基于遥感数据和气象数据的水旱地冬小麦产量估测

研究利用遥感数据进行了运城地区冬小麦不同生育时期归一化差值植被指数和产量关系的研究,利用气象数据和光谱数据构建了冬小麦光谱产量模型、气象产量模型以及光谱气象产量模型。结果表明：运城地区水旱地冬小麦均以5月8日左右的NDVI值与产量相关性最好,且达极显著水平,因此该时期为建立冬小麦遥感估产模型的最佳时相。通过对冬小麦光谱产量模型、气象产量模型以及光谱气象产量模型预测效果进行的F检验,表明各模型均达到极显著水平。与其他两种模型相比,光谱气象产量模型的决定系数（R2）有明显的提高,并且相对均方根误差（RRMSE     

基于中高分辨率卫星遥感数据的县域冬小麦估产

随着人口的增加和耕地面积的不断减少,粮食安全问题一直备受关注。该文以山东省广饶县为研究区,探讨基于中高分辨率卫星遥感数据的县域冬小麦估产技术。采用陆地卫星和中巴资源卫星（CBERS）中高分辨率遥感图像,选择冬小麦信息较为突出的4个相似时相,经几何精校正、掩膜、相对辐射校正等预处理,在分析研究区典型地物光谱特征的基础上,采用决策树分类方法提取冬小麦种植面积。同时,利用植被指数变化规律对各时相植被指数进行修正,根据植被指数分布情况及其与产量的关系,分别构建了基于像元比值植被指数之和（∑RVI）及不同长势区归一化植被指数（NDVI）的冬小麦估产模型。结果显示：各时相冬小麦种植面积的提取精度均在96%以上,且具有较好的空间精度;二种估产模型的估产精度分别达到了96%以上和94.74%,效果较好。研究为县域冬小麦产量的预测提供了有效方法,能更好地指导冬小麦生产和粮食政策的制定,对区域农业可持续发展和粮食安全有积极价值。     

NDVI时序相似性对冬小麦种植面积总量控制的制图精度影响

遥感技术获取的区域作物面积与作物面积统计数据间常常存在不一致的问题,这在一定程度上影响了作物分布遥感制图信息的应用。为获得与作物面积统计数据一致的高精度作物分布遥感制图信息,该研究以河北省衡水市武邑县为研究区,以时序Sentinel-2遥感影像生成的归一化差值植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)为研究数据,将冬小麦面积目视解译数据作为遥感提取的区域冬小麦面积总量参考,提出基于复合型混合演化算法(Shuffled Complex Evolution-University of Arizona, SCE-UA)和区域作物种植面积总量控制的NDVI时序相似性阈值优化冬小麦分布制图方法,并进行精度验证。在此基础上,进一步开展不同生育阶段NDVI时序相似性及其相似性组合的冬小麦分布提取精度对比研究。结果表明,利用全生育期NDVI时序相似性获得的冬小麦分布制图结果总量精度达99.99%以上,总体精度达98.08%,Kappa系数为0.96,可以保证遥感提取的区域冬小麦面积与冬小麦种植面积总量控制参考间的高度一致性且能获得较高的作物遥感识别精度。从不同生育阶段NDVI时序相似性及其相似性组合的冬小麦分布提取结果可知,利用出苗期-分蘖期、返青期-拔节期的NDVI时序可获得高精度冬小麦分布提取结果,而利用抽穗期-成熟期的NDVI时序数据提取冬小麦结果则精度较低,且综合不同生育阶段NDVI时序数据有利于冬小麦制图精度的提高。该研究可为高精度冬小麦分布提取和制图技术及其方案优化提供一定参考依据,也可为遥感数据和作物面积统计数据融合的大范围农作物分布遥感制图及统计数据空间化提供一定技术方法参考和思路借鉴。     

