基于无人机数码影像和高光谱数据的冬小麦产量估算对比

作物产量准确估算在农业生产中具有重要意义。该文利用无人机获取冬小麦挑旗期、开花期和灌浆期数码影像和高光谱数据,并实测产量。首先利用无人机数码影像和高光谱数据分别提取数码影像指数和光谱参数,然后将数码影像指数和光谱参数与冬小麦产量作相关性分析,挑选出相关性较好的9个指数和参数,最后以选取的数码影像指数和光谱参数为建模因子,通过MLR(multiple linear regression,MLR)和RF(random forest,RF)对产量进行估算。结果表明:数码影像指数和光谱参数与实测产量均有很强的相关性。利用数码影像指数和光谱参数通过MLR和RF构建的产量估算模型均在灌浆期表现精度最高,在灌浆期,数码影像指数和光谱参数构建的MLR模型R~2和NRMSE分别为0.71、12.79%,0.77、10.32%。对模型对比分析可知,以光谱参数为因子的MLR模型精度较高,更适合用于估算冬小麦产量。利用无人机遥感数据,通过光谱参数建立的MLR模型能够快速、方便地对作物进行产量预测,并可以根据不同生育期的产量估算模型有效地对作物进行监测。     

利用新型光谱指数改善冬小麦估产精度

基于冬小麦返青期至乳熟期8次采样的地面光谱数据和收割时的产量数据,首先,利用光谱反射率与产量进行了统计分析,可见光波段的光谱反射率与产量在起身后期才达到稳定的显著负相关水平;近红外波段的光谱反射率与产量在所有生育期都表现出稳定的显著正相关;短波红外波段的光谱反射率与产量在进入灌浆期后才达到稳定的显著负相关水平.其次,根据冬小麦冠层光谱的波形特征,利用近红外波段890 nm反射峰、980 nm和1 200 nm两个弱水汽吸收谷、短波红外1 650 nm和2 200 nm反射峰,设计归一化差值光谱指数,并与冬小麦产量进行相关分析,结果表明:利用上述波段组合定义的归一化差值光谱指数与产量在各个生育期都达到了显著或极显著相关水平,而归一化差值植被指数(NDVI)与产量间的相关在营养生长阶段不显著.最后,以(890 nm,1200 nm)弱水汽吸收光谱指数为例,建立了各个生育期的产量预报模型,为实现冬小麦营养生长期长势监测与更早、更可靠的产量预报提供了依据.     

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。     

基于无人机高光谱的冬小麦氮素营养监测

为了实现小区域尺度上的作物氮素营养状况遥感监测，该研究利用无人机搭载Cubert UHD185成像光谱仪对2016 -2017年关中地区的冬小麦进行遥感监测，通过分析冠层光谱参数与植株氮含量、地上部生物量和氮素营养指数的相关性，筛选出对三者均敏感的光谱参数，结合多元线性逐步回归、偏最小二乘回归和随机森林回归建立抽穗期冬小麦氮素营养指数（Nitrogen Nutrition Index，NNI）估测模型，并与单个光谱参数建立的冬小麦氮素营养指数模型进行比较。结果表明，任意两波段光谱指数对氮素营养指数更为敏感，与氮素营养指数均达到了极显著性相关；基于差值光谱指数和红边归一化指数的单个光谱参数构建的模型具有粗略估算氮素营养指数的能力，相对预测偏差分别为1.53和1.56；基于随机森林回归构建的多变量冬小麦氮素营养指数估算模型具有极好的预测能力，模型决定系数为0.79，均方根误差为0.13，相对预测偏差为2.25，可以用来进行小区域范围内的冬小麦氮素营养指数遥感填图，为冬小麦氮素营养诊断、产量和品质监测及后期田间管理提供科学依据。     

