(xiàn)樣本點(diǎn)SMC與冠層光譜響應(yīng)特征之間的關(guān)系，本研究將樣本點(diǎn)SMC均分為4個(gè)不同梯度并選取各梯度中SMC中位值的樣本點(diǎn)進(jìn)行小麥冠層反射率示例，圖4所示為4個(gè)不同梯度的小麥冠層反射率曲線。反射率曲線在綠波段（550 nm附近）有一個(gè)明細(xì)的反射峰，光譜曲線呈現(xiàn)明顯的植被光譜曲線特征。隨著含水率的增高，冠層光譜在400～750 nm可見光區(qū)域反射率也會(huì)隨著增高。在紅邊位置，含水率低于26 g/kg時(shí)，小麥冠層的反射率曲線則有著較大的斜率。

注：SMC是土壤含水率。

2.2 基于連續(xù)小波變換結(jié)果確定最優(yōu)小波分解尺度

為了明確不同小波基函數(shù)的最優(yōu)分解尺度，對不同基函數(shù)的小波系數(shù)與SMC實(shí)測值進(jìn)行相關(guān)性分析。表1為不同分解尺度下小波系數(shù)與SMC間相關(guān)性通過0.01水平顯著性檢驗(yàn)的波段數(shù)結(jié)果。隨著分解尺度的遞增，haar函數(shù)的小波系數(shù)在0.01水平上顯著的波段數(shù)也呈現(xiàn)遞增趨勢。其他小波基函數(shù)多數(shù)是在第4～6層分解尺度上呈顯著性相關(guān)的波段數(shù)目最少。根據(jù)0.01水平上顯著的波段數(shù)目，確定db4、coif4和fk14函數(shù)最優(yōu)小波分解尺度為1尺度；sym4、bior4.4、haar和rbio3.9函數(shù)的最優(yōu)小波分解尺度為9。

表1 通過小波系數(shù)與SMC相關(guān)分析顯著性檢驗(yàn)的波段數(shù)

2.3 遺傳算法篩選出特征波段

利用GA算法，基于最優(yōu)小波分解尺度的7種小波系數(shù)，分別選擇出16（bior4.4）、 20（coif4）、19（db4）、24（fk14）、30（haar）、27（rbio3.9）、23（sym4）個(gè)特征小波系數(shù)（表 2）。rbio3.9、haar以及coif的特征信息主要集中在400～550，600～800 以及950～1 000 nm；fk14和bior4.4則是在450 nm以及600～800 nm集中，在其他波段并無明顯斷層式分布。db4函數(shù)在500～700 nm出現(xiàn)明顯的高頻段，其他波段相比之下分布比較均勻。7個(gè)小波基函數(shù)均在800～900 nm波段出現(xiàn)了明顯的斷層或者是稀疏分布，而在400～500 nm以及600～800 nm分布最為密集?？傮w而言，GA篩選得到的特征小波系數(shù)集中于藍(lán)色波段（420～490 nm）、紅色波段（680～780 nm）以及近紅外波段（890～1 000 nm）。

表2 遺傳算法提取的主要特征波段統(tǒng)計(jì)

