国家级作物长势遥感监测业务系统设计与实现

作物长势监测是农情遥感监测的重要组成部分。为了建立稳定的作物长势监测业务系统,该文一方面选取NDVI时间序列提取的时空参数从不同侧面描述作物长势,建立作物长势监测的综合性模型,另一方面建立了一个覆盖全国主要农区、由200个县组成的地面调查网络,采集地面实况信息,并采用客户端/服务器（C/S）和浏览器/服务器（B/S）的混合结构开展系统设计,基于遥感和地面调查两个角度设计实现了国家级作物长势遥感监测业务系统,同时对由于作物种类和监测区域不同引起的长势评价标准不一致、模型定量化和业务系统架构仍需根据应用进一步分解完善等问题进行了讨论。以中国冬小麦主产区为例,进行了作物长势监测试验,取得较好的监测结果。目前该系统已在大尺度作物遥感监测中得到应用。     

基于无人机遥感的农作物长势关键参数反演研究进展

无人机遥感是生态-环境-资源领域新兴的重要研究手段,近年来在农作物长势研究中得到了迅速的发展与应用。清楚、透彻地认识基于无人机遥感的农作物长势研究现状及存在问题,有利于更好地把握当前的核心领域并开展更进一步的研究。首先回顾了国际上"基于无人机遥感农作物长势研究"为主题的论文发表情况,其次对无人机遥感平台及不同传感器的基本遥感原理、反演的参数类型、各自的优势及局限性进行梳理,并概述了基于无人机遥感的农作物长势反演流程。在此基础上,一方面将农作物长势参数归纳为形态指标、生理生化指标、胁迫指标、产量指标等4类;另一方面将农作物长势参数的反演方法归纳为经验统计回归与机器学习法、形态特征与光谱特征识别法、辐射传输模型法、多角度航拍与卫星-无人机影像结合法等4类,并针对不同反演方法的优势与不足进行总结。最后综合国内外的研究现状进行了讨论分析与展望评价。该文通过综述近10 a来无人机遥感农作物长势关键参数反演的研究成果,可为今后基于无人机遥感方法的农作物长势研究的理论基础与技术支持方面提供参考。     

植被异质性样区真实性检验的优化采样策略

遥感反演植被产品的真实性检验是推动其在农业领域应用水平提升的重要保证,其中异质性植被样区的优化采样设计是真实性检验地面测量过程中的关键技术。该研究以遥感影像作为先验知识,通过K-means聚类分层选取初始样点,利用空间模拟退火算法规划最优采样方案,并采用同期地面实测数据进行检验。研究结果表明,空间模拟退火算法在样点与总体空间变异性的一致性、插值面的精度、插值点和实测点的相关性3个方面都明显优于传统采样方案,2块样区优化后的采样方案插值面与影像面的均方根误差分别为3.1026和2.9627,插值点与实测点的皮尔逊相关系数分别为0.601和0.757,表明空间模拟退火算法可以为真实性检验地面试验提供可靠的优化采样策略。     

TM影像中基于光谱特征的棉花识别模型

为快速、准确地在遥感图像上从各种农作物中识别提取棉花作物的信息，满足大尺度、运行化棉花遥感监测系统的要求。作者在试验区的棉花主要生长期里，同期进行了棉花与其它主要农作物的地面光谱测量并采集了同期的Landsat TM图像。通过对各时期棉花及主要农作物的地面测量光谱与TM图像光谱特征的差异性及规律性分析，确定了试验区棉花遥感识别的最佳时相期为9月中下旬， 研究开发了基于光谱特征的棉花识别模型。经数学分析与实际应用验证，该模型简单、操作方便并且识别的准确度较高，适用于大尺度的“新疆棉花遥感监测运行系统”。     

全国土壤水分及作物长势地面监测体系的初步构想

土壤水分和作物长势监测是农情监测系统中不可缺少的重要组成部分。土壤水分含量直接影响着作物生长，作物长势的好坏与作物产量有着密不可分的关系。该文从应用角度出发，通过分析自然环境及作物布局等区域特征，进行监测样点布设，明确了监测内容及评价指标，并构建网络信息化平台，建立大尺度的地面土壤水分及作物长势监测系统，实现数据网络化管理，同时结合遥感信息进行综合应用，及时为政府提供决策支持。     

