基于四维变分和集合卡尔曼滤波同化方法的冬小麦单产估测

为了通过数据同化方法提高冬小麦的估产精度,以陕西省关中平原为研究区域,采用标定的CERES-Wheat模型模拟8个典型样点冬小麦整个生育期的叶面积指数(LAI),通过四维变分(4DVAR)和集合卡尔曼滤波(En KF)2种同化算法同化CERES-Wheat模型模拟的LAI和遥感数据反演的LAI,获得单点尺度的LAI同化数据,将单点尺度的LAI同化值扩展到区域尺度,对两种同化方法的单点尺度和区域尺度的同化结果进行对比与分析。结果表明,两种同化方法均能综合遥感反演LAI和模型模拟LAI的优势,使LAI同化值更符合冬小麦LAI的实际变化规律;在单点尺度和区域尺度上,En KF-LAI均更能反映关中平原冬小麦的实际生长状况。采用En KF-LAI构建关中平原冬小麦估产模型估测2008年和2014年的冬小麦单产,通过实测单产对估产模型进行验证,结果表明,2008年样点估测单产与实测单产的相对误差均小于15%,部分县估测单产与实测单产的相对误差均小于10%;与2014年模拟单产与实测单产间的相对误差相比,估测单产与实测单产间的相对误差降低0.57%~9.30%,RMSE降低217 kg/hm2,其中,8个样点的估产精度达到94%以上,表明组合估产模型的估产精度较高。     

杉木人工林叶面积指数估测及影响因子分析

叶面积指数是植被长势监测中最常用的参数之一,开展叶面积指数定量估测可为LAI信息的大区域监测提供参考.以湖南攸县黄丰桥林场的SPOT 5影像为数据源,结合地面实测数据,通过MCARI、SAVI、MSAVI、NDVI间的相关性和回归分析构建16种叶面积指数估测模型,探索适合杉木LAI的估测模型及影响因子.四种植被指数均与杉木叶面积指数具有较高的相关性,依次为MCARI、SAVI、MSAVI、NDVI,以MCARI为自变量的指数回归模型y=1.031exp(3.379x)估测精度最高,达87.69％;杉木LAI随龄组的增大呈上升趋势,最大值出现在成熟林,比LAI最小的幼龄林高0.30;不同坡向杉木LAI两两之间差异显著,半阳坡LAI明显大于其他坡向.研究表明,龄组和坡向是影响杉木LAI的重要因子,限制其生长和分布的首要因素是水湿条件,其次是温度.     

基于时间序列LAI和ET同化的冬小麦遥感估产方法比较

为了评估同化时间序列叶面积指数(leaf area index,LAI)和蒸散发(evapotranspiration,ET)产品对冬小麦产量估测的有效性和适用性,该文选择陕西省关中平原冬小麦为研究对象,以SWAP为作物生长动态模型,利用冬小麦关键生育期的遥感观测和SWAP模拟LAI、ET趋势变化信息构建代价函数,以SCE-UA作为优化算法最小化代价函数,重新初始化SWAP模型中的出苗日期和灌溉量2个参数。重点比较了基于向量夹角和一阶差分2种代价函数的冬小麦单产估测精度。结果表明,同化MODIS LAI和ET后,冬小麦产量的估测精度比未同化精度(r=0.57,RMSE=1 192 kg/hm2)有显著提高,并且基于向量夹角代价函数法同化策略的单产估测精度(r=0.75,RMSE=494 kg/hm2)高于一阶差分代价函数法(r=0.73,RMSE=667 kg/hm2)的估测精度。该方法为其他区域的水分胁迫模式下遥感与作物模型双变量数据同化提供了参考。     

