題目
基于集成學習方法的煙草葉片氮含量無人機高光譜估測
應用關鍵詞
高光譜遙感、葉片含氮量、集成學習、煙草
背景
煙草生產是中國西南地區農業和農村經濟發展的關鍵支柱。為了給煙葉質量優化提供信息支持，減輕煙農的勞動負擔，對快速、準確、實時的葉片氮含量（Leaf nitrogen content, LNC）檢測方法有很大需求。無人機機載高光譜遙感（Hyperspectral remote sensing, HRS）能夠以非破壞性的方式獲取成像光譜數據，實現煙葉LNC的快速獲取。
一般來說，可以使用經驗方法或物理方法建立模型，或者兩者相結合，以實現目標性狀的反演。為了解決單個反演方法的異質性，一些學者提出了作物表型性狀估計的集成學習框架。與試圖從訓練數據中學習一個假設的普通機器學習方法不同，集成方法試圖構建一組假設并將它們組合起來使用。集成學習的思想是結合幾種不同的方法來增強輸入的多樣性，以挖掘更多的數據特征，從而提高模型的整體性能。
本研究旨在建立一種準確有效的模型，利用無人機機載高光譜圖像估計煙草LNC。研究中測試了幾種基于三種集成學習策略的典型算法，包括隨機森林（RF）回歸、自適應增強（Adaboost）回歸和堆疊回歸。此外，我們選擇了常用的偏最小二乘回歸（PLSR）作為基準模型。主要創新點有：（1）研究了無人機機載HRS在煙草LNC估算中的潛力；（2）評估了不同集成學習策略（如bagging、boosting和stacking）下模型的性能；（3）探索基于堆疊策略提高模型預測精度的可行方法。
試驗設計
江蘇大學趙春江教授團隊利用Gaiasky-Mini2-VN高光譜相機（江蘇雙利合譜公司）獲取了研究區內不同氮處理下煙草冠層的高光譜影像，其波段范圍為400 ~ 1000 nm，波段數為256。各類地物的光譜曲線如圖1所示。在整個田間試驗過程中，每約20天采集一次冠層圖像，從移栽后35天開始，一直持續到收獲。
影像獲取后，第一步，利用ExG去除背景，并提取平均反射率。第二步，利用連續投影算法（SPA）進行數據降維。第三步，建立LNC估計模型，研究中選擇了常用的PLSR作為基準模型（圖1）。此外，采用集成學習方法來完成上述相同的回歸任務。集成學習框架下有三種建模策略，即bagging、boosting和stacking。本研究以決定系數（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均絕對百分比誤差（MAPE）作為評價指標。
圖1 本研究主要步驟流程圖
結論
本研究對全波段高光譜反射率數據進行主成分分析（PCA），提取對LNC變化更敏感的主成分（PC）。如圖2所示，選取前80個PC進行顯示，當主成分數為4、6、7時，累積方差貢獻率（AVCR）分別超過99.5%、99.8%、99.9%。我們選擇SPA作為二次降維算法。與PCA不同，SPA可以通過選擇對LNC變化更敏感的變量來降低數據維度，最終保留了15個波段（圖3）。
圖2 前7個PC貢獻了超過99.9%的信息
圖3 選擇的15個波段
從圖4可以看出，PLSR的R2相對較低，但訓練集與測試集之間的差距較小。由于PLSR結合了PCA和MLR。在這里，我們也給出了MLR的預測結果，訓練集和測試集之間的差距也很小（圖4c、4d）。結果表明，訓練良好的MLR模型具有良好的穩定性，樣本分布均勻，同時也證明了我們的數據集劃分是合理的。
圖4g – 4p顯示了集成學習方法的結果，包括RF、Adaboost和堆疊模型。RF和Adaboost都是基于決策樹回歸（DTR），為了避免過擬合，我們將??????_????????的值設置為5。DTR的預測結果如圖4e和圖4f所示。對于堆疊模型，我們采用雙層結構，MLR和DTR模型（即stacking – 1）作為第一層的基估計器，MLR作為第二層的元估計器。結果表明，stacking - 3模型預測效果好。與DTR模型在測試集上的預測結果相比，stacking - 1模型得到了顯著增強，但相較于SPA-MLR改進幅度較小。結果表明，疊加策略可以傳遞基估計器的優點。通過組合多個模型來挖掘更有價值的數據特征。在圖4m - 4p中也可以看到類似的現象。通過將已經訓練好的模型添加到堆疊框架的第一層，可以發現在最終表現上也有逐漸的改善。當添加RF模型時（stacking – 2），測試集上的R2不僅從0.710提高到0.743，而且超過了RF本身的R2值，RMSE值也有小幅下降。當Adaboost模型被添加時（stacking – 3），與stacking – 2相比，準確度只有輕微的提高。
綜上所述，stacking - 3模型的R2和RMSE最高（0.745, 4.824 mg/g），Adaboost模型的MAPE最小（17.56%）。原因可能是堆疊方法可以從不同的模型中提取更多可用的數據特征。由于數據噪聲的存在，模型在數據特征上往往表現不同。堆疊法可以提取各模型中表現較好的特征，丟棄較差的特征，有效地優化預測結果，提高最終的預測精度。Adaboost模型可以根據每個基估計器的預測誤差調整其權重。錯誤率小的基估計器在最終結果中占有較大的權重。因此，Adaboost模型得到最小的MAPE。對于RF，基估計量相互獨立，最終結果是所有基估計量的簡單平均值，因此RF模型更容易受到異常值的干擾。
圖4 訓練集和測試集下不同模型性能比較
進一步分析每個基估計器對最終結果的貢獻。我們首先選擇已經訓練好的RF和Adaboost模型作為基估計器（圖5a、b）。stacking - 4的綜合性能優于RF。將DTR和MLR分別加入到stacking - 4模型中，得到stacking - 5和stacking - 6模型。結果如圖5c、f所示。stacking - 5和stacking - 6模型之間存在非常小的差異。同時，stacking - 4模型（R2 = 0.876）和stacking - 6模型（R2 = 0.779）在訓練集上存在顯著差異。
從某種意義上說，DTR、RF和Adaboost模型（基于樹的模型）是同質的，因為DTR本身是RF（bagging & DTR|）和Adaboost（boosting & DTR）模型的基估計器。因此，添加DTR不能使模型挖掘更多可用的數據特征。這可能就是stacking - 5模型的性能變化不大的原因。對于線性模型（MLR），它與基于樹的模型原理是不同的，可以學習到一些新特征。雖然在測試集上的表現略有下降，但在訓練集上取得了進步。模型的整體穩定性得到了提高。綜上所述，RF和Adaboost幾乎貢獻了所有的堆疊精度，然后MLR有助于提高模型的穩定性。
最后，對如何正確配置堆疊模型提出了一些建議。理想情況下，堆疊策略的第一層中的基估計器應該是“準確和異構的”。通過這種方式，可以學習更多有價值的數據特征。此外，為了避免過擬合，第二層的元估計器通常選擇一個簡單的模型（線性或嶺回歸），該模型使用第一層的輸出作為訓練的輸入。
圖5 進一步分析堆疊策略
作者信息
趙春江，博士，江蘇大學農業工程學院教授，博士生導師。
主要研究方向：農業智能系統與精準農業技術裝備。
參考文獻：
Zhang, M.Z., Chen, T.E., Gu, X.H., Kuai, Y., Wang, C., Chen, D., & Zhao, C.J. (2023). UAV-borne hyperspectral estimation of nitrogen content in tobacco leaves based on ensemble learning methods. Computers and Electronics in Agriculture, 211.
https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.108008
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