基于信息扩散和关键期遥感数据的冬小麦估产模型

农作物估产对于国家制定粮食进出口政策和保障粮食安全具有重要意义。为构建高精度的作物估产模型,探讨了一种将信息扩散原理和关键期遥感数据相结合的农作物遥感估产方法。首先利用信息扩散原理将关键期遥感数据生成的NDVI和实割实测产量数据扩散到多维监控空间,采用模糊合成的方法建立关键期遥感数据和实割实测产量之间的离散关系模型。然后针对模型的稳定性和精度进行交叉验证,并与多元线性回归模型和BP神经网络模型进行对比。结果表明,利用信息扩散方法构建的遥感估产模型稳定性和精度都明显提高,与多元回归方法和BP神经网络方法相比,决定系数分别提高0.180、0.491,均方根误差分别降低173.10、487.79 kg/hm2。该方法能较好地模拟冬小麦遥感估产中归一化植被指数和产量之间的非线性关系,且泛化推广能力优异,为应用关键期遥感数据进行冬小麦估产提供了一种有效方法。     

长时间序列气象数据结合随机森林法早期预测冬小麦产量

冬小麦生育早期的产量预测对于制定冬小麦整个生长期的精准管理决策具有重要参考意义。该文基于随机森林算法,采用1990—2015年河南省小麦平均拔节期至平均抽穗期地面观测气象数据与统计产量数据,分别提取不同穗分化期的温湿度、降水等47个气象要素和小麦种植区经纬度、高程3个空间要素,共计50个参数作为特征变量集,以实际单产、气象产量和相对气象产量分别作为目标变量,构建多种变量组合模型对冬小麦产量进行回归预测,并结合袋外数据重要性结果对产量影响因子进行分析。研究结果表明:1)使用气象产量和相对气象产量作为目标变量建模的预测效果优于单产模型,决定系数R~2均达到0.8以上,气象产量的平均绝对误差(mean absolute error,MAE)和均方根误差(root mean square error,RMSE)分别为415和558 kg/hm~2,相对气象产量的MAE和RMSE分别为0.07和0.09;2)相较于气象特征,空间特征在产量预测中起决定性作用,且小花分化期以及抽穗开花期的气象特征产量预测精度高于其他穗分化期;3)在气象特征中,利用袋外数据变量重要性得出平均温度、最低温度、负积温、最高温度在不同生育阶段对产量的影响程度。该研究结果为冬小麦生育早期产量预测提供了新的思路和方法。     

基于地块特征基元与多时相遥感数据的冬小麦播种面积快速提取

冬小麦播种面积监测是农情遥感的重要研究内容之一,及时、准确地获取冬小麦的播种面积对冬小麦产量估算具有重要的意义。该文在面向对象技术的支持下,首先利用融合的高空间分辨率SPOT5遥感影像提取农田地块专题层信息;然后在专题层控制下对多时相的ETM+遥感数据统一尺度分割,得到不同时相遥感影像相同形状的地块特征基元;通过光谱特征规则集构建不同时相的冬小麦信息提取模型,实现对各个时期冬小麦播种田块对象的提取;最后通过交叉验证,确定最终的冬小麦播种面积。结果表明,该方法能够快速获得冬小麦播种面积,总体精度达到90%以上,基本上能够满足农情遥感监测的需求,为冬小麦种植面积遥感快速监测提供了一种可行的方法。     

基于冠层光谱特征的冬小麦产量估算研究

快速准确的粮食作物产量估算对于国家制订粮食政策和农业可持续发展具有重要意义。利用地面高光谱遥感的优点,获取作物冠层的精细光谱,并根据植被绿峰、红边、水汽吸收波段、近红外反射峰及短波红外反射峰等特征构建高光谱指数,从而对冬小麦产量进行预测。结果表明:可见光波段、近红外波段和短波红外波段的光谱反射率与产量从返青期到抽穗期分别达到显著负相关、显著正相关和显著负相关水平;通过分析光谱参量与产量的关系,由植被红边与近红外波段反射峰所定义的归一化植被指数(NDVI)与产量的统计相关特征在所有生育期都是极显著水平,统计相关性优于其他光谱参量,利用该参量所构建的非线性模型估产效果最好,可见利用NDVI指数进行产量预报效果更好。     