2.4 基于不同機(jī)器學(xué)習(xí)模型的SMC估算結(jié)果對比

基于GA選擇的特征小波系數(shù)，構(gòu)建PLSR，SVM，ANN，RF和XGBoost模型，并與基于全波段小波系數(shù)的估算模型精度進(jìn)行對比，留一法交叉驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，使用全波段小波系數(shù)構(gòu)建模型的精度2在0.20～0.44之間，而使用特征小波系數(shù)的2為0.25～0.82。基于全波段構(gòu)建的SMC估算模型中，基于PLSR和ANN模型的估算精度決定系數(shù)2為0.20～0.42。SVM和XGBoost在db4、fk14和haar小波基函數(shù)下有著相對較好表現(xiàn)。RF則在db4和haar小波基函數(shù)上相比其他小波基函數(shù)精度明顯更好且精度高于其他機(jī)器學(xué)習(xí)模型。但基于全波段小波系數(shù)的估算結(jié)果整體較差。以經(jīng)過GA算法篩選后得到的特征波段所對應(yīng)的小波系數(shù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)模型的輸入變量構(gòu)建的模型精度有明顯提高，PLSR和ANN模型的2均在0.49及以上，基于db4小波基函數(shù)的2分別達(dá)到0.82和0.79，MSE分別達(dá)到2.28和2.54 g/kg。SVM、RF和XGBoost模型估算精度整體也明顯提高且更加平穩(wěn)。SVM和RF基于db4小波基函數(shù)的2均達(dá)到0.72和0.76，MSE分別達(dá)到2.82和2.62 g/kg。相較于全波段的PLSR、SVM和ANN估算模型基于coif4小波基函數(shù)的2提升最為明顯，RF和XGBoost模型下的coif4小波基函數(shù)也有著明顯的精度提升，提升幅度分別僅次于fk14和rbio3.9。PLSR、SVM、ANN、RF和XGBoost分別提高了265.61%、131.39%、275.99%、40.62%和73.33%。其他小波系數(shù)通過GA篩選后精度均有所提高。由此可見，GA能夠在模型參與變量大幅減少的情況下，極大程度地提高模型精度。

表3 基于全波段和特征波段小波系數(shù)構(gòu)建的SMC不同模型估算精度

注：PLSR、SVM、ANN、RF、XGBoost分別代表偏最小二乘回歸算法、支持向量機(jī)算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、隨機(jī)森林算法、極端梯度提升算法。2是決定系數(shù)；MSE是均方根誤差；下同。

Note: PLSR, SVM, ANN、RF、XGBoost represent partial least squares regression, support vector machine, artificial neural network, random forest, extreme gradient boosting.2is coefficient of determination;MSEis root mean square error; Same as below.

在使用GA篩選特征小波系數(shù)的SMC模型中，ANN在大多數(shù)小波基函數(shù)均有較好的估算精度，其他4種模型雖在部分小波基函數(shù)（例如db4）上有著較好的精度，但整體呈現(xiàn)較大的波動(dòng)。5種模型均在db4小波基函數(shù)下具有最高的估算精度，而rbio3.9和bior4.4估算精度則相對較低。基于db4的PLSR和ANN模型的散點(diǎn)更接近于1∶1線，2分別為0.82和0.79，MSE分別為2.28和2.14 g/kg（圖5）。

使用PLSR和ANN的最優(yōu)模型進(jìn)行SMC空間制圖，結(jié)果表明（圖6和圖7），2種精度較高的模型估算SMC的空間分布整體一致。ANN模型估算的SMC結(jié)果離散程度較小，大多集中分布在30～40 g/kg，最大值為40.60 g/kg，最小值為10.70 g/kg。PLSR則分布離散程度較高，SMC最大值為52.39 g/kg，最小值為4.10 g/kg。對2種最優(yōu)模型的估算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行絕對誤差計(jì)算如圖6所示，可見在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)2種最優(yōu)模型的SMC估算值與實(shí)測值偏差普遍存在，但大部分絕對誤差均在3.00 g/kg以內(nèi)，大多數(shù)絕對誤差較大的區(qū)域集中在研究范圍東部及北部土壤含水率較高的區(qū)域。對于ANN模型的估算結(jié)果，在中部部分含水率較低區(qū)域也存在偏差值較大的情況。對2種最優(yōu)模型的估算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行相對誤差計(jì)算如圖7所示，可見2種模型相對誤差分布基本一致，均在含水率較高區(qū)域存在較大相對誤差。PLSR模型相對誤差的離散程度明顯較大，2種模型的相對誤差大多均在10.0%以內(nèi)。

圖5 基于最優(yōu)模型估算SMC的散點(diǎn)圖

a. PLSR (db4)b. ANN (db4)

a. PLSR (db4)b. ANN (db4)

