UAV-borne hyperspectral estimation of nitrogen content in tobacco leaves based on ensemble learning methods

高光谱成像 均方误差 偏最小二乘回归 随机森林 试验装置 集成学习 线性回归 Boosting(机器学习) 统计 计算机科学 人工智能 数学 机器学习
作者
Mingzheng Zhang,Tianen Chen,Xiaohe Gu,Yan Kuai,Cong Wang,Dong Chen,Chunjiang Zhao
出处
期刊:Computers and Electronics in Agriculture [Elsevier BV]
卷期号:211: 108008-108008 被引量:44
标识
DOI:10.1016/j.compag.2023.108008
摘要

Fast, accurate, and real-time detection of nitrogen content in tobacco leaves is of great significance for monitoring the quality of tobacco leaves. Hyperspectral remote sensing (HRS) coupled with unmanned aerial vehicle (UAV) platform can provide unprecedented spectral information of field plants on a large scale. And with the support of various machine learning algorithms, a series of efficient models for leaf nitrogen content (LNC) assessment can be developed. This study aimed to develop a high-performance model to estimate the LNC of tobacco using UAV-borne HRS image data. Meanwhile, to cope with the heterogeneous performance problem of the individual model, ensemble learning strategies were applied to assemble multiple estimators, including multiple linear regression (MLR), decision tree regression (DTR), random forest (RF), adaptive boosting (Adaboost), and stacking to mine more valid data features. To accurately assess the performance of the established models, the coefficient of determination (R2), root mean square error (RMSE), and mean absolute percentage error (MAPE) were introduced as the evaluation indicators, and partial least squares regression (PLSR) was selected as the baseline model. Results on the test set showed that all ensemble learning methods outperformed PLSR (R2=0.680, RMSE=5.402 mg/g, 19.72%). Specifically, the stacking-based models achieved the highest accuracy as well as relatively high stability (R2=0.745, RMSE=4.825 mg/g, 17.98%). This study provides a reference for efficient and non-destructive detection of LNC or other vegetation phenotypic traits using UAV-borne HRS technology.
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