基于无人机RGB图像的棉花关键生育时期识别及农艺参数估测方法研究
这是一篇关于生育时期,图像识别,深度学习,农艺性状,产量的论文, 主要内容为棉花生育时期的快速识别和农艺参数及产量的准确估测对实现棉田智能化管理具有重要意义。本研究以不同品种、不同种植密度的棉花为研究对象,基于搭载RGB相机的无人机获取棉花不同生育时期的冠层图像,采用卷积神经网络模型(VGGNet19和Google Net)对棉花生育时期进行了识别研究;通过提取图像12个颜色指数特征和7个纹理特征,结合田间调查,分别建立了叶面积指数、地上部生物量和产量的单变量估测模型(线性、指数、对数、幂函数)和多变量估测模型(逐步回归、偏最小二乘回归和随机森林回归)。主要研究结果如下:1.结合卷积神经网络实现棉花关键生育时期的识别,并确定最优模型是学习率为0.0001、dropout为0.6的Google Net模型。调整Google Net和VGGNet19模型参数并分别训练8个模型,然后进行最优模型对比。其中,Google Net模型的训练结果显示学习率为0.0001、dropout为0.6时的模型准确率最高(98.06%),模型的性能评估指标最好;而VGGNet19模型的训练结果表示学习率为0.0005、dropout为0.5时的模型准确率最高(72.26%),模型评估效果最好。综合对比2种最优模型的训练波动情况、消耗时间、预测结果以及性能评价,Google Net卷积神经网络模型对棉花关键生育时期识别的效果优于VGGNet19模型。2.基于偏最小二乘回归方法建立的模型是估算叶面积指数的最优模型。棉花不同生育时期的叶面积指数和图像特征表现出较强的相关性。对相关性最高的图像特征建立了估算叶面积指数的单变量模型,得到蕾期的模型稳定性最好,而多生育期(R2=0.74)的模型精度最高。将特征融合后进行逐步回归分析,发现多生育期的估测模型优于单生育期,多变量模型优于单变量模型。对比分析不同方法对棉花多生育期建立的模型,基于偏最小二乘回归方法(R2=0.86、RMSE=0.44、NRMSE=26.07%)建立的叶面积指数估测模型估算效果最好,逐步回归分析和随机森林回归次之。3.基于随机森林回归方法建立的模型是估算地上部生物量的最优模型。棉花不同生育时期提取的图像特征与实测的地上部生物量呈现极显著相关。将相关性最高的图像特征与地上部生物量建立单变量估算模型,得到蕾期的模型稳定性最强,而多生育期(R2=0.78)的模型精度最高。通过逐步回归分析对各生育时期建立多变量估算模型,验证模型并综合对比分析,多生育期模型拟合度最高、验证结果最好,且优于单变量模型估算效果。对比3种回归方法建立的多生育期地上部生物量估算模型,基于随机森林回归方法(R2=0.88、RMSE=1541.16 kg/hm2、NRMSE=31.71%)建立的模型为最优模型,偏最小二乘回归分析和逐步回归分析次之。4.基于偏最小二乘回归方法建立的模型是估算产量的最优模型。通过对棉花花铃期和吐絮期的图像特征进行累加并进行相关性分析,相关性最高的图像特征是IDM,利用该特征建立单变量估产模型,结果显示4种模型的拟合度均在0.5-0.6之间,模型较稳定但精度不高。对比分析3种多变量估产模型,得到基于偏最小二乘回归方法(R2=0.52、RMSE=253.78kg/km2、NRMSE=8.65%)建立的估产模型精度最高,逐步回归分析和随机森林回归次之。综上所述,GoogleNet卷积神经网络模型是识别棉花关键生育时期的最优模型(学习率为0.0001、dropout为0.6),实现了深度学习对棉花生育时期的识别;结合图像识别技术与回归分析,得到了棉花叶面积指数和产量估算的最优估算模型均是基于偏最小二乘回归方法(叶面积指数:R2=0.86、RMSE=0.44、NRMSE=26.07%;产量:R2=0.52、RMSE=253.78kg/km2、NRMSE=8.65%),而地上部生物量的最优估算模型是基于随机森林方法(R2=0.88、RMSE=1541.16kg/hm2、NRMSE=31.71%)。本研究将无人机遥感与图像识别技术和深度学习相结合,研究结果为棉花生育时期的快速识别和农艺参数的无损估算提供技术支撑,也可对其它农作物的研究提供借鉴方法。
高寒地区燕麦与蚕豆间作对作物光合特性及产量的影响