基于作物模型与叶面积指数遥感影像同化的区域单产估测研究

通过对作物光合、呼吸、蒸腾、营养等一系列生理生化过程的定量模拟，作物生长模型已经被成功应用于田间尺度的作物单产研究。为了进一步将作物模型扩展应用于区域尺度，提高区域作物单产的模拟精度，该文探讨了将作物模型与多时相叶面积指数(LAI)遥感影像同化以改善区域单产估测的方法。研究首先通过地理信息系统将美国农业部开发的“考虑气候的作物环境决策模型”——EPIC模型，扩展为空间模型。然后，通过基于Landsat TM影像差值植被指数DVI与田间观测叶面积指数构建的最优回归模型，反演了研究区域的多时相叶面积指数影像。最后通过优化算法实现了空间EPIC模型与影像信息的同化，并将系统应用于河北石家庄地区2004年冬小麦的单产估测。结果表明，通过数据同化校正部分关键参数后的空间作物模型的单产模拟精度得到有效提高，但要达到业务运行精度仍有待进一步改善。     

基于低空无人机成像光谱仪影像估算棉花叶面积指数

农作物叶面积指数(leaf area index,LAI)遥感监测具有快速、无损的优势。该文以低空无人机作为遥感平台,使用新型成像光谱仪获取的农田高光谱影像数据对棉花LAI进行反演。利用影像高光谱分辨率的特点,针对传统固定波段植被指数(fixed-bandvegetation index,F_VI)进行改进,通过动态搜索相应植被指数定义所使用波段范围内的反射率极值的方法,计算与各类植被指数对应的极值植被指数(extremum vegetation index,E_VI)。分别以原始全波段光谱反射率、连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)提取的有效波段反射率以及各类F_VI和E_VI作为自变量,使用最小二乘和偏最小二乘(partial least squares,PLS)回归等方法构建LAI遥感估算模型。结果显示:1)以植被指数为自变量的模型估算效果(验证R2最高为0.85)优于以光谱反射率作为自变量的模型(验证R2最高为0.59);2)使用E_VI作为自变量能够显著提高LAI的估测精度(验证R2最大提高了0.11);3)使用PLS回归算法结合多个E_VI建立的LAI-E_VIs-PLS模型精度最高。使用LAI-E_VIs-PLS模型对棉花地块高光谱影像进行反演,制作棉花LAI空间分布图,取得良好的估算结果(验证R2=0.88,RMSE=0.29),为农作物LAI遥感监测提供了新的技术手段。     

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...     

运用PLS算法由HJ-1A/1B遥感影像估测区域小麦实际单产

为进一步提高遥感估产精度,显示国产影像在农业估产中的应用效果。该研究以2010-2013年HJ-1A/1B影像为遥感数据,分析了卫星遥感变量与小麦实际单产的定量关系,运用偏最小二乘回归算法构建及验证了以实际单产为目标的多变量遥感估产模型,并制作了小麦实际单产空间等级分布图。研究表明:实际单产与所选用的大多数遥感变量间关系密切,且多数遥感变量两两间具有严重的多重相关关系;实际单产偏最小二乘回归模型的最佳主成分为5,且植被衰减指数、绿色归一化植被指数、调整土壤亮度的植被指数、比值植被指数和归一化植被指数为实际单产遥感估测的敏感变量;建模集和验证集实际单产估测模型的决定系数分别为0.74和0.70,均方根误差分别为754.05和748.20 kg/hm2,相对误差分别为11.5%和8.88%,且估测精度比线性回归算法分别提高20%以上和40%以上,比主成分分析算法分别提高18%以上和30%以上,说明偏最小二乘回归算法模型估测区域实际单产的效果要明显好于线性回归和主成分分析算法,该模型应用结果与小麦实际单产区域分布情况相符合,为提高区域小麦实际单产的遥感估测精度提供了一种途径。     

