一种多光谱与空间校准的核盘菌风险分区方法及系统

本发明涉及农业遥感与精准植保，具体涉及一种多光谱与空间校准的核盘菌风险分区方法及系统。

背景技术：

1、核盘菌是一种能够引起多种农作物发生菌核病的土传病原真菌，其越冬菌源在田间的空间分布情况影响来年病害发生的初始风险。获取越冬菌源的空间分布信息是实施精准植保和降低化学农药施用量的重要基础。随着农业信息化的发展，利用无人机或近地平台搭载多光谱传感器获取农田表面反射率信息，已成为大面积农田状态监测的常规技术手段。

2、在现有的农业遥感应用中，技术人员通常通过多光谱影像提取特定的地表反射特征来评估农田环境。针对病害风险或病原菌越冬载体的监测，行业内普遍采用设定固定的光谱阈值或经验参数来分割目标区域，例如利用特定波段的反射率组合来识别土壤表面的农作物残留物。完成特征提取后，系统会依据设定的固定判定规则划分风险等级，进而生成风险分布图指导后续的农机作业。

3、然而，现有基于固定经验阈值的遥感监测方法在跨田块部署时存在适应性不足的问题。由于不同田块的土壤物理特性与底色存在波动，加之影像采集时的曝光环境多变，沿用固定的经验阈值容易受到曝光环境干扰并产生基准偏差，导致地表特征提取失真，风险分区结果不可靠。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术提出的问题，本发明第一方面提供一种多光谱与空间校准的核盘菌风险分区方法，包括以下步骤：

2、步骤s1，影像获取与校正：在越冬调查窗口期采集作业区域的多光谱反射率影像与rgb影像，执行反射率校正，并同步建立针对各个离散空间单元的影像质量系数；

3、步骤s2，田块网格化与局部土壤背景建立：将田块空间划分为规则网格，在各个独立网格的外扩空间范围内过滤出高置信土壤像素，利用波段中位数与中位绝对偏差构建局部参考基准；

4、步骤s3，局部暗异常与光谱形状差异耦合：基于建立的局部参考基准测定像素亮度偏离程度与波段反射率空间向量夹角，依据当前田块数据算出的内生客观参数执行提取过程，将亮度偏离程度与空间向量夹角复合提取暗材质异常响应；

5、步骤s4，病残体提取与载体—异常邻接耦合：利用自适应阈值分离田面表层的病残体掩膜并向外扩张形成病残体缓冲区，计算所述暗材质异常响应在所述病残体缓冲区内的富集程度，形成载体—异常邻接耦合指数；

6、步骤s5，湿土与阴影机制干扰构建：从网格尺度识别出具有大面积连通特性的低亮度区域以及具备显著方向性延伸特征的低亮度区域，分别构建湿土干扰指数和阴影干扰指数；

7、步骤s6，网格机制证据聚合与稳健归一化：计算网格暗材质异常均值以及超过自适应阈值的暗材质异常面积比，对各项正向机制证据进行极值截断与稳健归一化处理；

8、步骤s7，无标签证据权重生成：根据当前田块各项正向机制证据的信息熵动态分配客观权重，完成无标签条件下的田块内生客观赋权；

9、步骤s8，距离与证据相似度双约束的空间自校准：在相邻网格间建立受到物理中心距离衰减规律与多维证据相似度差异特征双重约束的空间邻接权重，并计算空间持续性指数；

10、步骤s9，确定性越冬菌源风险评分：将网格正向机制证据、空间持续性指数进行加权组合，应用所述湿土干扰指数和阴影干扰指数进行乘性抑制，得到融合多维信息的确定性越冬菌源风险评分；

11、步骤s10，无标签自适应分区及拒绝分级：通过最小类内方差原则对有效网格的风险评分集合进行自适应寻优求解风险划分界限，监测分离度指标以评估分级合理性，触发条件时拒绝强制三级分区；

12、步骤s11，不确定性计算与待复核判定：结合影像质量系数以及风险评分逼近划分界限的绝对距离度量生成决策不确定性指标，将不确定性指标超限或抗干扰能力极低的网格判定为待复核网格；

