基于遥感与多变量概率抽样调查的作物种植面积测量

针对传统抽样调查工作中调查基础资料时效性不高和野外调查工作量较大等问题,该文提出了一种遥感与MPPS(multivariate probability proportional to size)抽样调查相结合的农作物种植面积测量方法。利用第2次农业普查数据进行抽样框的编制;利用时序中分辨率遥感数据进行农作物种植面积的分类;在中分辨率遥感分类图的基础上进行MPPS抽样;采用高空间分辨率遥感数据对抽选样本进行面向对象的分类;根据MPPS抽样方法进行总体农作物种植面积的推断;计算CV值,评价抽样精度,以国家统计局公布数据为标准进行总体面积精度评价。以辽宁省北镇市为研究区对该方法进行了测试。结果显示,该方法能够有效的提取县级农作物种植面积,农作物种植面积提取精度优于92%。     

基于GF-1卫星数据的农作物种植面积遥感抽样调查方法

GF-1号卫星是中国2013年4月26日发射的一颗高分辨率遥感卫星,为解决该新型卫星数据在农作物对地抽样遥感调查中的应用技术方法问题,该文针对GF-1号卫星数据的特点,研究了基于GF-1号卫星16m WFV传感器和2m/8m PMS传感器卫星数据的农作物种植面积遥感抽样调查方法。根据研究区物候历,选择农作物识别关键期的16m WFV传感器数据进行多时相农作物种植面积的中分辨率遥感提取;在中分辨率农作物面积遥感分类图基础上,计算研究区域的MORAN I指数,确定格网抽样单元的大小,进行多目标农作物的MPPS(multivariate probability proportional to size)抽样;对抽样单元采用2m/8 m PMS传感器卫星数据进行高分辨率农作物面积制图;最后根据MPPS抽样方法进行总体农作物种植面积的推断,并计算CV值,评价抽样精度。以江苏省东台市为研究区对GF-1号卫星数据进行了应用研究。研究结果表明,GF-1号卫星数据完全可以应用于县级农作物种植面积的提取,农作物种植面积提取精度优于90%。     

支持向量机与分类后验概率空间变化向量分析法相结合的冬小麦种植面积测量方法

利用遥感手段提取农作物种植面积时,需要结合作物物候特征,以提高面积的提取精度。该文以北京市通州区西南部为试验区,以冬小麦为研究对象,利用多时相的环境减灾小卫星遥感影像数据,通过基于支持向量机二分法的分类后验概率空间变化向量分析法进行冬小麦种植面积遥感测量试验研究。研究结果表明：该文提出的方法测量结果总体精度、Kappa系数分别为95%、0.90,远高于支持向量机（SVM）分类后直接比较方法（总体精度91%,Kappa系数0.79）;解决了实际应用中的变化阈值选取的主观性问题,该方法的频度直方图两极化现象使得变化阈值取值部分频度被压低摊平,阈值敏感度降低,变化阈值取值更为客观,一定程度上解决了阈值难以设定的问题;SVM二分法和变化向量分析的结合增强了对光谱的敏感性,能够监测不同季相上植被的长势变化,进而提高了农作物种植面积遥感测量的精度,同时对其他农作物种植面积测量提供了途径。     

面向省级农作物种植面积遥感估算的分层方法

针对当前遥感抽样估算中分层标志缺乏遥感识别误差描述的问题,该文探讨了基于农作物遥感识别结果的不同分层方法的抽样效率。以江苏省为研究区,采用2阶段分层,采用数字高程模型(digital elevation model,DEM)标准差进行一阶段分层,在一阶段分层的基础上,分别采用农作物识别种植规模、遥感识别破碎度、种植结构以及种植结构与破碎度指标进行二阶段分层。试验结果表明:种植结构与破碎度指标的分层效率最高,相对效率达到5.90,该分层指标融合了遥感分类结果反演出的种植结构和破碎度,不但能够有效地反映出农作物区域的景观特征,同时也较为合理地反映出区域间作物种植的差异性,为提高省级农作物种植面积遥感抽样估算效率提供有力的参考。     