这是一篇关于间作,燕麦,蚕豆,农艺性状,光合特性,产量,品质的论文, 主要内容为近年来,青藏高原草地畜牧业高质量发展对草产业的要求越来越高,为避免草畜发展不平衡,应探索一种高效优质的饲草种植方式来解决此问题,禾豆间作能实现光热资源互补,改善作物的光合特性,进而提高作物产量。因此,本研究以燕麦(Avena sativa L.)和蚕豆(Vicia faba L.)为试验材料,于青海省西宁市湟中区开展燕麦与蚕豆不同间作模式研究:2021年开展燕麦与蚕豆等行间作(6:6)试验,2022年开展燕麦和蚕豆间作比例[燕麦和蚕豆行比1:1(YD11),2:1(YD21),2:2(YD22),3:1(YD31),3:2(YD32)]试验,通过对比单作和间作处理下两种作物的农艺性状、光合特性及产量,得到结果如下:(1)在等行间作试验中,间作对燕麦的影响显著,间作提高了燕麦开花期和乳熟期的株高、分蘖数和叶长;间作燕麦的相对叶绿素含量在开花期较单作显著增加5.70%。间作改善了燕麦和蚕豆的光合特性,间作燕麦的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度在乳熟期较单作显著提高46.78%,39.00%,13.53%,间作蚕豆的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度在结荚期较单作显著增加58.82%,48.53%,78.20%。间作燕麦的地上生物量在开花旗显著高于单作,间作燕麦的秸秆产量和籽粒产量较单作增产66.45%、43.01%,燕麦和蚕豆等行间作的LER值为1.14,具有间作优势。间作改善了燕麦和蚕豆的部分品质,间作条件下燕麦和蚕豆的粗蛋白含量在乳熟期/结荚期显著提高。(2)在间作比例试验中,各间作比例下燕麦的农艺性状较单作不同程度提高,YD11处理表现最优,其株高、茎粗和叶长在开花期较单作分别显著增加8.24%、9.95%、10.75%,间作比例提高了两个时期蚕豆的株高,但降低了茎粗、叶长和叶宽。间作改善了燕麦的光合特性,开花期各间作处理中以YD21、YD11处理的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度表现较好,而蚕豆的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度在结荚期显著低于单作。间作比例显著增加了燕麦的地上生物量,YD11处理表现最好,其地上生物量在开花期和乳熟期分别显著高出单作32.78%、61.82%;间作增加了燕麦的秸秆产量,各间作处理秸秆产量表现为较单作显著增加了27.04%～81.69%;YD11处理的LER为1.15,在各间作处理中值最大,最能体现间作优势。间作比例降低了蚕豆的地上生物量和秸秆产量,各间作处理的秸秆产量较单作蚕豆显著降低24.46%～31.10%。间作条件下燕麦的籽粒产量与穗长、有效分蘖数、单株穗数和单株穗重呈显著正相关,蚕豆的籽粒产量仅与单株荚数存在显著正相关,与有效分枝数、单株粒数存在负相关关系。综上所述,间作可显著提高燕麦生产力,燕麦与蚕豆6:6行间作和间作比例1:1均能带来较好的增产效益,相比单作,间作改善了燕麦的农艺性状及光合特性。
高寒地区燕麦与蚕豆间作对作物光合特性及产量的影响
这是一篇关于间作,燕麦,蚕豆,农艺性状,光合特性,产量,品质的论文, 主要内容为近年来,青藏高原草地畜牧业高质量发展对草产业的要求越来越高,为避免草畜发展不平衡,应探索一种高效优质的饲草种植方式来解决此问题,禾豆间作能实现光热资源互补,改善作物的光合特性,进而提高作物产量。因此,本研究以燕麦(Avena sativa L.)和蚕豆(Vicia faba L.)为试验材料,于青海省西宁市湟中区开展燕麦与蚕豆不同间作模式研究:2021年开展燕麦与蚕豆等行间作(6:6)试验,2022年开展燕麦和蚕豆间作比例[燕麦和蚕豆行比1:1(YD11),2:1(YD21),2:2(YD22),3:1(YD31),3:2(YD32)]试验,通过对比单作和间作处理下两种作物的农艺性状、光合特性及产量,得到结果如下:(1)在等行间作试验中,间作对燕麦的影响显著,间作提高了燕麦开花期和乳熟期的株高、分蘖数和叶长;间作燕麦的相对叶绿素含量在开花期较单作显著增加5.70%。间作改善了燕麦和蚕豆的光合特性,间作燕麦的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度在乳熟期较单作显著提高46.78%,39.00%,13.53%,间作蚕豆的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度在结荚期较单作显著增加58.82%,48.53%,78.20%。间作燕麦的地上生物量在开花旗显著高于单作,间作燕麦的秸秆产量和籽粒产量较单作增产66.45%、43.01%,燕麦和蚕豆等行间作的LER值为1.14,具有间作优势。