基于决策树和混合像元分解的江苏省冬小麦种植面积提取

归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)时间序列曲线能提供作物生长动态变化信息,将其应用于农作物种植面积提取具有一定优势。该文以江苏省为研究区域,采用2013年1月1日-2014年12月19日46景250 m空间分辨率的MODIS-NDVI时间序列数据、2014年4月23日的MOD09A1反射率影像及Landsat数据,开展冬小麦种植面积的遥感识别,首先利用MODIS数据建立作物的归一化植被指数时间序列曲线,再采用Savitzky-Golay滤波方法对NDVI时间序列数据进行重构,并基于农作物物候历、种植结构和种植模式等信息,提取研究区域典型地物物候生长期的关键值,在分析冬小麦、林地、水稻物候期(生长期开始时间、生长期结束时间、生长期幅度、生长期长度及生长期的NDVI最大值)变化趋势的基础上,综合比较分析不同地物平滑重构后的NDVI时间序列曲线特征,界定作物种类,确定训练规则,利用快速、高效的决策树方法,通过多阈值限定进行分类,初步提取冬小麦的空间分布范围;但是由于存在混合像元,阈值范围的设定会影响冬小麦种植面积的提取精度,针对此类问题,运用地表反射率影像数据提取冬小麦端元波谱曲线,结合线性光谱混合模型进行混合像元分解,进而根据冬小麦丰度比例精确提取冬小麦种植面积;最后利用统计数据和空间分辨率较高的Landsat TM 8影像数据对提取结果进行县域级验证。精度评价结果表明,研究区域的冬小麦种植面积提取精度达到90%,能够较准确地反映研究区域冬小麦的分布情况,表明运用中高分辨率遥感时间序列影像数据可以准确提取作物种植面积,为农作物种植面积信息提取提供参考。     

用NOAA图像监测冬小麦面积的方法研究

冬小麦种植面积是农情监测中一个重要的监测因素,对生产管理与产量预测有重要意义。该文在冬小麦与同期主要大宗作物绿度－时相曲线对比分析的基础之上,建立反映冬小麦种植区域的差值植被指数图像,采用遥感－统计的方法,对利用ＮＯＡＡ图像进行冬小麦种植面积遥感监测进行了初步研究。通过对我国冬小麦主产区的河北、河南和山东三省的监测实验证明,该方法适用于大范围的冬小麦种植面积遥感监测。     

倒伏水稻特征分析及其多光谱遥感提取方法研究

倒伏水稻的识别对灾后农业生产管理、灾害保险、补贴等工作有重要意义。为应用高分辨率遥感影像准确提取倒伏水稻面积,本文利用2019年9月27日获取的哨兵2号多光谱遥感影像,研究黑龙江省同江市倒伏水稻的光谱、纹理特征,并基于光谱与纹理特征建立倒伏水稻的遥感提取模型。研究结果表明水稻倒伏后可见光-近红外-短波红外等8个波段的反射率均升高,其中短波红外、红光和红边1等3个波段的反射率上升大于0.06。倒伏水稻的典型植被指数中,归一化植被指数、比值植被指数、增强植被指数和红边位置指数均降低,但差值植被指数升高。倒伏与正常水稻在红光、红边1和短波红外等3个波段的均值纹理数值差距明显,红光波段的纹理均值差异最大。利用归一化植被指数、地表水分指数、比值植被指数和差值植被指数以及红光波段的纹理均值构建决策树分类模型,监测结果表明农场内倒伏水稻分布较散,其西部和南部水稻受灾面积较大,北部受灾面积较小,中部偏北和东部基本未倒伏。将本文模型所提取的结果与实测面积对比,正常与倒伏水稻的面积识别误差分别为3.33%和2.23%。利用随机验证样本与模型验证结果进行混淆矩阵分析,倒伏水稻的用户精度和制图精度均为92.0%,Kappa系数为0.93。该方法能够适用于大区域倒伏水稻提取,可为高分辨率多光谱遥感数据调查水稻倒伏面积提供相关依据。     

基于MODIS的河南省遥感干旱监测研究

基于遥感的大面积干旱监测发挥着重要作用,但多种不同的遥感干旱指数在不同区域的空间适应性研究相对较少。利用MODIS数据分别计算归一化植被指数、距平植被指数、植被状态指数和温度状态指数等,并结合传统气象干旱指数分析近10a来河南省的干旱情况。结果表明,2000—2009年有6a发生了不同程度的干旱,其中豫北和豫西地区的干旱程度严重,遥感干旱监测的结果与气象干旱指数基本一致;分析了河南省不同区域和时段内基于遥感的干旱指数与气象干旱指数的相关性,总结出4种基于遥感的干旱指数在时空格局中的适用性,为干旱监测提供技术支持。     