不同生育时期冬小麦叶面积指数高光谱遥感监测模型

高光谱遥感能快速无损获取植被冠层信息,是实现作物长势实时监测的重要技术。为研究不同氮磷水平下冬小麦不同生育时期叶面积指数高光谱遥感监测模型,提高叶面积指数高光谱监测精度,该研究连续5 a定位测定黄土高原旱地不同氮磷水平和不同冬小麦品种各生育时期冠层光谱反射率与叶面积指数,通过相关分析、回归分析等统计方法,构建不同生育时期冬小麦叶面积指数监测模型。结果表明:不同氮磷水平下,冬小麦叶面积指数随施肥量增加呈递增趋势,随生育时期改变呈抛物线趋势变化;随着氮磷供应量的增加,冠层光谱反射率在可见光波段显著降低2%~5%(P0.05),在近红外波段显著增加4%~10%(P0.05);不同生育时期叶面积指数与优化土壤调整植被指数、增强型植被指数Ⅱ、新型植被指数、修正归一化差异植被指数、修正简单比值植被指数均达极显著相关(P0.01);拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和成熟期叶面积指数分别与优化土壤调整植被指数、增强型植被指数Ⅱ、增强型植被指数Ⅱ、修正归一化差异植被指数和修正简单比值植被指数拟合效果较好,决定系数分别为0.952、0.979、0.989、0.960和0.993;以不同年份独立数据验证模型表明,所建预测模型均有较好的验证结果,相对误差分别为13.0%、13.5%、12.8%、12.6%和14.0%,均方根误差分别为:0.313、0.336、0.316、0.316、0.324。因此,优化土壤调整植被指数、增强型植被指数Ⅱ、增强型植被指数Ⅱ、修正归一化差异植被指数和修正简单比值植被指数能有效评价拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和成熟期冬小麦叶面积指数。同时,叶面积指数分段监测模型较统一监测模型精度有所改善。该结果为实现不同肥力水平下冬小麦不同生育时期长势精确监测提供理论依据和技术支撑。     

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。     

基于权重最优组合和多时相遥感的作物估产

多时相遥感数据比单一时相携带了更多的反映作物产量的信息,研究如何将多时相遥感信息进行有机融合以提高作物估产精度的方法是具有意义的。权重最优组合（WOC）是一种通过对单个模型权重的最优化,来构建高精度组合模型的原理方法。论文以黑龙江农垦友谊农场大麦产量遥感估算为例,首先利用大麦4个时相的Landsat5 TM影像分别构建单一时相的大麦产量模型,然后利用WOC的迭代算法,通过赋予4个单一时相产量模型以最优权重,生成基于多时相遥感的组合模型估算大麦产量,结果表明：基于WOC和多时相遥感的组合估产模型的决定系数R2与单一时相的相比得到较大改善,估算精度提高明显。同时,通过对WOC获取的各时相单一模型最优权重大小进行分析表明：应用多时相遥感数据进行作物估产时,权重大小能够反映各时相遥感数据所携带的产量信息的多少,这对于如何选择和确定能有效反映作物产量的敏感遥感时相具有一定的指导意义。     