基于SPOT/VGT NDVI的大区域农作物空间分布

随着遥感技术在农业上的广泛应用,及时准确掌握小区域农作物长势和分布的方法相对成熟,但对于省级以上的大区域而言,进行作物遥感测量涉及数据、耗费时间和经费等问题,而中国的农业普查制度又存在时效性的问题。以江苏省为研究区,利用SPOT/VGT NDVI长时间序列数据作为农作物分布研究的底图,分别与研究区农业普查数据和野外调查样方数据进行农作物空间分布的统计回归分析和对比,结果表明：对于大区域而言,SPOT/VGT NDVI长时间序列数据对农业作物生长期特征监测有较好地反应,其逐旬的时间分辨率可以弥补空间分辨率的不足,可有效地对农作物长势进行动态监测;农业普查数据、野外调查样方与SPOT/VGT NDVI时间序列分类结果结合进行回归分析,基本可以满足空间分布情况的调查研究,相对于遥感分类法和传统抽样调查等方式,该方法可以高效率低成本地掌握大区域农作物空间分布情况。     

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。     

基于遥感的国外作物长势监测与产量趋势估计

国外重点产粮区的作物长势和产量增长趋势信息对于中国政府决策和制订合理的粮食政策具有重要意义,但由于地域的限制、生产方式的差异以及国外可获取的气象资料有限,气象模型和农学模型在国外估产方面尚存在不足,遥感以其便捷、快速、客观的优势已被越来越多地采用进行国外作物长势监测和产量估计。该文以美国玉米和印度水稻为例,探讨了基于1kmSPOT-VGT遥感资料进行作物长势监测和产量趋势估计的方法,并结合当地气象条件对其结果进行了分析。经检验,利用该方法得到的长势状况及空间分布与实际基本一致,产量增长趋势预测准确率为100%;在作物生长旺盛季节,植株覆盖密度较大时,EVI比NDVI能更真实地反映作物的长势状况。该研究可为国外作物长势遥感监测与产量估算业务应用提供参考。     

基于优化点匹配模式的农作区遥感影像融合分类

利用遥感影像进行农作物长势监测及估产中，对所用多源影像进行恰当的影像融合是正确解译的重要前提，在传统的基于灰度的影像匹配融合模式中，存在着高运算量和精度不高的问题，该文使用一种基于优化点匹配模式进行农作区遥感影像融合方法，对不同传感器的两景西北农作区遥感影像进行了融合分析验证。所用两景ASTER和SPOT图像匹配总体误差RMS=0.8965,融合后的影像总体分类精度提高到89.67%。     

基于地面红外检测系统验证的灌区地表温度遥感反演

利用遥感数据的大尺度特性和地面实时监测数据进行区域灌溉管理,用精准化信息技术支撑农业信息化,是现代农业发展的方向和研究热点。该文根据田间在线实时监测数据和Land Sat8卫星遥感数据反演,探讨遥感反演地表温度与地面实测数据的吻合程度,为大范围、区域性干旱监测和灌溉管理提供技术支撑。结果表明,在下垫面植被均匀、土壤水分空间变异性较小的区域,利用Land Sat8遥感影像反演地表温度,可以很好地与地面作物冠层温度监测结果相吻合;监测点数据可以代表其附近5个像元的情况。利用覃志豪法和简单Sobrino法计算地表比辐射率来遥感反演地表温度,对不同的作物类型有不同的适宜性。2015年9 d遥感反演结果与地面监测数据对比可见,在解放闸灌域沙壕渠试验点的玉米地,简单的Sobrino法结果更好,R~2达到0.76,均方根误差、相对误差和符合度指数分别达到2.32℃、7.8%和0.92。葵花地覃志豪法结果为宜,R~2达到0.85,均方根误差、相对误差和符合度指数分别达到1.97℃、6.5%和0.94。春小麦地宜用Sobrino法。对于北京大兴的冬小麦-夏玉米轮作,这2种方法差别不大。地面监测点布设方案和合理数目、点面数据结合进行区域干旱判断和灌溉管理,以及地面监测系统的优化改进,是进一步研究的重点。     

