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。     

乡镇尺度的玉米种植面积遥感监测

以快速、准确提取玉米种植面积为目标,以多时相HJ-1A/1B CCD影像和数字高程模型（DEM）为信息源,选取吉林省长春市为试验区,将试验区种植结构、物候特征、地形特征、光谱特征及植被指数等多元信息引入决策树分类模型,构建基于决策树分层分类的玉米种植面积遥感估算模型,并将空间化的农普数据作为参考值,以乡镇为基本评价单元对玉米种植面积遥感测量结果进行精度评价。研究表明：利用该方法可以有效提高玉米识别精度,满足作物种植面积估算大范围、多时相的需求,有助于解决作物种植面积遥感估算业务运行时空分辨率的矛盾,乡镇尺度的玉米种植面积总量提取精度可达92.57%。     

基于时空滤波Sentinel-1时序数据的田块尺度岭南作物分布提取

为解决岭南地区作物制图中光学影像时空覆盖缺失以及作物种植结构复杂导致不确定性高等问题,以满足对高精度作物制图日益迫切的应用需求。该研究提出了一种基于Sentinel-1的双极化时间序列和作物物候信息建立时空维度典型物候特征的作物分类方法,选择广州市南沙区为试验区,通过XGBoost机器学习算法,实现了田块尺度下的不同作物类型的准确识别及种植面积的精细提取。结果表明：1）相比像素时序特征分类结果,经过雷达时空滤波后的田块时序特征分类方法不仅能有效抑制合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）影像斑点噪声产生,而且总体分类精度和Kappa系数分别提高了12.5个百分点、0.19;2）与仅基于Sentinel-1(VV+VH)时空滤波后的全年时序特征分类方法相比,在分类过程中添加物候特征变量的方法表现出更高的精度,Kappa系数可达0.91,甘蔗和香蕉播种面积提取精度分别达到82.04%和71.01%。研究结果表明中高分辨率SAR影像（10 m×10 m）时间序列结合XGBoost算法和雷达数据时空滤波策略可实现区域作物准确识别及种植面积提取,同时,可从数据源与分类方法上为岭南地区农业遥感应用提供思路,对该地区农业灾害管理和灾后救助具有重要参考价值。     

基于HJ时间序列数据的农作物种植面积估算

通过对长时间序列遥感影像的波谱变化特征分析,可以有效地进行农作物种类识别与信息提取,提高农作物种植面积的遥感监测精度。中空间分辨率多光谱遥感影像适合于中国大范围大宗农作物面积监测,也是能够提供稳定时间序列遥感数据源之一。该研究以河北省衡水市为研究区域,采用2011年10月3日-2012年10月24日期间,16景30 m空间分辨率的HJ-1A/B卫星CCD(电荷耦合元件,charge-coupled device)影像月度NDVI(归一化植被指数,normalized difference vegetation index)时间序列数据,针对冬小麦、夏玉米、春玉米、棉花、花生和大豆等主要作物类型,在全生育期波谱特征曲线分析基础上,提取主要作物类型的曲线特征,采用基于NDVI阈值的决策分类技术,进行了农作物种植面积遥感识别,以15个规则的2 km×2 km的地面实测GPS(全球定位系统,global positioning system)样方进行了精度验证。考虑到大豆和花生2种作物的NDVI时间序列特征相似性较高,将这2种作物合并为一类进行分类,并命名为小宗作物。结果表明,冬小麦、夏玉米、春玉米、棉花和小宗作物等5类目标可以有效识别,分类总体精度达到90.9%,制图精度分别为94.7%、94.7%、82.4%、86.9%和81.2%,其他未分类类别精度为85.9%。利用中高分辨率遥感时间序列卫星影像,在大宗农作物时间序列的变化规律分析基础上,可以准确地提取大宗农作物种植面积,在农作物面积资源调查中具有较大的应用潜力。     