基于HJ卫星CCD数据的冬小麦病虫害面积监测

遥感在农作物病虫害监测中广泛采用的简单植被指数阈值法难以判别冬小麦的健康状况。该研究选择二值逻辑回归法,分别建立实测光谱得到的植被指数与其健康状况之间的关系模型。结果表明,重归一化植被指数RDVI模型和三角植被指数TVI模型可信度较好。考虑到遥感监测冬小麦病虫害时,涉及的地域范围广,冬小麦生长状况存在明显的局域差异,采用了3×3邻域像元的一致性假设消除局部环境差异。将模型应用到中国新近发射的环境与灾害监测预报小卫星星座HJ-CCD传感器数据,得到提取的冬小麦受病虫害胁迫范围与枣阳市植保站普查结果相符,也与地面实测结果相一致,其中,TVI模型结果的精度达到76.47%,能够满足农作物病虫害面积遥感监测要求。     

基于种植制度利用MODIS数据提取冬小麦种植面积

为了及早获取冬小麦种植面积,为国家制定相关政策提供科学依据,该文基于山东省种植制度,将山东省冬小麦划分为“机播冬小麦—玉米”和“人工撒播冬小麦—水稻”两种类型,利用MODIS影像数据,分析冬小麦播种后、越冬期前冬小麦、大蒜、温室蔬菜的归一化差值植被指数（NDVI）值特征,结合9月中旬前茬作物NDVI特征建立当年机播冬小麦提取条件;鉴于稻茬麦播种后、越冬前的光谱特征与温室蔬菜光谱特征极为相似,则在水稻种植区利用拔节期冬小麦生物量迅速增长的特点提取上一年稻茬麦种植面积,由于“人工撒播冬小麦—水稻”这种耕作模式在山东特定地区较为固定,因此将上一年稻茬麦面积作为当年稻茬麦种植面积;合并两种类型冬小麦面积,用284组定位点数据对提取结果进行检验,精度达到了94.01%,结果表明：于越冬期前提取冬小麦种植面积是可行的,提取时间较利用拔节期NDVI值方法提前4个月。     

频率直方图与植被指数结合的冬小麦遥感产量估测

基于机器学习方法建立的作物产量估测模型常因过拟合等问题导致泛化性能偏低,产量估测精度不高。该研究以河南省为研究区,分别对不同波段地表反射率数据采用均值法和频率直方图法构造样本特征集作为输入变量,结合随机森林（Random Forest,RF）算法建立冬小麦遥感估产模型。研究结果表明,频率直方图法预测效果优于均值法,平均绝对误差和均方根误差分别为660和860 kg/hm2,决定系数最高达到0.83,达极显著水平（P<0.01）;7个地表反射率波段中,近红外1波段表现最好;单个合成指数中,归一化水分指数的表现要优于归一化植被指数;波段组合中,归一化植被指数和归一化水分指数的组合验证效果最优,平均绝对误差和均方根误差分别为444和527 kg/hm2,决定系数为0.89,达极显著水平（P<0.01）,其组合预测效果在4月15日至22日时段内表现最佳,该时段对冬小麦产量的影响最大。该研究通过采用基于频率直方图法构建样本特征结合随机森林算法建立冬小麦遥感估产模型,可为县域冬小麦遥感估产提供一种有效的解决方案。     

基于多年MODIS-NDVI的黄淮海农区冬小麦生产力评价

黄淮海农区是中国重要的粮食生产基地,研究该地区不同等级生产力耕地的空间分布,对提高该地区生产力有重要的意义。该文在提取研究区冬小麦种植空间分布的基础上,对10a时间序列冬小麦MODIS-NDVI进行特征参数提取,并将冬小麦主要生长季多年NDVI特征值均值和年际变异系数,作为多年平均产量水平和稳产水平的指示指标,进行黄淮海农区冬小麦种植区耕地生产力评价,得到黄淮海农区冬小麦生产力空间分布图。结果显示:1)多时相MODIS-NDVI数据可以用于研究区冬小麦种植空间分布提取。经县级尺度验证,有较高的提取精度;2)县级尺度的冬小麦单产水平与其辖区内冬小麦生长关键期多个NDVI特征值有显著的相关关系,可以用来评价冬小麦生产力水平;3)研究区冬小麦种植区耕地以中低生产力水平为主,高生产力水平的耕地只占不到20%。高生产力的麦田大多分布在水热条件较好的黄淮平原亚区,中等生产力麦田大多分布在燕山太行山山麓平原亚区和鲁西黄灌区,而低生产力的麦田多分布在冀、鲁、豫低洼平原亚区。低生产力麦田分布集中连片的区域多为春旱易发、土壤粘淤或低洼积盐的地区。呈现出整体气候条件主导,局部土壤条件影响的高中低生产力空间分布特征。研究结果可以为黄淮海农区的耕地质量管理和中低产田改良提供依据。     