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。     

基于无人机数码影像的玉米育种材料株高和LAI监测

快速、无损和高通量地获取田间株高(height,H)和叶面积指数(leaf area index,LAI)表型信息,对玉米育种材料的长势监测及产量预测具有重要的意义。基于无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)遥感平台搭载高清数码相机构建低成本的遥感数据获取系统,于2017年5—9月在北京市昌平区小汤山镇国家精准农业研究示范基地的玉米育种材料试验田,获取试验田苗期、拔节期、喇叭口期和抽雄吐丝期的高清数码影像和地面实测的H、LAI和地面控制点(ground control point,GCP)的三维空间坐标。首先,基于高清数码影像结合GCP生成试验田的数字表面模型(digital surface model,DSM)和高清数码正射影像(digital orthophoto map,DOM);然后,基于DSM和DOM分别提取玉米育种材料的H和数码影像变量,其中将DOM的红、绿和蓝通道的DN(digital number)值分别定义为R、G和B,进行归一化后得到数码影像变量,分别定义为r、g和b;最后,基于实测H对DSM提取的H进行了精度验证,并用逐步回归分析方法进行了LAI的估测。结果表明,实测H和DSM提取的H高度拟合(R~2、RMSE和n RMSE分别为0.93,28.69 cm和17.90%);仅用数码影像变量估测LAI,得到最优的估测变量为r和r/b,其估算模型和验证模型的R~2、RMSE和n RMSE分别为0.63,0.40,26.47%和0.68,0.38,25.51%;将H与数码影像变量进行融合估测LAI,得到最优的估测变量为H、g和g/b,其估算模型和验证模型的R~2、RMSE和n RMSE分别为0.69,0.37,24.34%和0.73,0.35,23.49%。研究表明,基于无人机高清数码影像结合GCP生成DSM,提取玉米育种材料的H,精度较高;将H与数码影像变量进行融合估测LAI,与仅用数码影像变量相比,估测模型和验证模型的精度明显提高。该研究可为玉米育种材料的田间表型信息监测提供参考。     

利用无人机多光谱估算小麦叶面积指数和叶绿素含量

利用无人机遥感的方式进行农作物长势监测是目前精准农业、智慧农业发展的重要方向,为了探究无人机多光谱反演小麦叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)和叶绿素含量的模型估算潜力,该研究在3个飞行高度(30、60、120 m)采集多光谱影像,通过使用全波段差值光谱指数(Difference Spectral Index,DSI)、比值光谱指数(Ratio Spectral Index,RSI)、归一化光谱指数(Normalized Spectral Index,NDSI)和经验植被指数与地面实测数据进行相关性分析,获得不同高度下的光谱指数与LAI和叶绿素含量的关系模型及其决定系数,以决定系数为依据分别构建多元逐步回归、偏最小二乘回归和人工神经网络模型,分析不同飞行高度无人机多光谱反演小麦冠层LAI和叶绿素含量SPAD(Soil and Plant Analyzer Development)值的精度。结果表明:1)30 m高度下,绿-红比值光谱指数与小麦LAI的相关性最高,相关系数为0.84;60 m高度下,红-蓝比值光谱指数与小麦叶绿素含量的相关性最高,相关系数为0.68;2)在60 m高度下,经验植被指数与小麦LAI和叶绿素含量的相关性较好,最大相关系数分别为0.77和0.50;3)利用偏最小二乘回归反演小麦LAI的精度最高,决定系数为0.732,均方根误差为0.055;利用人工神经网络模型反演小麦叶绿素含量的精度最高,决定系数为0.804,均方根误差0.135。该研究成果可为基于无人机平台的高通量作物监测提供理论依据,并为筛选无人机多光谱波段实现作物长势参数快速估测提供应用参考。     

基于作物及遥感同化模型的小麦产量估测

为提高陕西省关中平原冬小麦的估产精度,该文通过粒子滤波算法同化Landsat遥感数据反演的状态量叶面积指数(leaf area index,LAI)、土壤含水量(0~20 cm)、地上干生物量数据和CERES-Wheat模型模拟的状态量数据,分析小麦不同生育期的LAI、土壤含水量及生物量同化值和实测单产的线性相关性,以构建同化估产模型。结果表明,在返青期土壤含水量同化值和实测单产的相关性高于LAI、生物量同化值和实测单产的相关性,选择土壤含水量作为最优变量;在拔节期和抽穗-灌浆期同时选择LAI、土壤含水量及生物量作为最优变量;在乳熟期选择生物量作为最优变量。在小麦各生育时期同化最优变量的估产精度(R2=0.85)高于同时同化LAI、土壤含水量及生物量的估产精度,同时同化LAI、土壤含水量及生物量的估产精度高于同时同化LAI和土壤含水量(或LAI和地上干生物量、或土壤含水量和地上干生物量)的估产精度,表明在作物不同生育时期同化与产量相关性较大的变量对提高估产精度有重要作用。     

