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。     

联合Terra/Aqua MODIS多角度多光谱数据反演冬小麦叶面积指数

Terra与Aqua双星搭载的MODIS传感器可实现每日上下午分别对同一地点观测一次,并且由于卫星轨道漂移形成累积连续多天的多角度观测特点,加上多通道的光谱响应,极大地丰富了地表目标的观测信息,为LAI等地表参数的实时准确反演提供了可能。该文利用MODIS双星高质量的连续多天的多波段地表反射率数据,结合PROSAIL(PROSPECT+SAIL,properties spectra+scattering by arbitrarily inclined leaves)模型和查找表方法反演冬小麦LAI,并与MODIS LAI产品及野外采样点实测LAI对比,结果表明,联合双星高质量的多角度多波段数据能够较准确反演冬小麦LAI,其反演结果无论从空间分布还是时序变化特征来讲,较MODIS LAI产品更符合实际情况,也更接近地面实测值。该文的研究为充分利用MODIS数据的角度和光谱信息反演小麦等农作物的LAI提供了一定的借鉴。     

基于PROSAIL模型及TM与实测数据的MODIS LAI精度评价

利用PROSAIL模型和TM影像反演的叶面积指数LAI及地面实测数据,从空间和时间序列上分别对吉林省主要玉米种植带的MODIS LAI产品精度进行验证分析,为准确评价和科学准确应用MODIS数据提供科学依据。研究结果表明,MODIS LAI产品精度因玉米生长时期和植被类型而异,混合像元是造成MODIS LAI产品低估玉米作物LAI值的主要原因之一;不同年份不同生长时期,MODIS LAI和实测数据表现出不同的关系;在玉米生长灌浆期之后,MODIS LAI产品与同期地面实测玉米LAI相比,约低估了33%～53%左右,MODIS LAI产品值明显低于TM影像反演的LAI值,约低估玉米LAI值约30%～69%左右。因MODIS LAI产品值与实际值有较大偏差,非常有必要对农作物MODIS LAI产品值进行验证分析,研究结果可为准确利用MODIS LAI产品及其算法改进后产品精度提供一种评价途径。     

基于半经验半机理建模的冬小麦LAI反演及长势评估

为了提高无人机遥感对冬小麦叶面积指数（leaf area index，LAI）反演模型的精度与泛化能力，该研究利用无人机搭载多光谱相机获取不同氮素处理和不同复种方式的冬小麦生长实测数据，结合PROSAIL辐射传输模型生成包含机理信息的模拟数据，基于不同组合方式建立了5种LAI反演混合数据集，结合多种机器学习方法，以期构建经验与机理相结合的LAI高精度反演模型。由于LAI反演受NIR波段反射率影响大，该研究筛选7种与NIR波段相关的植被指数提取冬小麦光谱特征，构建与混合数据集LAI的相关系数矩阵，进一步探究不同光谱特征对冬小麦LAI的影响程度。在此基础上，采用具有代表性和普适性的4种机器学习方法，即贝叶斯岭回归模型、线性回归模型、弹性网络模型和支持向量回归模型，构建不同冬小麦LAI反演模型，用以评估基于半经验半机理数据反演冬小麦LAI的可行性，进一步探索其对不同氮素水平和复种方式的冬小麦长势评估能力。结果表明：1）筛选的与NIR波段相关的植被指数与冬小麦LAI之间存在较强的相关性，其中归一化差异植被指数、增强植被指数、归一化差异红边指数、比值植被指数、红边叶绿素植被指数、土壤调节植被指数与LAI呈正相关，结构不敏感色素植被指数与LAI呈负相关；2）辐射传输模型中体现了冬小麦LAI影响太阳光线传播的机理，结果表明，与实测数据混合建立的模型，具有较强的鲁棒性和泛化能力。相比于其他3种模型，支持向量回归模型在各种数据组合下均取得了较好的LAI预测性能，在C1、C2、C3、C4这4种训练-测试组合的训练集中R²依次为0.86、0.87、0.88、0.91，RMSE依次为0.47、0.45、0.45、0.41；在测试集的R²依次为0.85、0.19、0.89、0.87，RMSE依次为0.45、1.31、0.49、0.50；3）使用支持向量机生成试验区LAI反演图，对4种氮素水平和2种复种方式的冬小麦长势评估，结果表明，适当的施加氮素处理能提高冬小麦LAI值，麦-豆复种方式下的冬小麦LAI值普遍高于麦-玉复种的LAI值。该研究为冬小麦LAI的反演提供了一种有效的方法，并为高效评估冬小麦长势研究提供了参考。     