基于环境减灾卫星时序归一化植被指数的冬小麦产量估测

依托国产环境减灾卫星构建作物归一化植被指数(NDVI)时序曲线,不但能提供与MODIS-NDVI、AVHRR-NDVI几乎相当的作物生长动态变化信息,还能提供更高分辨率的空间信息,将其应用于作物估产应更有优势。该研究以地处鲁西北平原的山东省禹城市为研究区,探讨基于环境减灾卫星影像构建冬小麦NDVI时序曲线,基于曲线特征参数,开展遥感估产的可行性。结果表明,可依赖环境减灾卫星遥感影像,重建冬小麦NDVI时序曲线,求算其生长季最大NDVI、返青期NDVI、生长季累积NDVI、营养生长期NDVI的变化速率、生殖生长期NDVI的变化速率等特征参数,建立可靠的估产模型。所建模型的建模决定系数为0.87,相对误差为5.02%;交叉检验决定系数为0.78,相对误差为6.87%。该研究可为基于遥感的作物估产提供参考。     

基于时序归一化植被指数的冬小麦收获指数空间信息提取

为获取农作物收获指数（HI）空间分布信息,该研究充分利用遥感技术,以冬小麦为例,利用时序归一化植被指数NDVI构成的作物生长过程曲线提取MODIS NDVI阶段性累积特征参数,并用生殖生长关键阶段和营养生长关键阶段对应的NDVI累积参数比值HINDVI_SUM构建了用于反演冬小麦收获指数的参数,并建立了参数HINDVI_SUM与冬小麦实测收获指数的定量关系,利用上述定量关系实现作物收获指数空间信息的提取。经过对反演冬小麦收获指数的精度验证,结果表明,利用构建参数HINDVI_SUM在区域范围内反演冬小麦收获指数取得了较好的效果。其中,冬小麦收获指数预测的平均相对误差为2.40%,均方根误差（RMSE）为0.02,证明了该研究利用时序NDVI构建参数HINDVI_SUM反演区域冬小麦收获指数空间信息的方法准确性和可行性。     

基于NDVI加权指数的冬小麦种植面积遥感监测

该文针对农业信息服务中冬小麦种植面积调查业务的现状与需求,提出了一种基于NDVI（normal difference vegetation index）时间序列的冬小麦NDVI加权指数（WNDVI,weighted NDVI index）影像算法,可在训练样本、验证样本选择的基础上实现冬小麦面积的自动提取,并以河北省安平县及周边地区2013－2014年度冬小麦面积提取为例,采用GF-1/WFV（wide field view）数据进行了算法实现。算法的主要思路是在时序影像基础上,通过冬小麦NDVI加权指数影像的构建,扩大冬小麦地类与其他地类的差异,结合自适应的阈值获取方法,区分冬小麦地类,获取冬小麦作物面积。算法包括冬小麦时间序列影像的获取、基于网格的样本点设置、构建冬小麦 NDVI 加权指数影像、迭代确定冬小麦NDVI加权指数提取阈值、精度验证这5个部分。影像的获取根据冬小麦的生长时间确定,保证每月1景GF-1/WFV无云影像,并进行预处理及NDVI计算;同时将研究区划分为一定数量的网格,每个网格再等分为2×2个子网格,根据目视解译、专家知识、实地调查等方法,确定左上网格中心点及右下网格中心点的地物类型。统计该期所有左上网格点冬小麦及其他地物的NDVI均值,冬小麦NDVI大于其他地物的将该期影像的权值设置为1,否则设置为?1,将所有时相NDVI影像进行加权平均,即可获取冬小麦NDVI加权指数影像。获取冬小麦NDVI加权指数影像后,还需设置合适的阈值提取冬小麦。该文选用右下网格点目视解译分类结果作为阈值提取依据,具体方法是将冬小麦指数从小到大按照一定间隔划分,作为冬小麦 NDVI 加权指数提取阈值,将各阈值二值法运用,与右下网格点的冬小麦提取的目视解译结果对比,精度最高的就是最优冬小麦 NDVI 加权指数分割阈值。在所有网格中,以初始识别获取的冬小麦面积为准,等概率选择10个样方作为精度验证样方进行验证。精度验证结果表明分类总体精度达到94.4%,Kappa系数达0.88。该文通过构建冬小麦NDVI加权指数,将比较复杂的多个参数转换为一个参数,并且农学意义明确,相比传统的NDVI时序影像进行冬小麦面积的提取,具有自动化程度高、面积提取精度高、分类结果稳定的特点,已经在全国农作物面积遥感监测业务中进行了应用。     