3 討 論

當(dāng)前針對SMC定量估算的研究通常是基于裸土反射率光譜進(jìn)行[33]，但在農(nóng)作物生長的關(guān)鍵階段，土壤被作物覆蓋，無法直接獲取土壤反射率。因此，本研究嘗試基于小麥冠層高光譜影像構(gòu)建SMC監(jiān)測模型，以期實(shí)現(xiàn)農(nóng)田SMC監(jiān)測。多種研究表明植被冠層的不同狀態(tài)及其光譜特征能夠直接反映SMC程度，為基于小麥冠層光譜監(jiān)測SMC提供了基礎(chǔ)。狄艷等[34]認(rèn)為SMC與植被冠層溫度有顯著關(guān)聯(lián)性，冠層溫度的變化直接對植被冠層的光譜曲線產(chǎn)生影響。DENNISON等[35]的研究表明，當(dāng)SMC充足時(shí)，植被冠層反射率中紅邊信息明顯，短紅外波段隨著水分含量增加而反射率降低，而SMC缺乏時(shí)，由于葉片細(xì)胞的衰老導(dǎo)致冠層反射率紅邊藍(lán)移、短紅外波段的反射率顯著下降。另外，本研究認(rèn)為基于小麥冠層光譜的SMC反演能夠更加直接反映農(nóng)作物生長狀況與土壤環(huán)境協(xié)同情況，有助于掌握農(nóng)作物生長狀態(tài)，調(diào)整土壤環(huán)境。

小波變換作為現(xiàn)階段高光譜數(shù)據(jù)處理的有效手段，已應(yīng)用于大量研究并取得了較好的精度結(jié)果[36]。部分研究在進(jìn)行小波基函數(shù)及分解尺度的選擇時(shí)利用大量且復(fù)雜的優(yōu)化計(jì)算方法[37]，或直接利用前人研究的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果。PENG等[38]在土壤含水率反演中選用了13種小波基函數(shù)并基于6個(gè)不同的分解尺度生成78組數(shù)據(jù)，再對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行小波能力系數(shù)計(jì)算。SINGH等[39]根據(jù)先前研究中的經(jīng)驗(yàn)選用了Mexican hat（mexh）、Daubechies（db2）和Biorthogonal（bior1.3）3種小波基函數(shù)進(jìn)行大豆葉片色素的測算。相比之下，本研究利用相關(guān)性分析方法進(jìn)行小波基函數(shù)和分解尺度的選取，在確保估算精度的同時(shí)避免繁瑣復(fù)雜的優(yōu)化計(jì)算試驗(yàn)。

本研究結(jié)果顯示基于db4小波基函數(shù)構(gòu)建的模型估算精度最佳，基于coif4、fk14、haar的估算模型也擁有較好表現(xiàn)?？赡艿脑蚴巧鲜鲂〔ɑ瘮?shù)均為正交小波基函數(shù)，在保留重要特征信息的同時(shí)，能夠較好地處理噪聲。同樣地，使用小波變換對光譜進(jìn)行處理，PENG等[38]也發(fā)現(xiàn)選擇不同的小波基函數(shù)對SMC估算模型精度具有較大影響，其中 db4小波基函數(shù)效果最好。而由于bior4.4和rbio3.9雙正交特性可能在一定程度上對光譜信息進(jìn)行了過度壓縮[40]，因此，在本研究中相比較其他小波基函數(shù)，使用bior4.4和rbio3.9構(gòu)建的模型估算SMC精度相對較差。以上表明，小波基函數(shù)的選擇能夠直接影響SMC模型的定量估測效果。

遺傳算法能夠搜索最佳特征波段以避免因波段選擇不當(dāng)而導(dǎo)致的不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。KHELIL等[41]表明基于GA建立的小波濾波器進(jìn)行風(fēng)速預(yù)測模型，能夠優(yōu)化CWT與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的問題。本研究結(jié)果顯示，采用GA篩選特征小波系數(shù)結(jié)合不同機(jī)器學(xué)習(xí)模型均能有效提高SMC模型精度。這一結(jié)論與陳紅艷等[42]的研究結(jié)果一致，他們結(jié)合小波變換和GA構(gòu)建土壤堿解氮含量定量估算模型，顯著提高了估算精度。此外，本研究表明GA篩選出來的特征信息波段主要在藍(lán)光（420～490 nm）、紅光（680～780 nm）以及近紅外波段（890～1 000 nm），在植被紅邊波段（690～760 nm）尤為集中，以上波段與受到SMC影響的小麥葉片光譜特征波段吻合[15]。因此，本研究認(rèn)為GA算法能夠有效選擇光譜特征，減少建模所變量數(shù)目，并去除高光譜數(shù)據(jù)中常存在的冗余信息，提高模型優(yōu)化效率。

