【科研应用】无人机多源遥感在茶树冻害快速评估中的应用

2023年8月27日，青岛农业大学园艺学院丁兆堂教授团队在Computers and Electronics in Agriculture (中科院1区TOP期刊，IF = 8.3)发表了题为“Rapid monitoring of tea plants under cold stress based on UAV multi-sensor data”的研究论文。

论文截图

此研究采用搭载“长光禹辰公司自主研发的MS600 Pro多光谱相机”的多旋翼无人机，获取了山东省日照市部分区域的茶园冬季的多光谱图像，提取光谱指标用于茶树冻害的评估。

硬件系统图（左侧搭载MS600 Pro多光谱相机）

茶树（Camellia sinensis (L.) O. Kuntze.）起源于中国西南部，具有喜温和畏寒的特性。每年冬季，江北茶区的茶树都会受到低温的伤害，造成叶片细胞活力下降甚至结冰死亡。这给茶产业带来了巨大损失。传统上，田间茶树的冻害是通过视觉来评估。这是劳动密集型和主观的。因此，为了及时采取相应的预防和补救措施，减轻茶园冻害的负面影响，快速准确地评估茶园冻害研究具有重要意义。

在这项研究中，作者利用无人机搭载多光谱（MS600 Pro）、热红外(TIR)和RGB等传感器采集自然越冬茶园不同时期的多模态遥感数据，并获取当天茶树叶片的生理数据，构建茶树冻害指数（TCIS）。然后，建立了一种混合卷积神经网络-门控循环单元（CNN-GRU）模型，用于估算TCIS。此外，作者为了更好的比较CNN-GRU的性能，还使用了单个GRU模型和另外三个经典机器学习模型进行比较。该研究发现：

（1）多模态数据融合优于单模态数据。其中，双模态MS+RGB组合数据取得了最佳的预测结果(Rp2=0.862, RMSEP=0.138, RPD=2.220)；

（2）CNN-GRU混合模型优于另外四个基线模型，分别在MS+RGB（Rp2=0.862）或MS+RGB+TIR（Rp2=0.850）的多元变量输入的基础上实现了最佳效果；

（3）剔除土壤背景等非茶树冠层特征后的模型精度低于未去除背景的模型精度。

茶树冻害监测技术流程图

研究区域的位置

（a）中国的江北茶区之一---山东省（b）日照市茶叶研究所茶园（c）采样地点

CNN-GRU混合网络

茶树冠层数据分布

（a）空气温度的变化（b）冠层表型的变化（c）低温诱导成分的变化（d）TCIS的变化

TCIS的预测散点图

研究表明，使用无人机多光谱等影像数据可实现对茶树受冻情况有效的预测，该研究成果在工作效率和分析精度方面具有一定优势，为今后在大区域上准确、及时、客观地监测茶树冻害提供技术支持和参考。

附：Yilin Mao, He Li, Yu Wang, Huan Wang, Jiazhi Shen, Yang Xu, Shibo Ding, Hui Wang, Zhaotang Ding, Kai Fan, Rapid monitoring of tea plants under cold stress based on UAV multi-sensor data,Computers and Electronics in Agriculture,2023, 213,108176.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.108176

长光禹辰成立于2017年，是一家由中国科学院长春光机所和青岛高新区联合成立的高新技术企业，公司核心团队来自长春光机所空间光学部，在光谱遥感、光电探测领域具有深厚的理论基础和丰富的工程经验，掌握完整的光谱仪器系统设计、先进的嵌入式视觉开发、复杂场景定量遥感智能调光、高精度自动辐射校正、光谱数据半定量反演及应用等核心技术，形成了以MS200、MS400、MS600、AQ300、AQ600等系列多光谱相机为代表的无人机载光谱遥感硬件产品线，提供Yusense Fly、Wifi Web、DJI Pilot等多种相机参数设置及控制方式，依托Yusense Map/Map Plus光谱数据预处理及分析软件、Yusense Cloud端云一体化服务平台，在农业、林业、生态、环保、警用等领域开展了深入的行业应用。公司专注于无人机航空遥感与光电探测领域，持续推出革新的软硬件产品，落地更丰富的行业应用场景，致力于用技术和产品推动行业进步。