河北平原中低产区小麦与玉米生产现状及增产潜力分析

本文基于2000—2013年MODIS/NDVI遥感信息与主要粮食作物的统计数据,分析了河北平原中低产区冬小麦和玉米生产的时空格局,并利用各县粮食作物主要生育期累积NDVI的逐年值、14年的最大值及单产统计数据,采用最小二乘法原理,进行数值曲线拟合,构建了单产遥感估测模型,估算了河北平原中低产区冬小麦和玉米的增产潜力。结果表明:1)冬小麦在邯郸和衡水的最大生产力水平较高,在沧州、廊坊及邢台中部的最大生产力水平较低,即后者挖掘增产潜力之后也很难达到前者的最大生产力水平;玉米的最大生产力水平普遍较高,挖掘增产潜力后均可达到较高的生产力水平。2)冬小麦和玉米总产增产潜力在沧州和邯郸较大;冬小麦单产增产潜力多低于10%,平均增产356 kg?hm?2(5.87%);玉米单产增产潜力多高于10%,平均增产798 kg?hm?2(12.33%);单产增产潜力区域分布不同,冬小麦为廊坊保定沧州邯郸邢台衡水,玉米为邢台邯郸保定沧州衡水廊坊。3)以河北平原近14年来作物累积NDVI的最大值估算的全区冬小麦增产潜力为3.90亿kg,玉米增产潜力为9.62亿kg,二者合计可增产13.52亿kg,约相当于区域冬小麦和玉米理论可达增产潜力的1/5。本文估测粮食作物增产潜力的方法可以应用于估测多尺度范围、不同作物的增产潜力,研究结果可为相关部门的决策和管理提供依据。     

冬小麦叶面积指数高光谱遥感反演方法对比

冬小麦叶面积指数(LAI,leafarea index)是评价其长势和预测产量的重要农学参数,高光谱遥感能够实现快速无损地监测叶面积指数。该文旨在将田间监测与高光谱遥感相结合,探索研究不同冬小麦叶面积指数高光谱反演方法的模拟精度及适应性。针对国际上普遍应用的2种高光谱遥感反演LAI模型方法,即回归分析法和BP神经网络法,在介绍2种LAI反演模型的基础上,选择位于黄淮海平原的山东省济南市长清区为研究区域,通过ASD地物光谱仪和SunScan冠层分析系统对冬小麦的冠层光谱及LAI变化进行田间观测,然后利用回归分析法和BP神经网络法构建冬小麦LAI反演模型,将模型估算LAI值和田间观测LAI值进行比对,分析评价2种方法的反演精度。结果表明,BP神经网络法较回归分析法估算冬小麦LAI的精度有较大提高,检验方程的决定系数(R2)为0.990、均方根误差(RMSE)为0.105。利用BP神经网络法构建反演模型能较好的对冬小麦LAI进行反演。研究结果可为不同冬小麦长势遥感监测提供理论和技术上的支持,并为大尺度传感器监测冬小麦长势和估产提供参考。     

Comparison of two inversion methods for winter wheat leaf area index based on hyperspectral remote sensing

冬小麦叶面积指数（LAI, leaf area index）是评价其长势和预测产量的重要农学参数,高光谱遥感能够实现快速无损地监测叶面积指数。该文旨在将田间监测与高光谱遥感相结合,探索研究不同冬小麦叶面积指数高光谱反演方法的模拟精度及适应性。针对国际上普遍应用的2种高光谱遥感反演LAI模型方法,即回归分析法和BP神经网络法,在介绍2种LAI反演模型的基础上,选择位于黄淮海平原的山东省济南市长清区为研究区域,通过ASD地物光谱仪和SunScan冠层分析系统对冬小麦的冠层光谱及LAI变化进行田间观测,然后利用回归分析法和BP神经网络法构建冬小麦LAI反演模型,将模型估算LAI值和田间观测LAI值进行比对,分析评价2种方法的反演精度。结果表明,BP神经网络法较回归分析法估算冬小麦LAI的精度有较大提高,检验方程的决定系数（R2）为0.990、均方根误差（RMSE）为0.105。利用BP神经网络法构建反演模型能较好的对冬小麦LAI进行反演。研究结果可为不同冬小麦长势遥感监测提供理论和技术上的支持,并为大尺度传感器监测冬小麦长势和估产提供参考。