基于作物生长模型和遥感数据同化的区域玉米产量估算

为了将遥感观测到的玉米生长期间作物冠层方向反射波谱的时间序列变化信息用于区域玉米产量估算,该文将时间序列中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)数据和高空间分辨率LandsatTM遥感观测数据相结合,以叶面积指数(LAI)作为耦合作物生长模型(crop environment resource synthesis-Maize,CERES-Maize)和植被冠层反射率模型(scattering by arbitrarily inclined leaves,SAIL)的关键参数,提出了将耦合模型与时间序列遥感观测数据同化进行区域玉米产量估算的方案。该文选择吉林省榆树市为研究区,采用MODIS和LandsatTM2种尺度数据集,利用SCE-UA(shuffled complex evolution method developed at the University of Arizona)算法分别进行玉米产量同化估产研究,得到玉米单产空间分布的估计结果,结合遥感估算的种植面积求算榆树市玉米总产量。结果表明,与玉米统计总产量相比,2007、2008和2009年遥感数据同化估算的总产量误差分别为9.15%、14.99%和8.97%;与仅利用CERES-Maize模型模拟得到的产量误差相比,3a间遥感估算总产量的误差分别减小了7.49%、1.21%和5.23%,且采用MODIS和TM遥感数据估算的玉米产量表现了其空间差异性。利用榆树市3a间玉米产量的明显差异,分析了时序遥感数据对作物长势和产量变化信息的表达能力,同年份内时序归一化差值植被指数越大,对应的玉米产量越高;年际间遥感观测反射率的差异通过数据同化方法能够反映年际间玉米产量差的变化。该文提出的玉米估产方案为将来进一步结合多源遥感数据、植被冠层反射率模型与作物生长模型进行区域玉米估产研究提供了参考。     

光电信号与收割机谷物产量数据转换模型的构建与验证

为了准确获取联合收割机作业过程中的谷物产量信息,自主研发了基于光电漫反射原理的联合收割机谷物产量计量系统。系统主要由传感器模块、数据采集模块、GPS模块和谷物产量计量显示终端组成。在研究了联合收割机田间工作状态和籽粒升运器刮板谷堆近似模拟形状的基础上,提出了分段式光电信号与收割机谷物产量数据转换模型。同时为了进一步消除收割机作业过程中产生的奇异点数据,提出了基于籽粒升运器转速的双阈值动态均值滤波的数据预处理方法。结果表明,采用该方法可以有效剔除奇异点数据,提高产量数据整体平滑度。田间试验结果表明,在考虑升运器转速条件下,该研究提出的分段式谷物产量数据转换模型动态验证误差小于3.50%,满足联合收割机谷物产量计量的实际需要。     

遥感信息与作物生长模型的区域作物单产模拟

利用外部数据同化作物生长模型提高区域作物单产模拟精度是近年来的研究热点.该文以遥感反演的叶面积指数(LAI)作为结合点,以黄淮海粮食主产区典型县市夏玉米为研究对象,在区域尺度利用全局优化的复合形混合演化( SCE-UA)算法进行了遥感反演LAI信息同化EPIC (environmental policy integra...     

Soil data importance in guiding maize intensification and yield gap estimations in East Africa

Wide maize yield gaps have been reported in Eastern Africa, hence possibility for increasing production. Previous yield gap studies relied on generic soils data such as Harmonized World Soils Database (HWSD). Using CERES-Maize model, the importance of newly available and detailed Africa Soil and Information Service (AFSIS) data in estimating yield gaps and assessing intensification potentials was studied at Sidindi, Kenya and Mbinga, Tanzania. Predicted water-limited yields (Yw) at Sidindi using AFSIS and HWSD soils data were 9.21 Mg ha^?1 and 9.88 Mg ha^?1 (p = 0.002); and at Mbinga 10.48 Mg ha^?1 and 10.90 Mg ha^?1 (p = 0.085). Adequate rainfall masks differences in simulated Yw. The calibrated model predicted grain yield with a root mean square (RMSE) of 1.7 Mg ha^?1 at Sidindi; and 2.13 Mg ha^?1 at Mbinga. The model was sensitive to available phosphorus, with a 15% increase resulting in yield increases of 177% for treatment NK and 46% for the control. For stable organic carbon content, a 15% decrease increased grain yields for treatment PK by 57.6%. To guide intensification and yield gap estimations, accurate active soil carbon, total carbon, available phosphorus and texture data are vital.     