基于异源多时相遥感数据提取灌区作物种植结构

用遥感技术提取灌区作物种植结构需要源影像具有适宜的时空分辨率以适应其动态变化特征。该文综合运用多种遥感影像数据,将Landsat ETM+与MODIS NDVI数据融合区分灌区土地利用类型,由融合后的时间系列数据非监督分类结果提取植被指数变化信息,结合作物系数变化规律运用光谱耦合技术提取作物种植结构。根据该方法将漳河灌区作物种植结构区分为水稻—油菜、水稻—小麦、单季夏季作物以及双季经济作物。由地面统计数据和高分辨率IKONOS影像进行了检验,分类精度达到91%并且与统计数据相吻合。结果表明该法不仅能提供更为准确的灌区作物种植结构时空信息,而且节省影像购买成本,方便灌区尺度遥感应用。     

协同多时相国产GF-1和GF-6卫星影像的艾草遥感识别

艾叶具有巨大的食用和医用价值,近些年艾草种植面积在中国南方地区显著增加。掌握艾草空间分布信息对于区域作物种植结构调整、艾草产业布局优化具有重要现实意义。该研究以中国艾草主要生产地--湖北省蕲春县为例,探讨国产高分1号（GF-1）和高分6号（GF-6）卫星影像识别艾草的潜力。本文首先基于高分影像构建了20个光谱特征,然后采用随机森林分类器进行分类,最后分析了红边指数对识别艾草的贡献度。为了评估协同GF-1和GF-6影像识别艾草的潜力,研究还比较了不同影像组合情景识别艾草的精度。结果表明,协同GF-1和GF-6影像提取的蕲春县艾草的用户精度是92.73%,制图精度是88.74%,均显著高于基于单一GF-1或GF-6影像识别艾草的精度。各乡镇艾草遥感制图面积和统计面积拟合的相关性系数R2达到0.7,表明研究结果能够准确反映艾草的种植面积和空间分布。基于随机森林的重要性得分排名前50的特征中,红边波段以及红边植被指数的数量占比达54%,其中6月23日GF-6影像的红边波段I贡献度得分最高,是识别艾草的最优光谱特征。GF-6的另一新增的紫波段相较于其他传统波段,也对于区分艾草和其他作物做出了重要贡献。5月上旬和9月上旬分别为艾草第一茬和第二茬叶片快速繁殖生长阶段,是艾草的最佳识别时期,6月下旬和9月下旬也是区分艾草和其他作物的关键时期。研究表明,GF-6 WFV影像的新增波段以及基于红边波段构建的植被指数能够有效提高作物识别的准确性,协同GF-1和GF-6影像通过提高影像时间信息,能较好捕获作物的关键物候特征,从而提高作物识别精度。该研究为充分发挥多源国产高分卫星协同利用优势提供了典型应用示范,呈现的作物识别方法不仅适用于艾草,也适用于其他区域和其他农作物。     

基于改进多元纹理信息模型和GF-1影像的县域冬小麦面积提取

作物面积监测具有较强的时效性,应用不断发展的遥感技术能够及时可靠地监测主要作物的种植面积。该文围绕国产高分一号卫星(GF-1)农业应用关键技术,研究县域尺度农作物种植面积快速准确提取的方法。在考虑多光谱遥感影像空间相关性的基础上,利用矩阵分解和距离空间转换等数学工具设计一种改进多元纹理信息(modified multivariate texture,MMT)提取模型,实现基于GF-1遥感影像的改进多元纹理信息提取、纹理与光谱信息融合以及基于融合影像分类的县域尺度冬小麦识别和面积提取。选用冬小麦出苗和越冬2期GF-1宽视场影像,结合地面实测数据和最佳识别时相遥感参考数据,对比分析基于光谱信息、单变量纹理与光谱融合信息、改进多元纹理与光谱融合信息的3种冬小麦识别和面积量算结果,实现对改进多元纹理信息效果以及小区域和较大区域上冬小麦面积提取的精度验证。试验结果表明:1)与基于其他2种传统分类特征信息的结果相比,改进多元纹理信息的加入能够显著提高冬小麦识别精度(出苗期提高4.12%和2.36%,越冬期提高2.59%和0.94%);2)在不考虑影像质量、生育期和地面样方测量精度等客观因素的影响下,基于该文方法的小区域内冬小麦面积提取精度普遍优于90%;3)在冬小麦长势稳定的时相(越冬期),基于该文方法的较大区域冬小麦面积量算结果能够达到接近最佳识别时相(孕穗期)的面积提取精度,二者的一致性程度超过97%。因而,利用GF-1宽视场影像能够有效提取县域尺度冬小麦种植面积,可为农作物监测业务运行提供遥感数据保障。     