13、步骤s12，gis结果输出与作业接口调用：将分类结果、质量状态、不确定性指标以及各维度机制特征统一封装，生成包含低风险、中风险、高风险与待复核类别的功能区并对接植保作业参数。

14、优选的，在所述步骤s1中，采用白参考和暗参考对多光谱影像的原始数字量化值进行反射率校正；并计算影像质量系数，其公式为：

15、

16、其中，为第网格的影像质量系数；为清晰度质量分量；为曝光有效率分量；为波段配准质量分量；为缺失率分量；当计算得到的影像质量系数低于预设的质量阈值时，将对应网格标记为待复核网格，该待复核网格不参与后续确定性低风险判定流程。

17、优选的，在所述步骤s2中，根据像素的可见光色度、近红外反射率、局部纹理均匀性以及与田面表层低近红外反射异常区域的空间距离条件进行判定，提取满足至少两项条件的像素构成高置信土壤像素集合；分别计算波段中位数和中位绝对偏差，构建局部参考基准，具体公式为：

18、

19、

20、其中，为第规则网格外扩邻域内第波段的局部土壤背景中位数；为中位绝对偏差；为像素在第波段的相对反射率；为第规则网格的外扩邻域；为高置信土壤像素集合；表示取中位数操作。

21、优选的，在所述步骤s3中，提取暗材质异常响应的具体公式为：

22、归一化亮度：

23、

24、局部暗异常指数：

25、

26、光谱形状差异指数：

27、

28、暗材质异常响应：

29、

30、其中，、和为当前田块蓝光、绿光和红光客观亮度组合权重；、和为像素蓝、绿、红相对反射率；为暗异常尺度参数，取值为当前田块所有像素亮度相对局部背景偏差的百分之九十五分位数与全局中位绝对偏差的比值；为数值稳定常数；为多波段反射率向量；为局部土壤背景反射率向量；表示二范数运算；表示将结果限制在0至1范围内。

31、优选的，在所述步骤s4中，形成载体—异常邻接耦合指数的具体公式为：

32、红光—近红外残茬候选指数：

33、

34、病残体综合响应：

35、

36、载体—异常邻接耦合指数：

37、

38、其中，和为近红外和红光相对反射率；为数值稳定常数；为当前田块稳健分位数归一化算子；为局部边缘密度；为方向纹理一致性；为可见光色度偏离；至为动态分配的客观组合权重；为第规则网格；为按像素距离或地面实际距离扩展建立的病残体缓冲区；为暗材质异常响应。

39、优选的，在所述步骤s5中，构建湿土干扰指数和阴影干扰指数的具体公式为：

40、湿土干扰指数：

41、

42、阴影干扰指数：

43、

44、其中，为第网格内面积超过预设阈值的大连通低亮度区域面积占比；表示均值运算；为局部暗异常指数；为光谱形状差异指数；为第网格；为方向性几何系数。

45、优选的，在所述步骤s6和步骤s7中，稳健归一化及动态分配客观权重的具体公式为：

46、稳健归一化：

47、

48、归一化占比：

49、

50、信息熵：

51、

52、初始客观权重：

53、

54、其中，为机制证据归一化结果；为归一化前的证据值；和为当前田块第项证据的百分之一和百分之九十九分位数；为归一化占比；为有效网格数量；为信息熵；为初始客观权重，经设置数值上下限并重新归一化后使得全部权重之和等于一。

55、优选的，在所述步骤s8中，建立空间邻接权重并计算空间持续性指数的具体公式为：

56、未归一化空间邻接权重：

57、

58、归一化空间邻接权重：

59、

60、空间持续性指数：

61、

62、其中，为网格与网格中心的地面距离；为由当前网格几何边长关系确定的空间距离尺度参数；和为正向证据向量；为由当前田块相邻网格证据差异中位数确定的证据相似度尺度参数；为网格的邻域集合；、、和为归一化正向机制证据；、、和为对应的客观权重。