农作物种植面积遥感抽样调查的误差影响因素分析

空间抽样技术在农作物种植面积调查中具有不可替代的作用,各抽样要素(抽样率、抽样调查单元尺寸及布局)对于抽样精度的影响至关重要。该文以湖南省晚稻为研究对象,设计了9种抽样调查单元和31种抽样率水平,以晚稻面积百分比为分层标志进行空间分层抽样,分析抽样格网大小、抽样率及样本空间分布格局对面积估算精度的敏感性及控制途径,并建立3种影响因素对面积估算的综合评估模型。结果表明:1)作物面积估计的平均抽样误差随抽样格网尺寸的增加而增加(R2=0.92),当抽样格网控制在5 km以内时,平均误差基本限制在5%以下,标准差变幅稳定在0.12以内;2)作物面积估计的平均抽样误差随抽样率的增加而逐渐降低(R2=0.82),当抽样率达到0.4%时,平均误差基本限制在5%以内,标准差变幅稳定在0.12以内;3)在抽样率确定的情况下,样本的空间分布是影响抽样精度的重要因素,随着样本空间分布由近似均匀分布向随机分布再向集群分布变化,作物面积估计量的平均抽样误差逐渐增大,当样本空间分布的方差均值比指标0.7时,平均误差控制在5%以内,标准差变幅稳定在0.1以内;4)得到3种影响因素对面积估算精度的定量评估模型。该成果揭示了农作物种植面积抽样过程中样方尺寸、抽样率和样本空间分布对精度影响的敏感性,为农作物种植面积监测空间抽样方案的选取以及确定特定的抽样方案可以达到的面积估算水平提供了理论基础。     

冬小麦面积遥感识别精度与空间分辨率的关系

不同空间分辨率农作物面积识别精度是农情遥感监测数据源选择的依据。该文采用WFV(wide field view)、MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)、OLI(operational land imager)、Google Earth影像,在天津市武清区选择了12 km×14 km的冬小麦种植区作为研究区域,采用目视识别的方法,分析了2、5、10、15、30、100、250 m共7个空间分辨率尺度下冬小麦面积识别精度与遥感数据分辨率、农田景观破碎度之间的关系。结果表明,随着空间分辨率由2 m变化到250 m,冬小麦面积识别的总体精度逐步由98.6%降低到70.1%,精度降低28.5%;面积数量比例由5.5%扩大到110.6%,误差增加105.1个百分点;面积精度呈明显下降趋势,数量误差呈明显增加趋势,数量误差的增加速度高于精度下降的趋势。高、中、低3个景观破碎度条件下,随着分辨率由2 m降低到250 m,作物识别精度分别降低了72.8、63.2和47.0个百分点,破碎度的增加导致面积识别精度下降速度更快;同等分辨率下,破碎度越高的地区面积识别精度越低。像元内冬小麦占比与可识别能力密切相关,像元占比达到45.0%以上时才能够被正确识别为冬小麦类型,像元尺度降低导致细小斑块丢失是造成面积识别与数量精度降低的主要原因。像元空间分辨率越高,冬小麦像元的光谱一致性越强,越有利于冬小麦分类精度的提高。针对农情遥感监测业务运行的需要,上述研究结果可以作为区域范围不同用户精度要求前提下遥感数据源选择的依据。     

华北平原冬小麦面积遥感提取及时空变化研究

多年作物种植面积的时空变化可以反映种植结构的调整结果,并可用于进行驱动力分析。为解决连续遥感监测作物种植面积变化过程中,不同的训练样本或分类规则不能较好地反映作物种植面积时空格局变化的问题,本文首先根据研究区(华北平原)农业气象观测站提供的主要农作物物候观测资料获得主要农作物典型物候期特征,结合HANTS滤波后的NDVI时间序列数据提取不同地物类型的NDVI时序曲线,引入复种指数,探讨了CART算法在提取华北平原冬小麦种植面积的可行性,最后提取了2000—2013年华北平原冬小麦种植面积,并参考市级的农业统计数据进行精度评价。经检验,近13年的遥感监测种植面积与农业统计面积相关系数达到0.94(置信水平为95%),且各市13年面积一致性小于40%的概率仅为15%。利用遥感监测多年冬小麦空间分布信息获得其空间种植概率,能较好地反映研究区冬小麦的主要种植区,该方法可为大范围、连续年份冬小麦种植面积时空格局的遥感监测提供参考。     

基于结构规模的冬小麦种植面积遥感抽样估算

在种植结构复杂地区,由于受到混合像元和同期作物的影响,传统的以规模为分层标志进行冬小麦种植面积遥感估算难以保证抽样效率和精度。该文综合考虑混合像元、同期作物的影响,构建了结构规模指标进行冬小麦种植面积遥感抽样估算。采用TM和QuickBird为研究数据,设计不同的抽样方案估算冬小麦的种植面积,计算标准误差、准确度和变异系数衡量估算精度,与传统简单随机、规模指标分层抽样进行对比分析,验证本文方法的有效性。试验结果表明,以结构规模指标分层抽样的反推结果在各项指标上均明显优于传统简单随机、规模指标分层抽样方式,尤其在小样本量时,标准误差降低2.0×105m2,准确度提升了1%。该研究结果为在大范围种植结构复杂地区进行冬小麦种植面积遥感估算的改进提供了试验依据。     