基于红边位置变化特征的油菜种植区域提取

油菜种植区域的准确提取是进行长势监测、估产和灾情评估的前提,遥感手段已成为作物种植区域提取与监测的高效方法,而高光谱遥感具有波段多、波谱分辨率高、信息丰富等特点,因而提供了一种新的技术手段。为了探究高光谱遥感在作物识别与提取中的优势,该文基于2004年4月4日和5月6日2期EO-1 Hyperion影像,依据油菜盛花期到荚果期红边位置"蓝移"特征,区别于其他植被,实现了油菜种植区域的高光谱遥感提取。采用随机点验证方法对提取结果进行验证,总体精度为92.6%,Kappa系数为0.803,漏分和错分误差均处在合理的范围之内。该方法充分利用了高光谱遥感手段可提取植被红边参数的优势,且算法对地物光谱差异性不敏感,为油菜种植区域遥感提取提供了一套全新的思路与解决方案。     

东北地区主要作物种植结构遥感提取及长势监测

以中国东北地区为研究区域,探讨基于遥感影像全覆盖的大尺度作物种植结构自动提取及长势遥感监测的技术方法。通过分析东北地区春玉米、春小麦、一季稻及大豆等主要作物时序光谱特征,确定不同作物种植结构遥感提取的阈值,建立基于MODIS NDVI数据的上述4种作物种植结构提取模型,获取2009年东北地区主要作物空间种植结构格局特征。其次,基于MODISNDVI数据,利用差值模型,通过与近5 a作物长势的平均状况进行对比,分析研究东北地区2009年4种作物的长势状况。结果显示,与多年平均统计数据比较,基于遥感提取的作物种植结构信息,总体精度达到了87%以上;不同作物长势在其整个生育期内在时间和空间分布上都有较大差异。研究表明,通过MODIS数据提取不同作物种植结构及进行大尺度作物长势监测的技术和方法是可行的,研究为中国农业遥感监测系统大尺度业务化运行的作物种植结构提取提供了有效方法。     

基于TM和MODIS数据的水旱地冬小麦面积提取和长势监测

采用Mahalanobis Distance分类法提取了冬小麦种植面积,通过搭建决策树结构进行了不同灌溉类型冬小麦种植面积的提取,通过两个年份不同生育时期MODIS-NDVI的比较,分析了NDVI时间曲线与冬小麦长势的响应规律和水旱地冬小麦年同期长势。结果表明：2007年临汾地区冬小麦总种植面积为234778.5 hm2,提取精度为96.96%,其中水地种植面积为107488.3 hm2,提取精度为86.15%,旱地冬小麦为127290.2 hm2,提取精度为86.16%。生育期内,水地冬小麦整体长势好于旱地冬小麦,通过NDVI变化斜率比较,表明随着生育期的推进,水地冬小麦NDVI达到峰值前的上升速度远大于旱地冬小麦,峰值后水地冬小麦NDVI下降速度小于旱地冬小麦。     

小麦倒伏的雷达极化特征及其遥感监测

研究探索了雷达遥感大面积监测小麦倒伏状况的潜力。利用覆盖整个小麦生育期的5景时间序列Radarsat-2全极化影像数据,对比分析了倒伏小麦与正常小麦在不同时间、不同极化的雷达后向散射动态响应规律,发现雷达极化特征对小麦倒伏十分敏感,基于此提出利用雷达极化指数监测小麦倒伏的方法。并利用内蒙古额尔古纳市上库力农场春小麦抽穗灌浆期的实地调查数据,对提出方法进行验证,结果表明该方法能有效辨识和监测小麦倒伏。为大面积监测小麦倒伏提供了一种简单、快速、有效的手段。     