63、优选的，在所述步骤s10和步骤s11中，求解风险划分界限及生成决策不确定性指标的公式为：

64、第一和第二风险分区阈值：

65、

66、绝对距离：

67、

68、决策不确定性指标：

69、

70、其中，和为阈值；为确定性越冬菌源风险评分；为第个候选风险类别的网格集合；为评分均值；为绝对距离；为影像质量系数；为阈值邻域尺度参数；当满足影像质量系数低于质量阈值、绝对距离低于距离阈值、湿土或阴影干扰指数超限任一条件时，触发待复核网格判定。

71、第二方面提供一种多光谱与空间校准的核盘菌风险分区系统，用于实施上述多光谱与空间校准的核盘菌风险分区方法，包括：

72、影像获取与校正模块，用于采集目标田块的带地理坐标的rgb影像和多光谱影像，完成绝对反射率映射与质量评价体系构建，输出各网格的影像质量系数；

73、网格划分与局部背景建立模块，用于将田块空间划分为规则网格，在外扩空间范围内过滤高置信土壤像素以构建局部参考基准，输出局部土壤背景中位数及中位绝对偏差；

74、亮度—材质解耦模块，用于基于局部参考基准测定像素亮度偏离程度与波段反射率空间向量夹角，计算局部暗异常指数及光谱形状差异指数并复合输出暗材质异常响应；

75、病残体提取与载体—异常邻接耦合模块，用于利用自适应阈值分离病残体掩膜并向外扩张形成病残体缓冲区，计算富集程度，输出病残体载体指数及载体—异常邻接耦合指数；

76、干扰抑制模块，用于从网格尺度识别大面积连通低亮度区域与方向性延伸低亮度区域，输出湿土干扰指数和阴影干扰指数；

77、机制证据聚合与赋权模块，用于对各项正向机制证据进行极值截断与稳健归一化处理，并根据当前田块机制证据的信息熵动态分配田块内生客观权重；

78、空间自校准模块，用于在相邻网格间建立受到距离与证据相似度差异约束的空间邻接权重，输出空间持续性指数；

79、无标签自适应分区模块，用于将网格正向机制证据、空间持续性指数加权组合，应用干扰指数进行乘性抑制得到确定性越冬菌源风险评分，采用类内方差极小值原则自适应寻优求解风险划分界限；

80、复核输出模块，用于结合影像质量系数与风险评分绝对距离度量生成决策不确定性指标，判定待复核网格，将分类结果及特征封装生成各功能区并对接植保作业参数。

81、本发明采用上述技术方案，能够带来如下有益效果：

82、1、本发明通过提取高置信土壤像素的波段中位数与中位绝对偏差构建局部参考基准，将基于内生客观参数算出的亮度偏离程度与光谱形状差异复合提取暗材质异常响应，实现了局部环境参数的田块自校准与亮度材质解耦，消除了因土壤底色波动造成的基准偏差，克服了固定经验阈值易受曝光环境干扰的问题，从而在无人工标签的场景中提升了遥感机制证据提取的客观性与跨区域免调参部署的适应能力。

83、2、本发明通过利用局部自适应阈值分割获取病残体掩膜并建立病残体缓冲区，将暗材质异常响应在病残体缓冲区内的富集程度量化为载体—异常邻接耦合指数，并根据当前田块信息熵动态分配客观权重，实现了将像素统计转换为具备越冬依附习性解释的生物学机制证据，配合对大连通湿土及方向性阴影的乘性抑制，滤除了非目标因素带来的干扰，保障了系统在复杂覆盖背景下的严密性与物理可解释性。

84、3、本发明通过在相邻网格间建立受到物理距离衰减与多维证据相似度差异双重约束的空间邻接权重，并采用最小类内方差原则对有效网格风险评分集合自适应寻优求解风险划分界限，实现了空间持续性特征增强与地物边界的保留，结合分离度指标评估分级合理性以拒绝强制三级分区，并结合影像质量系数以及风险评分到最近分区阈值的绝对距离生成不确定性指标以判定待复核网格，避免了在质量欠佳或干扰严重区域强制进行等级划分，为植保作业对接提供了可靠的决策依据。