应用线性混合模型遥感监测冬小麦种植面积

中分辨率成像光谱仪（MODIS）具有多光谱、多时相以及免费接收使用的优势。该文利用冬小麦返青期间的MODIS多光谱数据,采用传统的监督分类和阈值方法研究冬小麦种植区域的分布情况,同时针对遥感像元多为混合像元的特点,重点将线性混合像元分解技术应用于冬小麦种植面积的分解计算研究。比较不同分类方法对冬小麦种植面积估算的精度分析表明,采用线性混合分解模型,绝大部分（98.45%）的均方根误差都小于0.01,对比实际冬小麦种植面积数据,相对误差约3%,明显优于传统遥感分类方法的精度。     

粮食作物面积遥感测量运行系统的设计与实现

利用遥感技术及时、准确地掌握主要粮食作物种植面积,对相关部门制定农业生产和农村政策具有重要的意义。针对目前商业软件（ERDAS、ENVI等）存在业务性不强、数据组织管理无序、难以操作等问题,设计并实现了一套适合粮食作物种植面积遥感测量业务软件系统。该系统以遥感技术和空间抽样技术为支撑,采用3层软件架构模式,实现了遥感图像处理、粮食作物面积测量、海量遥感数据管理等功能,具有业务流程明确、数据管理有效、升级快速便捷的特点,能够很好地满足业务化运行需要。通过2009年北京市冬小麦面积遥感测量业务运行,证明该系统能够简单、快速准确地测量出冬小麦的种植面积,达到满足业务化测量精度和时效的要求。     

空间自相关性对冬小麦种植面积空间抽样效率的影响

空间抽样是实现区域农作物面积高效估算的重要手段,农作物分布受自然条件等因素影响普遍存在空间自相关性,但以往针对空间相关性对农作物面积抽样效率的影响研究明显不足。该研究选取安徽省凤台县为研究区,通过2017年4月4景GF-1全色多光谱影像(Panchromatic and Multispectral, PMS)与Google Earth高空间分辨率影像相结合提取研究区冬小麦。设计10种抽样单元尺度、3种抽样外推方法、2种相对允许误差和5种样本布局方式,构建多种冬小麦面积空间抽样方案。利用全局莫兰指数(global Moran’s index)评价不种尺度下抽样单元内冬小麦面积比的空间自相关强度,分析空间自相关性对冬小麦面积抽样效率(抽样误差、样本容量和空间布局)的影响。研究结果表明,抽样单元内冬小麦面积比的空间自相关强度随单元尺度的增大而减小,全局莫兰指数相应地由0.75降至0.50。无论在何种尺度下抽样单元内冬小麦面积比都呈显著的空间正相关性;抽样外推冬小麦面积总体的误差随空间自相关强度的减小呈先减小后明显增大的趋势。在10种抽样单元尺度中,当抽样单元尺度为2000m且抽样比为5%时,无论采用何种抽样方法外推总体的误差均为最小(简单随机抽样、系统和分层抽样外推总体的相对误差分别为17.94%、9.48%和1.82%);当相对允许误差设计为5%时,简单随机抽样外推总体所需样本容量随空间自相关强度的降低从660降至56。而分层抽样的样本容量不受空间自相关性的影响;5种样本布局方式中,采用分层随机抽样方式外推冬小麦面积总体的平均相对误差、平均变异系数和均方根误差最小,分别为1.82%、3.19%和0.11×108 m2。该研究可为有空间自相关存在下的农作物面积空间抽样方案合理设计提供参考依据。     

作物种植面积空间对地抽样方法设计

传统的粮食作物种植面积估算一般采用目录抽样方法，由于缺乏现实、有效的先验知识，抽样过程受精度和效率制约。本文利用地理信息系统、遥感和全球定位系统技术，结合传统的随机、系统和分层抽样方法，设计三种新的粮食作物种植面积空间对地抽样方案，并在此基础上开展试验对比研究，分析它们在抽样精度、最少样本量和稳定性方面的差异。结果表明，本文所设计的空间分层抽样方法所需样本量较小，且具有较高的估算精度和稳定性，可以用于大范围农作物种植面积监测。     

空间抽样方法估算冬小麦播种面积

为改进现行农作物播种面积空间抽样技术体系,该文以山东省为研究区,以冬小麦播种面积为研究对象,通过"3S"技术(遥感、地理信息及全球定位技术)与传统抽样方法的联合应用,选取4种抽样技术(简单随机抽样、按冬小麦种植区划分层抽样、按耕地类型分层抽样和按分县冬小麦面积大小分层抽样),设计8种样本容量水平(变化范围74～333)进行了冬小麦播种面积空间抽样方法试验研究,结果表明:4种抽样方法中,在外推总体相对误差相近条件下,以分县冬小麦播种面积大小为分层标志的分层抽样方法效率最高;基于8种样本容量下的样本观测值进行研究区冬小麦播种面积总体外推与误差估计时,随着样本容量增加,外推总体总值估计值与真值的相对误差随之减小,但总体总值估计量的变异系数(CV)值仍较大。     