基于合成孔径雷达的农作物后向散射特性及纹理信息分析——以吉林省农安县为例

及时掌握农作物类型、时空分布和结构信息,是合理调整农业结构的重要科学依据。针对光学遥感依赖于太阳辐射,在农作物生长周期内常受制于云雾的影响而无法获取到光学遥感数据的问题,本文采用全天时全天候、不受云雾等天气影响的合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）影像,探讨典型农作物的后向散射特性和纹理特征,为采用合成孔径雷达影像实现高精度农作物大面积监测提供科学依据。以吉林省农安县为例,利用12景Sentinel-1B双极化SAR影像数据,经影像预处理和统计分析,研究不同极化的农作物后向散射特性和纹理信息。结果表明：3种作物（大豆、玉米、水稻1和水稻2）同极化（VV）的SAR后向散射系数在生长周期内均高于交叉极化（VH）,农作物植株形态改变极化方式的能力为-25~-15 dB。3种作物在整个生长期内,后向散射系数呈现较大波动,各阶段后向散射特征差异明显。在生长初期,土壤对后向散射特征起主要作用,在SAR图像上表现为暗色调;随着作物生长,冠层散射叠加土壤散射作用占据主要位置,散射值随作物生长呈现逐渐增加的趋势,在SAR图像上表现为亮色调;拔节（分枝）后（7月10日后）作物的后向散射信号除冠层散射作用外,还主要受到土壤含水量及其与作物相互作用的影响,因此拔节后两种水稻后向散射系数下降幅度较大。水稻对雷达波的吸收强于玉米和大豆,整体上后向散射系数第2种水稻<第1种水稻<玉米<大豆,尤其在VH极化方式下表现更明显。对作物SAR纹理信息的研究表明纹理信息的均值、方差和协同性对于农作物的SAR识别更有效,最佳纹理信息为VH极化均值,有利于识别3种作物;VV极化方差和VV协同性有助于区分两种水稻;SAR影像识别作物的最佳时相为5月23日至7月10日。     

The role of tillage and crops on a soil loss of an arable Stagnic Luvisol

The poor physical, chemical and biological properties make Stagnic Luvisol highly susceptible to water erosion on sloping terrains. The objective of this paper is to estimate the effect of different tillage treatments and crops (maize, soybean, winter wheat, spring barley, oilseed rape) on water erosion. The highest erosion in investigation period (1995–2014) was recorded in the control treatment with fallow, followed by the treatment that involved ploughing and sowing up and down the slope. Significantly, lower soil losses were recorded in no-tillage and treatments with ploughing and sowing across the slope. Regarding the crops significantly higher soil losses were recorded in spring row crops (maize and soybean) compared to high-density winter crops (wheat and oilseed rape) and double crop (spring barley with soybean). In the studied period, an average loss of 46 mm of the plough layer was recorded in the control treatment, while in treatment with ploughing and sowing up and down the slope average annual soil loss was 10 mm. According to the results of this study no-tillage and tillage across the slope are recommended as tillage which preserves soil for the next generations in agro-ecological conditions of continental Croatia.     

基于多时相合成孔径雷达与光学影像的冬小麦种植面积提取

小麦是中国最重要的农作物之一,准确、及时掌握小麦种植面积具有重要意义。以探索合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)与光学数据对种植结构复杂地区冬小麦识别的能力,提高识别精度为目的。该研究以多时相SAR(Sentinel-1A)和光学影像(Landsat-8)为数据源,选取种植结构复杂的都市农业区为研究区。构建不同特征向量组合,利用支持向量机(support vector machine,SVM)提取冬小麦种植面积。通过对比分析基于不同特征向量组合的冬小麦识别精度,结果表明:1)使用SAR后向散射数据得到85.7%的制图精度和87.9%的用户精度;2)添加SAR数据纹理信息,总体精度高达90.6%,比单独使用后向散射数据在制图精度和用户精度上分别提高7.6%和6.7%;3)当SAR数据和光学影像结合时,总体精度高达95.3%(制图精度97%,用户精度98.4%),比单独使用SAR数据在制图精度和用户精度上分别提高3.7%和3.8%。因此,基于SAR数据的都市农业区冬小麦分类,有着较高分类精度,纹理信息和光学影像的添加能有效提高识别精度。研究结果可为SAR数据的农作物识别和应用提供理论基础。     