间作改善了燕麦和蚕豆的部分品质,间作条件下燕麦和蚕豆的粗蛋白含量在乳熟期/结荚期显著提高。(2)在间作比例试验中,各间作比例下燕麦的农艺性状较单作不同程度提高,YD11处理表现最优,其株高、茎粗和叶长在开花期较单作分别显著增加8.24%、9.95%、10.75%,间作比例提高了两个时期蚕豆的株高,但降低了茎粗、叶长和叶宽。间作改善了燕麦的光合特性,开花期各间作处理中以YD21、YD11处理的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度表现较好,而蚕豆的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度在结荚期显著低于单作。间作比例显著增加了燕麦的地上生物量,YD11处理表现最好,其地上生物量在开花期和乳熟期分别显著高出单作32.78%、61.82%;间作增加了燕麦的秸秆产量,各间作处理秸秆产量表现为较单作显著增加了27.04%～81.69%;YD11处理的LER为1.15,在各间作处理中值最大,最能体现间作优势。间作比例降低了蚕豆的地上生物量和秸秆产量,各间作处理的秸秆产量较单作蚕豆显著降低24.46%～31.10%。间作条件下燕麦的籽粒产量与穗长、有效分蘖数、单株穗数和单株穗重呈显著正相关,蚕豆的籽粒产量仅与单株荚数存在显著正相关,与有效分枝数、单株粒数存在负相关关系。综上所述,间作可显著提高燕麦生产力,燕麦与蚕豆6:6行间作和间作比例1:1均能带来较好的增产效益,相比单作,间作改善了燕麦的农艺性状及光合特性。
生物菌肥配施化肥对不同类型粳稻生长发育及产量的影响
这是一篇关于水稻,农艺性状,生物菌肥,产量及产量结构,氮素利用率的论文, 主要内容为生物菌肥作为一种含有特种或者多种菌群的新型有机肥料,可以部分替代化肥,改善土壤养分结构,提高作物产量。但生物菌肥配施化肥对北方不同类型粳稻生长发育与产量的影响规律并不明确,生产上生物菌肥与化肥配施的最优比例也无定论。本研究以辽宁稻区典型的弯曲穗型杂交粳稻品种辽优5206和日本著名的常规粳稻优质米品种丰锦和直立穗型高产类型的常规粳稻品种沈农9816作为试验材料,设置6个施肥处理,分别是T1:不施肥;T2:100%生物菌肥;T3:70%生物菌肥+30%化肥;T4:50%生物菌肥+50%化肥;T5:30%生物菌肥+70%化肥;T6:100%化肥,调查分蘖数、叶面积指数、叶片叶绿素含量、株型、光合特性、干物质积累、产量、产量结构及氮素利用率的变化,研究在不同比例的化肥与生物菌肥配施处理下对不同类型的粳稻品种生长发育及产量与产量结构的影响,分析氮素利用率的变化,为生产上针对不同类型的粳稻品种的遗传特性采用不同比例的生物菌肥与化肥配施的模式提供理论依据。结果表明:1.分蘖数前期差异小,后期在不同施肥处理间差异显著,以T5(70%化肥+30%生物菌肥)处理的数值最高。叶面积指数的变化与分蘖动态相似,均以T5(70%化肥+30%生物菌肥)处理的数值最高。分蘖期各处理叶片的叶绿素含量无显著差异,随着时间的推移,叶绿素含量逐渐升高,在齐穗期时达到最大值,然后逐渐下降。T5(70%化肥+30%生物菌肥)处理最有利于提高叶片中叶绿素的含量,而且在不同的生长发育时期表现基本一致。随着化肥施用比例的不断增加,水稻净光合速率、气孔导度和蒸腾速率随之增大,在T5(70%化肥+30%生物菌肥)处理达到最大值,显著高于其余处理,完全施用化肥的T6处理,净光合速率、蒸腾速率反倒不如T5处理。不同的生育时期,随着化肥配比施用量的增加,植株干物重积累量逐渐增加,成熟期时,T5处理下的各个部位干物质积累量均达到最大值。不同的生物菌肥配施化肥处理对水稻株型性状基本上无显著影响。随着化肥施用比例的增加,一次枝梗结实率、二次枝梗结实率、总结实率降低,穗长、一次枝梗数、二次枝梗数、着粒密度逐渐增加。产量在T5处理下达到最大值,显著高于其余处理下的产量,不施肥处理下的产量最低,产量高低的排序为T5>T4>T6>T3>T2>T1,其中T4和T6、T3和T2之间产量的差异未达显著水平。在T3处理下的氮素农学利用率显著低于T4、T5、T6处理,T5和T6处理下的氮素生理利用率最高,显著高于T3和T4,T3、T4、T5处理下的氮素吸收利用率均显著高于T6。2.不同类型的粳稻品种由于遗传特性上的差异,适应不同配比的生物菌肥与化肥的配施处理。辽优5206产量的最大值出现在T5处理,高于T6处理约9.51%,分蘖数的最大值出现在T6处理,叶面积指数和叶绿素含量的最大值出现在T5处理,成熟期干物质积累量的最大值和净光合速率的最大值出现在T5处理。