粮食作物播种面积遥感监测研究进展

介绍了遥感监测粮食作物播种面积的理论和现实意义,回顾了国内外基于常规方法、线状框架采样、面积框架采样、光谱混合模型(spectral mixture model , SMA)等方法进行植被制图和进行粮食作物识别研究的现状和存在的问题, 并对基于波谱库的农作物播种面积监测提出了建议。     

数据驱动的农作物遥感分类地面样本点布设

地面样本点是农作物遥感分类模型训练的基础，样本点数量和质量是影响模型分类精度的2个主要因素。该研究构建了数据驱动的样本点布设方法，利用待分类影像的光谱、植被指数等特征构造分层抽样底图，结合分层随机抽样方法进行地面样本点布设，并分析不同抽样策略对农作物遥感分类结果的影响。采取基于k-means聚类分析的数据驱动方法，考虑6景哨兵2号影像提取的共78个分类特征，生成同一个最优k的聚类结果图；设计等量分配和按面积比分配2种样本量分配方式，样本点数量为25、49、100、169、225的5个总样本量；基于不同抽样策略获取地面样本点信息，利用同一个支持向量机模型对待分类影像进行监督分类，并通过与139个样本点的理论总样本量和400个样本点的传统方式总样本量对比分析，定量解析不同抽样策略对分类精度的影响。结果表明：1）在数据驱动非监督聚类生成的底图上进行抽样（按面积比分层抽样法、等量分层抽样法）获得的样本点质量和分类精度明显优于没有该底图的抽样策略（简单随机抽样法、系统抽样法）；2）当总样本量低于理论总样本量时，等量分层抽样法能获取比按面积比分层抽样法更高的分类精度。例如，当理论样本量为139时，...     

小地物比例提取在河北耕地遥感调查中的应用研究

小地物的存在是影响大尺度下遥感面积监测的重要因素。该文以河北省为研究区域，借鉴分层抽样的基本思想，采用分区抽样方法，在不同立地条件的耕地上布设小地物抽样样方，共99个，最终得到河北省耕地中小地物面积比例的一系列估计值。其中，水田为10.15％，平原为3.51％，丘陵为7.14％。利用该数据对河北耕地面积遥感调查结果进行修正，可有效提高其结果的精度，对于河北省耕地面积遥感调查、作物面积遥感调查等应用具有实用性和使用价值，同时对具有相似立地条件的地区有重要的参考价值。     

基于影像分析的黄土丘陵沟壑区土壤水分采样研究

[目的]以山西省寿阳县三眼井小流域土壤水分采样为例,对采样点进行了均匀性和代表性分析,以此验证土壤采样设计的合理性。[方法]利用统计分析SPSS 13.0软件和ArcGIS软件,以规则网格采样点作为初步布设图,然后结合遥感影像,把自动生成的规则网格采样点在兼顾土地利用类型和可操作性的前提下进行微调,即采用大均匀小随机布点法进行土壤采样点布设。[结果]最近邻点指数和变异系数均显示采样点分布较均匀;从采样点的坡度代表性来看,由于大均匀小随机采样考虑到实际可操作性,采样点布设多集中在0°~15°,坡度的代表性较差;从采样点的坡向代表性来看,采样点代表性较好;从土地利用类型代表性来看,大均匀小随机法得到的采样点对草地与耕地的代表性较好,对林地的代表性较差,主要因为林地多分布在陡坡上难以采样。[结论]总体来看,大均匀小随机采样法得到的样点均匀性和代表性都比较好,且由于黄土丘陵沟壑区沟壑纵横,地形复杂,利用此方法可以兼顾均匀性、代表性和可操作性。     

县域农田土壤采样布局多目标优化分析模型

合理布置农田土壤采样点可以在满足采样精度的前提下显著降低采样数量及成本,或在有限采样数量的限制下确保采样具有最佳的代表性。通过研究筛选区域范围内多种影响农田土壤养分采样点分布的因素,以及不同土壤养分的空间效应,建立区域农田土壤养分采样点布局多目标优化决策分析模型;并结合改进的遗传算法进行模型的求解过程分析。采用江苏省宝应县的农田空间数据及筛选的环境数据,分别从给定采样点数量条件下寻求最佳采样点分布方案,以及在满足采样精度和代表性的前提下确定最小采样点数量等2个角度进行了模型的分析验证工作;结果表明该模型可适用于解决县域范围大量分散耕作农田的土壤养分统一采样规划问题,为采样点的合理分布提供了一种定量优化分析手段。