基于遥感和AquaCrop作物模型的多同化算法比较

为了研究不同数据同化方法在AquaCrop(FAO Crop model to simulate yield response to water)模型模拟作物地上生物量(above ground biomass,AGB)、冠层覆盖度(canopy cover,CC)和产量过程的效率,以冬小麦为研究对象,利用2012-2013、2013-2014和2014-2015年冬小麦田间试验数据,将标定的Aqua Crop生长模型与遥感光谱信息相结合开展同化技术分析,应用粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)、模拟退火(simulated annealing,SA)和复合型混合演化(shuffled complex evolution,SCE-UA)3种数据同化算法,以不同生育期、不同水分处理和不同氮肥水平的AGB和CC为双变量开展多同化算法的模拟分析,对3种数据同化算法的运算效率和同化结果进行对比分析。结果表明:1)3种数据同化算法达到的应度值0.26时,SCE-UA同化算法用时最少(833 s),SA数据同化算法用时最多(1433 s),表明SCE-UA同化算法效率最优,SA数据同化算法效率最低;2)不同生育期的同化结果,AGB的同化精度随着生育期的推进而降低,AGB的模拟值在拔节期和挑旗期高于实测值,被高估,在开花期和灌浆期被低估,总的AGB被低估;CC在拔节期和挑旗期被低估,在开花期和灌浆期被高估,总的CC被低估;3)不同水分处理的同化结果,AGB普遍被低估,CC在雨养(W0)条件下被高估,在正常灌溉(W1)和过量灌溉(W2)条件下被低估;产量均被低估;4)不同氮肥水平,AGB的模拟精度随着施N量的增加而降低,并且普遍被低估,CC普遍被高估,产量均被低估。以上结果表明,PSO、SA和SCE-UA 3种数据同化算法均能有效模拟冬小麦的AGB、CC和产量,其中SCE-UA数据同化算法无论在运算效率还是同化结果的精度上均优于PSO和SA数据同化算法。     

基于MOD13产品水稻遥感估产模型研究

中分辨率成像光谱仪(MODIS)可以提供经过加工处理的多时相44种数据产品，其中MOD13就是经过严格算法处理后的16 d内每个像元的最佳的植被指数产品。通过杭州市郊野外大田选取适当研究区，进行产量构成要素和实际理论产量的测算，建立MOD13-VI(Vegetation Index)产品与水稻理论产量以及产量构成要素之间的相关关系，结果表明: 这种相关与地面光谱和水稻理论产量所建立的相关关系具有一致性。经过各种估产模型的比较，复合估产模型更能反映整个生育期的情况，准确度有所提高，MOD13-EVI(Enhanced Vegetation Index)所建立的估算模型精度显著优于MOD13-NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)，研究表明利用各个生育期MOD13产品所建立的复合模型有助于提高水稻产量的估算精度。     

基于遥感信息与作物模型集合卡尔曼滤波同化的区域冬小麦产量预测

区域作物产量预测是国家粮食安全评估的重要内容。遥感虽能获取大面积地表信息,却难以反映作物生长发育的内在过程。作物生长模型已经在单点尺度能成功模拟作物的生长发育过程,但是区域尺度作物关键参数的获取仍很困难。遥感信息与作物模型结合的数据同化已经成为区域产量预测的最有效途径。该文选择河北省衡水地区冬小麦为研究对象,在WOFOST模型标定与区域化的基础上,利用WOFOST模型描述冬小麦生育期内叶面积指数(LAI)变化规律。针对MODIS数据的混合像元造成反演的LAI产品偏低的系统误差,利用实测LAI样本点融合MODIS-LAI趋势信息修正MODIS-LAI数据产品。采用集合卡尔曼(EnKF)算法同化冬小麦返青到抽穗期的MODIS-LAI与WOFOST模拟的LAI以获得时间序列最优的LAI,并以此重新驱动WOFOST模型估算区域冬小麦产量。结果表明,EnKF同化后的冬小麦产量比未同化的产量预测精度有显著提高,与县平均统计产量相比,在潜在模式下,决定系数由0.13提高到0.38,均方根误差由2480下降到880kg/hm2。研究表明,遥感信息与作物模型的EnKF同化是1种有效的作物产量预测方法,并在区域尺度应用上具有广阔的应用潜力。该研究可为区域尺度的作物估产提供参考。