盡管機(jī)器學(xué)習(xí)在土壤學(xué)領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，但對于SMC估算建模及空間制圖方面的研究卻很少[43]。因此，本研究利用5種機(jī)器學(xué)習(xí)算法完成SMC估算模型并進(jìn)行評估。結(jié)果顯示，最優(yōu)PLSR模型精度2為0.82明顯優(yōu)于其他4種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，且均能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確地SMC估算和制圖。同樣地，HASSAN-ESFAHANI等[44]結(jié)合植被指數(shù)和ANN估算SMC精度2為0.77，表明利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立SMC估算模型是可行的。de OLIVEIRA等[45]比較RF、SVM、ANN以及k最鄰近算法4種機(jī)器學(xué)習(xí)模型對大西洋森林的SMC估算精度，其中ANN表現(xiàn)優(yōu)于SVM，與本研究結(jié)果一致。但RF和XGBoost在本研究中的表現(xiàn)卻沒有明顯優(yōu)于ANN。以往研究表明[46]，由于ANN和SVM具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以通過學(xué)習(xí)到的復(fù)雜函數(shù)來擬合非線性關(guān)系，而RF和XGBoost算法則相對簡單，難以捕捉復(fù)雜的非線性關(guān)系。因此，ANN在處理具有復(fù)雜線性關(guān)系的數(shù)據(jù)時(shí)，表現(xiàn)往往優(yōu)于RF和XGBoost。在對基于PLSR和ANN最優(yōu)模型所得SMC估算空間分布結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析時(shí)，ANN對于實(shí)測值較高或較低的樣本點(diǎn)相比PLSR更加敏感。另外，ANN、RF和XGBoost回歸建模在大樣本時(shí)有優(yōu)勢[20]，而本研究的樣本點(diǎn)較少，可能也在一定程度導(dǎo)致以上模型結(jié)果相比PLSR精度略差。但在使用不同小波基函數(shù)時(shí)，ANN估算精度較為穩(wěn)定，說明ANN能夠適用于對經(jīng)過GA降維后的小波系數(shù)進(jìn)行SMC反演。同時(shí)，數(shù)據(jù)的維度特征較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致RF和XGBoost容易出現(xiàn)過擬合問題，針對此問題，本研究在利用GA完成高光譜數(shù)據(jù)降維后，不同模型精度均有大幅度提升。

由于植被品種、生育期以及土壤營養(yǎng)狀況等不同因素對植被光譜均有不同程度的影響，利用遙感手段完成基于植被冠層光譜的農(nóng)田SMC估算尚未建立統(tǒng)一的研究范式。由于天氣和手段等原因的限制，本研究無法獲得多周期、多物侯的影像數(shù)據(jù)，因此所建立的SMC估算模型的泛化能力需要進(jìn)一步驗(yàn)證。后續(xù)的研究應(yīng)在此基礎(chǔ)上建立大樣本植被光譜數(shù)據(jù)庫，深入探索植被冠層光譜與SMC之間的內(nèi)在聯(lián)系。

4 結(jié) 論

本研究無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）遙感平臺(tái)獲取高空間/光譜分辨率的影像數(shù)據(jù)結(jié)合連續(xù)小波變換（continuous wavelet transform，CWT）和遺傳算法（genetic algorithm，GA），基于農(nóng)作物冠層高光譜光譜數(shù)據(jù)對農(nóng)田土壤含水率（soil moisture content，SMC）進(jìn)行反演，結(jié)論如下：

1）本研究考慮了不同的小波基函數(shù)對SMC估算精度的影響，選取7種小波基函數(shù)從9個(gè)分解尺度進(jìn)行相關(guān)性對比，并有效選擇最優(yōu)小波基函數(shù)（db4）和分解尺度（9）。并對小波系數(shù)進(jìn)行了GA特征波段選取，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)的冗余性，提高模型精度。

2）基于GA選取的特征小波系數(shù)使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型對整個(gè)田塊SMC進(jìn)行建模估算，所有機(jī)器學(xué)習(xí)模型結(jié)果精度均有提升，其中估算精度最佳模型為最小二乘回歸，2為0.82。支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（以及隨機(jī)森林也表現(xiàn)出了較好的精度，2分別為0.79、0.72和0.76。結(jié)果表明無人機(jī)獲取得到的高光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行CWT和GA特征提取后，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)能夠獲得理想的SMC的估算精度，制圖效果較好。本研究的結(jié)果能夠?yàn)橹袊珊祬^(qū)農(nóng)業(yè)用水規(guī)劃提供有效的技術(shù)支撐及決策輔助。

