基于分形维数和机器学习的水稻生物量预测模型

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水稻是亚洲最重要的粮食,水稻的产量研究对中国的粮食供给平衡有着重要的意义。科学又准确地预测作物的生长状况,提前对产量进行预估,这是当前农业研究的重要课题。这项工作可以为政府提供准确的农业信息,用数据和模型去协助政府制定农业政策,维持农作物的供需平衡,对宏观经济计划具有重要意义。本文提出分形特征参数可以提高水稻生物量预测模型的性能。基于图像特征模型进行预测是目前比较热门的一种生物量预测方式,可以实现对水稻生长状况的无损预测,对智慧农业的发展至关重要。分形维数作为一种重要的几何特征,可以从图像中计算出来,但以往在水稻生长预测领域应用较少。本文尝试将分形维数与传统的水稻图像特征相结合,从而提高预测模型的效果。本文通过使用阈值法将裁剪后的水稻图像转化为二值图,使用盒计数法可以计算得出图像的分形维数。通过计算相关系数和重要性排序选择出与生物量相关性较强的特征,基于随机森林、支持向量回归、多元线性回归和梯度提升树四种方法建立水稻的干重、鲜重和株高的预测模型。对模型效果进行评估,可以得出结论:(1)在建模时加入分形维数可以提高生物量预测模型的效果。分形维数作为水稻的图像特征,可以用来预测水稻的生物量。根据散点图、相关系数和特征重要性排序,分形维数与水稻的干重、鲜重和株高均有着相关性。(2)四种方法得到的模型中,综合效果最好的是多元线性回归模型和梯度提升树模型。线性回归干重预测模型的R~2为0.8697,线性回归鲜重预测模型的R~2为0.8631,梯度提升树株高预测模型的R~2能够达到0.9196。同时多元线性回归模型和梯度提升树模型的MSE和MAPE相对较小。本文建立的水稻生物量预测模型具有较理想的效果,对于水稻研究具有一定的指导意义。(3)水稻的生长阶段会对模型的预测效果产生影响,导致模型的R~2产生波动,平均幅度在5%左右。虽然水稻的生长阶段不同,但本文模型的MAPE依旧可以保持稳定,这些模型整体有着较好的稳定性。
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