基于Sentinel-2多光谱数据的棉花叶面积指数估算

棉花叶面积指数(leaf are index, LAI)的快速、准确获取对棉花长势监测、发育期诊断、面积提取以及产量估算等遥感监测具有重要意义。该研究利用2017年和2018年的Sentinel-2多光谱卫星数据及大面积田间试验观测获取的棉花不同发育期LAI实测数据,构建了基于单波段反射率及各类植被指数的棉花不同发育期及全发育期LAI估算模型,并采用留一验证(LOOCV, leave-one-out cross validation)和交叉验证对模型精度进行了检验。结果表明:1)对于单波段反射率,基于中心波长为842 nm波宽为145 nm的B8近红外波段对不同发育期LAI估算精度最优均方根误差(RMSE, root mean square error, RMSE=0.378);2)对于各类植被指数,花蕾期(20170616)和花铃期(20170802)时增强植被指数(EVI, enhanced vegetation index,)表现最佳(RMSE分别为0.352和0.367),开花期(20180623)时校正土壤调节植被指数(MSAVI2, modified soil adjusted vegetation index 2,)估算精度最高(RMSE=0.323);3)单波段反射率和各类植被指数对全发育期LAI的估算均要优于对单个发育期LAI的估算,其中基于IRECI指数的(invertedred-edge chlorophyllindex)全发育期LAI估算模型精度最佳,LOOCV检验RMSE=0.425,交叉检验RMSE=0.368;将基于IRECI的全发育期LAI估算模型应用到单个发育期LAI估算并与各单个发育期LAI估算模型精度对比,发现交叉验证RMSE平均值仅比LOOCV验证RMSE平均值高0.07,反映了全发育期LAI估算模型良好的普适性。该研究为农作物LAI估算提供了新的数据选择,完善了Sentinel-2卫星数据在LAI估算中的应用领域。     

水稻遥感估产模拟模式比较

通过大田小区试验,测定了2个品种、3个供氮水平处理的水稻抽穗后不同时期冠层的光谱反射率、叶面积指数及最后的理论产量和实际产量,模拟MSS、TM、SPOT、资源一号CCD相机、IKONOS、MODI S和高光谱的波段来构建光谱差值植被指数DVI、比值植被指数RVI、差值归一化植被指数NDVI和绿度G,并模拟建立遥感估产模式.结果表明:单变量估产模式以差值植被指数DVI效果最好,蜡熟期估产效果要优于抽穗期和灌浆期;多时期复合估产模式估产效果要优于单一生育期;成熟期各种数据的DVI估产模式具有相近估产精度,达91%以上,其中MSS波段的估产精度最高.     

玉米产量潜力及超高产物质积累途径优化分析方法

作物产量潜力估计对于作物生产及超高产创建具有重要的理论指导意义。本文以玉米品种‘先玉335’为试验材料,于2005—2013年在吉林省3个不同生态类型区(乾安县、公主岭市和桦甸市)布置密度试验进行玉米超高产研究,利用获取的田间试验资料结合FAO-AEZ模型提出了一种基于优化模式的玉米产量潜力估计方法,解决了FAO-AEZ模型中收获指数常数的选择问题,并进一步建立玉米超高产生产中干物质积累途径分析方法。结果表明,玉米的产量与描述其干物质积累过程的Logistic方程参数密切相关,所建关系模型达到极显著水平(P0.01),并通过2012年和2013年实际产量统计检验;基于非线性优化理论,利用所建产量关系模型估算出乾安县和桦甸市的产量潜力,较FAO-AEZ模型潜力估计值年平均提高17.5%和16.1%;以实际生产数据作为约束条件,进一步求出乾安县、公主岭市和桦甸市产量达到15 000 kg·hm-2时的最低种植密度分别为7.7万株·hm-2、8.2万株·hm-2和7.9万株·hm-2,同时求出各生态区相应的干物质积累参数和各生育阶段的干物质积累量指标,为玉米超高产栽培播前决策和生育期调控提供理论依据。本文分析结果可作为吉林省玉米产量潜力估计及高产与超高产创建的理论依据,所建模型及相关分析方法也可作为其他地区作物产量潜力估计的参考。     