基于空间平衡法的县域耕地质量监测布样方法

县域监测样点布局是反映耕地质量等级变化的基础,样本点布设的质量直接影响到耕地质量监测的结果和精度。因此,该文提出了基于空间平衡法的县域耕地质量监测布样方法,对影响耕地质量监测成本和精度的主要因素进行分析,选取样本点距离道路远近、样本点所在位置坡度高低和自然质量各等别样本容量3个方面综合生成包含概率栅格图层,图层中的像元值指总体单元中一个单元相对于其他单元被抽中的相对概率,在此基础上,运用空间平衡算法对包含概率栅格层进行空间改造,抽样选取监测样点,以平均Kriging预测标准差和监测样本点距县级主要道路的平均距离作为优化评价准则,将该方法与传统抽样方法进行比较分析。以江西省吉安县为例,全县布设78个监测样点,结果表明,当样点数量相同时,该方法相较传统布样方法在抽样精度和抽样成本方面均有一定的优势,能有效地监测耕地质量变化,满足县域耕地质量监测的需求。     

基于空间模拟退火算法的耕地质量布样及优化方法

耕地质量监测是保障耕地资源的永续利用,实现耕地产能提升、加强耕地资源的管理、保护、合理利用的重要措施,对实现持续粮食安全具有重要意义。该文提出了基于空间模拟退火算法的耕地质量布样优化方法,以空间模拟退火算法为基础生成一组最优样本,构成基础监测网络,在此基础上,通过多期耕地等级成果数据提取属性发生变化的分等因素和对应发生变化的区域,生成潜在变化区,并结合研究区实际情况辅以专家知识和异常监测点,对基础样本点进行增加、删除、替换等优化操作,生成最终监测样点。以北京市大兴区为例,最终确定布设55个监测样点,结果表明,该方法布设的样点在耕地质量预测方面的精度高于传统的随机抽样和分层抽样方法,能有效地预测县域耕地质量并监控耕地质量的变化情况。     

基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法

目前农业物联网通信协议尚不统一。为了更好地封装和传输农业信息,提出一种适用于农业物联网的通信协议AGCP(agricultural greenhouses communication protocol)。利用AGCP协议结合物联网架构完成了基于物联网架构的农业大棚监控系统的设计,重点完成了感知层中协调器和节点终端的信息采集以及设备控制的软硬件设计,并详细设计了光照控制模块、温度控制模块和灌溉控制模块,最后进行了系统测试和分析。试验表明,该系统能有效监测温室大棚的空气温度、湿度、二氧化碳以及土壤湿度等农业环境信息,并能进行相应设备的自动控制,验证了AGCP协议在农业物联网的有效性以及构建系统的可行性。     

基于半方差函数与等别的耕地质量监测样点优化布设方法

耕地的数量和质量在维护国家安全、社会稳定方面具有举足轻重的作用。该文以浙江省耕地质量监测试点松阳县为例,探讨县级尺度的耕地质量监测样点的布设方法。选择自然等指数的均方差和绝对偏差计算在允许误差范围内监测样点的样本容量;采用地统计学半方差函数分析耕地质量的变异情况,利用自然等指数的变异特征与规律实现监测样点的预布设;重点分析耕地质量等别、分等因素、耕地质量潜在变化区域的空间分布,结合等别组合的空间分布特征对预布设的监测样点进行优化,得到40个监测样点。研究成果提高了监测样点的精度、代表性、科学性,方法易操作推广,具有很好的应用价值,能为耕地质量监测的管理工作提供参考。     

适用于梯级泵站压力管道的传感器优化布置方法

为解决梯级泵站压力管道传感器优化布置问题,提出一种基于有效独立-总位移法的传感器优化布置方法。该方法针对有效独立法所选测点能量较小的缺陷,将测点的总位移以权重的方式加入传感器优化过程中,并保留有效独立法的优点,最终得到独立性较好且满足能量要求的测点。以景泰压力管道为例,运用该方法进行传感器优化布置,并与传统有效独立法比较,通过模态置信准则、Fisher信息矩阵值、最大奇异值比以及总位移等指标评价2种方法的优劣。结果表明,有效独立-总位移法得到的测点在满足独立性的前提下,增加了测点信息量,可观性更好。优化前后实测数据的比较分析,表明该方案对实际结构检测具有较好的适用性,是一种实用有效的传感器优化布置方法。     

