基于无人机影像和卷积神经网络的水稻育种材料产量预测研究

摘要

[目的]收获前获取水稻育种小区的产量信息是高通量表型监测的重要组成部分，也是水稻高产育种的迫切需求。当前，水稻产量预测方法大多基于少数品种，且由线性回归、机器学习等方法建模，因此估产模型一般都存在迁移性较差、精度不高等问题。本研究旨在利用无人机影像和深度学习网络构建适用于多水稻品种的产量预测模型。[方法]利用无人机获取水稻育种试验的多时相RGB和多光谱影像，系统比较了线性回归、机器学习、深度学习算法在产量预测上的表现；提出一种基于注意力机制和卷积神经网络的水稻产量预测方法，并对比分析了ResNet50、MobileNetV3、ShuffleNetV2三种网络的表现。[结果]线性回归和机器学习算法在水稻育种小区产量预测上表现较差（R²<0.3）。MobileNet模型的收敛速度和预测精度是最高的，测试结果的R²、RMSE、RRMSE分别为0.55、1.06 t·hm^-2、12.62%。引入注意力机制的MobileNet模型的收敛速度和预测精度得到了一定的提高，测试结果的R²、RMSE、RRMSE分别为0.58、1.03 t·hm^-2、12.26%。利用时域卷积网络（temporal convolutional network）构建的时间序列模型对水稻产量预测精度有一定提升，R²、RMSE、RRMSE分别达到0.64、0.96 t·hm^-2、11.4%。[结论]卷积神经网络为水稻育种材料产量预测提供了可靠方法，为基于无人机平台的水稻高通量表型研究提供了较好的技术支撑。

关键词

无人机影像 / 卷积神经网络 / 产量预测 / 水稻育种材料