基于叶面积指数构建滴灌玉米营养生长期临界氮稀释曲线

明确宁夏引黄灌区基于叶面积指数(leaf area index,LAI)的滴灌玉米临界氮稀释曲线模型及其适用性,探讨以氮营养指数(nitrogen nutrition index,NNI)为监测指标对滴灌水肥一体化模式下玉米氮素营养状况诊断的可行性。该研究于2017-2018年开展了不同施氮量(0~450 kg/hm^2)下4个田块的试验,采用系统分析和统计建模的方法,分析了LAI和植株氮浓度(plant nitrogen concentration,PNC)的定量关系,构建和验证基于LAI的临界氮稀释曲线模型,并建立理论框架,将基于LAI的临界氮曲线与基于植株干物质(plant dry matter,PDM)的临界氮浓度曲线关联,比较基于LAI和PDM的临界氮曲线之间的差异。结果表明,玉米营养生长期临界氮和LAI符合幂函数关系,拟合模型的评价指标均方根误差(root mean square error,RMSE)和标准化均方根误差(normalized RMSE,n-RMSE)的结果分别为0.09和4.13%,模型具有较好的稳定性。在试验氮素水平范围内,不同生育时期NNI随施氮量的增加而增加,变化范围为0.53~1.34,NNI可以准确地反映滴灌玉米氮素营养状况。在非限氮处理下,玉米植株氮素吸收与LAI成正比,LAI与PDM的异速生长参数接近理论值2/3。构建的基于LAI的临界氮曲线可以有效地识别玉米拔节期至吐丝期植株所需的氮状态,为宁夏滴灌玉米氮肥精确管理提供了一种新的评价方法。     

响应气候变化的棉花生长模拟与县域尺度产量评估

为评估气象变化对棉花生长和县域尺度产量的影响,使用校正的CROPGRO-Cotton模型实现棉花生长模拟和响应气候变化的年际籽棉产量评估。2018年和2019年的田间试验数据被用于校正和验证CROPGRO-Cotton模型,结果表明校正的CROPGRO-Cotton模型对物候发育期模拟精度较好,出苗期、开花期、结铃期和吐絮期的模拟误差分别为+1、+3、+1和-2 d。模拟的生长期地上总产量(TAGP)和叶面积指数(LAI)与实测值吻合较好,D值为0.99,模拟的RMSE值分别为718 kg·hm^-2和0.29 m²·m^-2, 显示了较高的TAGP模拟精度(10%D值为0.55,NRMSE值为15.8%。不同年际籽棉产量评估的平均D值和NRMSE值分别为0.48和15.6%,不同区域的籽棉产量评估的平均D值和NRMSE值分别为0.44和16.8%,校正的模型均获得了较高的年际和区域产量评估精度(NRMSE≤20%)。研究结果可为分析气候变化对棉花生长和产量的影响提供一种定量分析方法。     

基于无人机图像分割的冬小麦叶绿素与叶面积指数反演

叶绿素含量与叶面积指数是反映作物长势的重要理化参数,准确、高效定量估计小麦叶绿素含量与叶面积指数对于产量预测和田间管理决策具有重要意义,无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)遥感影像具有高空间分辨率的优势,被广泛应用于作物理化参数反演,但现有叶绿素含量与叶面积指数反演模型受土壤、阴影等背景噪声...