无人机近地面多角度与偏振探测的红枣品质检测研究
针对光源天顶角、探测天顶角、相对方位角差异与无人机多光谱检测精度普遍不高而影响红枣品质检测效果问题,本文以南疆红枣为研究对象,开展了室内与室外无人机在多角度与偏振方式下的红枣品质检测研究。基于获取的无偏振及偏振光谱数据与理化指标构建了红枣品质预测模型,并通过探究南疆红枣品质检测的特征角度和红枣反射率反演方法,构建了多角度融合的红枣品质检测模型,达到提高检测精度的目的。具体研究成果如下:（1）构建了不同方位角下的红枣品质检测模型和多角度融合下的红枣品质预测模型。在户外自然条件下,使用多光谱无人机进行了多角度红枣数据采集,获取相对方位角为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°时所对应的红枣反射率数据,基于单一角度和基于多角度融合分别构建红枣含水率模型和可溶性固形物模型,并对红枣检测的特征角度进行了探究。与单角度所建立的模型相比,基于多角度融合方法可显著提高红枣含水率和可溶性固形物检测精度。含水率预测模型中,角度融合建立的90°偏振PLSR模型预测效果最好,对比单一角度模型,预测集相关系数由0.6331提升到0.8404。在可溶性固形物预测模型中,角度融合建立的45°偏振SVM模型预测效果最好,对比单一角度模型,预测集相关系数由0.5645提升到0.8867。上述结果表明,基于多角度融合方法构建的红枣品质预测模型可有效提高无人机多光谱检测红枣品质的精度,可为后续进行无人机农产品大面积检测提供新思路。（2）为降低无人机采集多角度数据时的工作量,探讨使用Index、Rahman、Ross-li与Roujean四种双向反射分布函数（Bidirectional reflectivity distribution function,BRDF）模型对室内和户外采集的多角度及多偏振数据进行反演,预测其他方位角度的红枣反射率。在室内模拟新疆维吾尔自治区第一师阿拉尔市9月至12月的自然光照条件,设置入射天顶角范围在30°～60°,探测天顶角为0°～60°,相对方位角为0°～360°,提取红枣整体区域的无偏振反射率、0°偏振反射率、45°偏振反射率、90°偏振反射率和135°偏振反射率数据,经包络线去除后使用四种BRDF模型进行反演,结果表明Index、Rahman、Ross-li与Roujean模型均适用于反演室内红枣反射率数据。使用四种BRDF模型户外采集的多角度及多偏振数据进行反演,结果表明四种BRDF模型均适用于无偏振下的红枣原始反射率数据反演,但对于偏振数据来说,四种BRDF反演结果差异较大,不同方位角下各模型反演效果需要具体分析,四种BRDF模型均不能较好的反演全方位角的偏振反射率。（3）对比分析各个角度下使用四种BRDF模型所反演的红枣反射率与真实多角度反射率数据,将每个角度下反演效果最好的反射率数据进行融合,基于多角度融合分别构建红枣含水量和可溶性固形物预测模型。对比所建立的无偏振及偏振角度融合模型,发现无偏振下的角度融合模型预测效果较好。在构建的含水率预测模型中,无偏振PLSR模型预测效果最好,预测集相关系数为0.7585,预测集均方根误差RMCEP为2.0598;在构建的可溶性固形物预测模型中,无偏振PLSR模型预测效果最好,预测集相关系数为0.7493,预测集均方根误差RMCEP为2.3108。上述结果表明,使用BRDF模型所反演的无偏振红枣反射率数据建立红枣品质检测模型是可行的。
- 作者：
- 王聪颖
- 学位授予单位：
- 塔里木大学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2023年
- 导师姓名：
- 罗华平
- 中图分类号：
- S665.1；TP751
- 关键词：
- 多光谱无人机；红枣；多角度融合；偏振；BRDF模型
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- 基金项目：
- 国家自然科学基金项目“南疆红枣多尺度高光谱偏振定量遥感模型研究”（项目编号:11964030）课题主持人:罗华平教授（塔里木大学）