多极化多角度ASAR数据反演裸露和小麦地表土壤湿度

为了更好地监测地表土壤湿度,利用多极化、多角度ASAR-APP影像数据,研究了裸露和小麦地表土壤湿度反演方法。对裸露地表,基于AIEM（advance integral equation model）模型,建立多项式半经验模型反演土壤湿度;对小麦地表,小入射角HH极化ASAR数据与土壤湿度相关性更好,大入射角HH极化ASAR数据与小麦含水率相关性更好。基于水云模型,首先利用大入射角HH极化ASAR数据去除小麦冠层对雷达后向散射的影响,然后利用多角度ASAR数据推导建立小麦地表土壤湿度反演半经验模型;实测数据验证了裸露和小麦地表土壤湿度反演模型的适用性,利用验证数据反演裸露和小麦地表土壤湿度精度（RMSE）分别为3.55%、3.81%。结果表明,该文半经验模型具有较高的反演精度。     

冬小麦不同生长期雷达后向散射特征分析与应用

雷达遥感具有全天候观测能力,其时效性保障是作物关键物候期观测的迫切需求。该文以全极化雷达遥感数据RADARSAT-2为数据源,选择冬小麦的孕穗期和乳熟期为研究对象,以理论模型MIMICS模拟为依据,分析了冬小麦不同物候期的散射特征和参数提取方法。结果表明：冬小麦不同生长期由于结构上的差异,散射特征差别很大;模型模拟可以为长势反演提供参考,为作物参数反演提供理论依据;孕穗期可以用极化比HH/VV提取作物长势信息,乳熟期极化比VV/VH更易提取长势信息,且精度更高,同时极化比VV/VH能在乳熟期估算冬小麦的产量。     

四川旱地作物水分盈亏变化及其与气候变化的关系

利用四川53个农业气象站点1971-2009年逐旬气象、土壤湿度和作物发育期资料,运用农田水量平衡原理和气候趋势分析方法,分析了5个气候子区域近40a来玉米、小麦、油菜全生育期和关键生育期水分盈亏量变化及其与气候变化的关系,结果表明:全生育期和关键生育期内,各分区小麦、油菜均为水分亏缺,但关键期亏缺量在减小;各区域温度升高、水汽压增大、风速减小、日照减少趋势明显;水分盈亏量与降水、水汽压呈正相关,与气温、日照、风速呈负相关。由此可见,四川旱地作物以水分亏缺为基本特征,但由于日照和风速的减小引起作物需水量减少,从而使水分亏缺程度有所降低。     

Estimation of surface roughness and stone cover in burnt soils using SAR images

In many quartzitic slopes in the NW of the Iberian Peninsula there is a high topsoil stoniness which produces a random surface roughness. The surface roughness is one of the control parameters in the signal of Synthetic Aperture Radar (SAR) images. In this work we test the use of the SAR images for distinguishing and mapping areas with different surface roughness which, in this study, correspond with areas with different surface stoniness. In accordance with the geographic location, the relief of the study area and the aims of the project JERS and ENVISAT SAR images were used. The images are characterized by the high view angles, between 33° and 42°, alternating polarization (HH/HV, VV/VH) data and ascending and descending passes.     

Crop rotation effects on yield of oilseed rape,wheat and barley and residual effects on the subsequent wheat

Economic conditions are forcing farmers to grow crops with high revenue leading to cereal-dominated crop rotations with increasing risk due to unfavourable preceding crops or preceding crop combinations. Based on a long-term field trial (1988–2001) with 15 different rotations including winter oilseed rape (OSR), winter wheat, winter barley, spring peas and spring oats, the effects of different preceding crops, pre-preceding crops and crop rotations on the grain yield of mainly OSR, winter wheat and winter barley were quantified. In the subsequent 2 years (2001/2002 and 2002/2003), winter wheat was grown on all plots in order to test the residual effects of the former crops (as preceding crops in 2002 and as pre-preceding crops in 2003) and crop rotations on growth, grain yield and yield components.

Unfavourable preceding crops significantly decreased yield of OSR, wheat and barley by 10% on average, however, with a large year-to-year variation. In addition, break-crop benefits in both crops, wheat and OSR, persisted to the second year. Wheat as preceding crop mainly decreased the thousand grain weight, and to a lesser extent, the ear density of the subsequent wheat crop. The amount of wheat yield decrease negatively correlated with the simple water balance (rainfall minus evapotranspiration) in May–July. In 2001/2002 and 2002/2003, the preceding crop superimposed the crop rotation effects, thus resulting in similar effects as observed in 1988–2001.

Our results clearly reveal the importance of a favourable preceding crop for the yield performance of a crop, especially wheat and OSR.