丰锦产量的最大值出现在T5处理,高于T6处理2.44%,分蘖数的最大值出现在T6处理,叶面积指数和叶绿素含量的最大值出现在T5处理,成熟期干物质积累量的最大值出现在T6处理,净光合速率的最大值出现在T5处理。沈农9816产量的最大值出现在T5处理,高于T6处理约12.18%,分蘖数、叶面积指数、叶绿素含量的最大值出现在T5处理,成熟期干物质积累量的最大值出现在T5处理,净光合速率的最大值出现在T6处理。辽优5206和沈农9816的氮素农学利用率、氮素生理利用率和氮素吸收利用率均随着化肥施用比例的增加而增加,最大值均出现在T5处理,然后在T6处理下降低。丰锦的氮素农学利用率、氮素生理利用率和氮素吸收利用率也随着化肥施用比例的增加而增加,不同的是氮素农学利用率、氮素生理利用率最大值出现在T5处理,氮素吸收利用率最大值出现在T6(100%化肥)处理。综上所述,生产上建议采用70%的化肥与30%的生物菌肥配施的施肥模式,有助于促进不同类型粳稻品种的生长发育和产量提高,也有助于提高氮素利用率。
高寒地区燕麦与蚕豆间作对作物光合特性及产量的影响
这是一篇关于间作,燕麦,蚕豆,农艺性状,光合特性,产量,品质的论文, 主要内容为近年来,青藏高原草地畜牧业高质量发展对草产业的要求越来越高,为避免草畜发展不平衡,应探索一种高效优质的饲草种植方式来解决此问题,禾豆间作能实现光热资源互补,改善作物的光合特性,进而提高作物产量。因此,本研究以燕麦(Avena sativa L.)和蚕豆(Vicia faba L.)为试验材料,于青海省西宁市湟中区开展燕麦与蚕豆不同间作模式研究:2021年开展燕麦与蚕豆等行间作(6:6)试验,2022年开展燕麦和蚕豆间作比例[燕麦和蚕豆行比1:1(YD11),2:1(YD21),2:2(YD22),3:1(YD31),3:2(YD32)]试验,通过对比单作和间作处理下两种作物的农艺性状、光合特性及产量,得到结果如下:(1)在等行间作试验中,间作对燕麦的影响显著,间作提高了燕麦开花期和乳熟期的株高、分蘖数和叶长;间作燕麦的相对叶绿素含量在开花期较单作显著增加5.70%。间作改善了燕麦和蚕豆的光合特性,间作燕麦的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度在乳熟期较单作显著提高46.78%,39.00%,13.53%,间作蚕豆的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度在结荚期较单作显著增加58.82%,48.53%,78.20%。间作燕麦的地上生物量在开花旗显著高于单作,间作燕麦的秸秆产量和籽粒产量较单作增产66.45%、43.01%,燕麦和蚕豆等行间作的LER值为1.14,具有间作优势。间作改善了燕麦和蚕豆的部分品质,间作条件下燕麦和蚕豆的粗蛋白含量在乳熟期/结荚期显著提高。(2)在间作比例试验中,各间作比例下燕麦的农艺性状较单作不同程度提高,YD11处理表现最优,其株高、茎粗和叶长在开花期较单作分别显著增加8.24%、9.95%、10.75%,间作比例提高了两个时期蚕豆的株高,但降低了茎粗、叶长和叶宽。间作改善了燕麦的光合特性,开花期各间作处理中以YD21、YD11处理的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度表现较好,而蚕豆的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度在结荚期显著低于单作。间作比例显著增加了燕麦的地上生物量,YD11处理表现最好,其地上生物量在开花期和乳熟期分别显著高出单作32.78%、61.82%;间作增加了燕麦的秸秆产量,各间作处理秸秆产量表现为较单作显著增加了27.04%～81.69%;YD11处理的LER为1.15,在各间作处理中值最大,最能体现间作优势。间作比例降低了蚕豆的地上生物量和秸秆产量,各间作处理的秸秆产量较单作蚕豆显著降低24.46%～31.10%。间作条件下燕麦的籽粒产量与穗长、有效分蘖数、单株穗数和单株穗重呈显著正相关,蚕豆的籽粒产量仅与单株荚数存在显著正相关,与有效分枝数、单株粒数存在负相关关系。综上所述,间作可显著提高燕麦生产力,燕麦与蚕豆6:6行间作和间作比例1:1均能带来较好的增产效益,相比单作,间作改善了燕麦的农艺性状及光合特性。
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