中国农业信息化技术发展现状及存在的问题

围绕农业传感器技术、精细农作技术、农业机器人技术、农业物联网技术和农业信息服务技术五大方面,对农业信息化前沿技术的发展态势进行了分析,同时探讨了中国农业信息化前沿技术发展存在的问题并提出了相应的建议。研究表明,农业传感器技术是农业信息获取与信息化的基础,精细农作技术代表了当今农业装备的先进水平,农业机器人技术是未来农业智能装备的重要方向,农业物联网技术是农业监管与质量监控的有效手段,农业信息服务技术则愈来愈聚焦农业信息服务中的云存储、云计算、云服务和移动互联的关键技术问题。     

不同取样方式下土壤质地空间插值的精度分析

为研究土壤质地的合理取样方式,进而研究其空间变异情况,为田间施肥及灌溉提供依据,本试验利用地统计学方法和GIS技术,在重庆市彭水县重庆烟草试验站,利用289个表层土样,研究了16 m间距的栅格取样法(对照,253个土样,扣除36个验证样点)、34 m间距的栅格取样法(115个土样)和随机取样法(115个土样)3种取样方式下土壤质地的空间插值精度。3种土壤颗粒指标中粉粒占68.43%,砂粒含量最少,占12.68%,黏粒含量略高于砂粒。砂粒和黏粒具有中等强度的变异性,粉粒具弱变异性,且数据符合正态分布。地统计分析显示,在分析该区域土壤质地时,采用栅格取样方法应适当增大取样间距,而采用随机取样方法可适当缩小取样间距。交叉检验显示,土壤质地成分在3种取样方式下的插值精度均以对照最大,栅格取样次之,随机取样最小。综合考虑插值误差、样品采集和分析成本及时效性等因素,本研究建议在该区域进行土壤质地空间变异规律分析为生产服务时应采用随机取样。     

基于Kriging估计误差的县域耕地等级监测布样方法

为了监测耕地的质量等级,通常采取抽样调查的方法.由于空间样本间存在不独立性等原因,传统抽样方法效率低、精度不高.为此,该文提出基于Kriging估计误差的布样方法,定义了反映Kriging估计情况的统计量作为评估监测网的标准,通过分析样本量与抽样精度的变化趋势确定最优样本容量,将调整过的方形格网作为监测网的基础,在泰森多边形限制下对监测网优化增密,并选用部分标准样地作为监测点.以北京市大兴区为例对该方法进行验证,结果表明,当监测点数同为48时,该文方法均方根误差小于简单随机抽样、分层抽样以及单一使用格网布样的方法,预测总体均值的相对误差为0.07%.因此,该文方法使用较少的监测点反映县域耕地等级的分布状况和变化趋势,能够满足县域耕地等级监测的需求.     

淡水珍珠蚌循环水养殖模式下分布式水质监控系统设计

为促进中国淡水珍珠养殖业由传统粗放模式向高效生态智能化改造升级,该研究针对珍珠蚌工厂化循环水养殖模式下的水质监控需求,开发了基于无线传感网络的分布式水质监控系统。系统采用感知层、传输层和应用层相结合的体系架构,由水质监测节点、气象监测节点、设备控制节点和监控中心组成。现场采用多参数传感器、ZigBee无线模块、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)和MCGS触控屏组合的方式,实现对多地点监测数据的实时采集、图形化显示和报警功能,对循环水处理设备的启停控制及藻类供饵自动控制功能;上位机采用MCGS网络版和SQL Server数据库构建监控数据中心。系统采用无线组网分布式架构,组网灵活且操作简单,简化了设备的安装和维护工作。经实际使用测试,系统工作稳定性和检测准确性均在98%以上,能够满足淡水珍珠蚌循环水养殖的监控需求,可以为珍珠蚌传统养殖模式的转变和产业生产方式的转型升级提供有利保障。