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Estimating soil moisture contents of farmland using UAV hyperspectral images of wheat canopy

WANG Mengdi1, HE Li2, LIU Qian1, LI Zhijuan3, WANG Ran3, JIA Zhongfu3, WANG Jingzhe4, WU Guofeng1, SHI Tiezhu1※

(1.-,,518060,;2.,,518060,;3.,,010020,; 4.,,518055,)

Accurate monitoring of soil moisture content (SMC) in agricultural fields can greatly contribute to the utilization of water resources and sustainable development. Low SMC can cause the soil to harden during crop growth, which in turn affects the absorption of the crops' water and nutrients. In this study, the field-scale wheat canopy spectra were gathered to quantitatively estimate and map the SMC using an unmanned aerial vehicle (UAV) hyperspectral sensor. The study area was selected as Fukang City, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China (87°51'15′′E, 44°21'14′′N) at the transition zone between a desert and an oasis. The soil samples were also collected concurrently with the hyperspectral data. 70 sampling units of 0.5 m×0.5 m were evenly selected in the target field, where the GPS locations were recorded. The wheat canopy spectra were smoothed using the savitzky-golay (SG). The spectral data were then transformed using the continuous wavelet transform (CWT) with seven different wavelet functions (bior4.4, coif4, db4, fk14, haar, rbio3.9, and sym 4). The wavelet coefficients were extracted by the genetic algorithm (GA), and finally combined with partial least squares (PLSR), Support Vector Machine (SVM), artificial neural network (ANN), radom forest (RF), and extreme gradient boosting (XGBoost) to predict the SMC. A neural Network was used to predict the SMC, and then map the SMC at a spatial scale. The results demonstrate that the accuracy of SMC estimation greatly increased using the GA-based feature band selection. The determination coefficient (2) of the feature band was 0.35-0.82 with the wavelet coefficients, while the2of the complete wavelet band ranged from 0.20 to 0.44. Furthermore, the2of SMC reached 0.82, 0.72, 0.79, 0.76, and 0.46, respectively, using PLSR, SVM, ANN, RF, and XGBoost models. The best estimation accuracy was achieved in the feature band with the db4 wavelet coefficients, compared with the rest wavelet functions. The predicted and measured values were remarkably similar. The GA significantly reduced the number of variables to maximize the feature factors in the remote sensing bands. The majority of the feature bands were retained to remove the redundant bands that frequently presented in the hyperspectral data. The more stable ANN model was achieved in the small number of sample points on the big sample, even though the accuracy was lower than that of PLSR. Consequently, the perfect estimation accuracy of SMC with excellent mapping was obtained in the continuous wavelet transform and GA feature extraction of the hyperspectral data acquired by the UAV. The improved inversion can be expected to achieve accurate SMC prediction using crop growth period spectra at the field scale. The finding can provide a strong reference for high-precision SMC monitoring using remote sensing.

soil moisture; unmanned aerial vehicle; hyperspectral images; genetic algorithm; continuous wavelet transform

10.11975/j.issn.1002-6819.202207170

S159.3；S252

A

1002-6819(2023)-06-0120-10

王夢迪，何莉，劉潛，等. 基于小麥冠層無人機(jī)高光譜影像的農(nóng)田土壤含水率估算[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(6)：120-129.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202207170 http://www.tcsae.org

Wang Mengdi, He Li, Liu Qian, et al. Estimating soil moisture contents of farmland using UAV hyperspectral images of wheat canopy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 120-129. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202207170 http://www.tcsae.org

2022-07-18

2023-01-05

深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究（重點(diǎn)項(xiàng)目）（No.20210324120209027）；廣東省教育廳重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)項(xiàng)目（2020ZDZX1052）

王夢迪，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)定量遙感。Email：wangmengdi2020@email.szu.edu.cn

石鐵柱，博士，特聘研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)定量遙感。Email：tiezhushi@szu.edu.cn