基于多光谱与高光谱遥感数据的冬小麦叶面积指数反演比较

近年来,高光谱遥感数据广泛应用于农作物叶面积指数(LAI)反演。与常用的多光谱遥感数据相比,高光谱数据能否提高农作物LAI反演的精度和稳定性还存在争议。针对这一问题,该研究利用实测冬小麦冠层高光谱反射率数据,构造了不同光谱分辨率和波段组合的5种光谱数据。基于ACRM(a two-layer canopy reflectance model)模型、2套参数化方案及上述5种光谱数据,对冬小麦LAI进行反演,分析光谱分辨率、高光谱数据波段选择、模型参数不确定性3方面因素对LAI反演精度与稳定性的影响。研究结果表明:当波段选择适宜、模型参数不确定性较小且光谱数据分辨率较高时,LAI反演精度与稳定性更高,提高光谱分辨率对LAI反演精度的改进作用随光谱分辨率的升高而降低;反之,当高光谱数据波段选择不当或者模型参数不确定性较大时,提高光谱数据的分辨率并未提高LAI反演精度。该研究解释了"高光谱遥感数据能否提高植被参数反演精度"问题,为进一步发挥高光谱数据在农作物LAI反演中的潜力提供了科学参考。     

WOFOST模型同化时序HJ CCD数据反演叶面积指数

为增强作物叶面积指数遥感反演的机理性并提高反演精度,在深入分析作物长势模型WOFOST机理的基础上,采用最小二乘法作为同化算法,以生长季内获取的时序HJCCD遥感数据作为外部数据源,反演冬小麦叶面积指数进行长势监测和估产应用。以河北省玉田县为试验区,以三要素法和实测LAI作为基准,模型模拟产量和LAI作为反演精度的度量指标,成熟期LAI估算误差由模型同化前的14.95%降至同化后的9.97%,产量误差由同化前的18.17%降为同化后的15.89%。叶面积指数的同化结果与实测数据具有较好的拟合度,表明该方法的具有一定可行性,为作物生长模型区域化应用提供了参考。     

基于支持向量机回归的冬小麦叶面积指数遥感反演

利用单一植被指数反演叶面积指数(LAI)时,存在不同程度的饱和性且每种指数只能包含部分波段的信息,该文提出利用支持向量机回归的方法进行叶面积指数的反演,可以用更多的波段信息作为输入参数以提高LAI反演精度。选取冬小麦起身期、拔节期和灌浆期的实测光谱和叶面积指数数据,用统计回归的方法分别建立NDVI-LAI和RVI-LAI模型,用支持向量机回归(SVR)方法分别建立以NDVI、RVI以及蓝、绿、红和近红外4个波段数据作为输入参数的回归预测模型,即NDVI-SVR、RVI-SVR和NRGB-SVR模型。上述5个模型分别利用对应时期的环境星HJ-CCD数据进行验证。结果表明:NDVI和RVI与叶面积指数(LAI)的回归模型预测的结果与实测值的RMSE分别为0.98与0.97;预测精度分别为59.2%与59.3%。以NDVI和RVI结合实测叶面积指数(LAI)训练并预测的结果与实测值的均方根误差RMSE分别为0.71与0.83预测精度分别为70.4%与67.1%。以蓝(B)、绿(G)、红(R)以及近红外(NIR)波段作为输入参数回归并预测的RMSE值为0.42,预测精度为81.7%。通过支持向量机回归预测具有更好的拟合效果,可以输入更多波段信息,提高了叶面积遥感反演精度,对冬小麦的多个生育期均具有较好的适用性。     

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。     

不同时空分辨率遥感数据融合估算冬小麦叶面积指数

高时空分辨率叶面积指数(leaf area index,LAI)数据能反映作物的长势动态变化,为作物长势评估和产量预测提供有效的生长指标依据。该文综合利用混合像元线性分解与数据同化算法,以高空间分辨率SPOT-5数据反演的LAI修正高时间分辨率HJ-CCD数据反演的LAI序列,生成了覆盖冬小麦主要生育期的高空间分辨率LAI序列,并结合SPOT-5反演的LAI和实测LAI值分析了像元纯度、高空间分辨率遥感数据同化景数对融合效果的影响。结果表明,采用数据融合方法生成的LAI与检验LAI具有较高的一致性,但像元纯度对融合效果影响较大;基于2景SPOT-5影像能够提高LAI序列估测精度,且优于基于1景SPOT-5影像的融合效果。该研究结果可为冬小麦生长监测提供技术支撑。     

基于能量平衡的华北平原农田蒸散量的估算

通过测定冬小麦主要生育期农田冠层能量平衡的各分量、少风晴天时冠层温度和气温日变化及每周叶面积指数,分析了农田冠层能量平衡日变化规律、各分量季节变化特征,并以波文比系统实测蒸散值为相对标准,基于遥感冠层表面温度和能量平衡原理,采用Brown-Rosenberg公式对农田蒸散进行了估算和验证。结果表明：考虑夜间能量平衡各分量变化时,土壤热通量只占净辐射的3%左右,且夜间潜热交换值均很小,都在零左右波动;采用Brown-Rosenberg公式引入遥感冠层温度后估算的蒸散量较波文比系统实测值稍大,但忽略土壤热通量和考虑土壤热通量相比,二者相对平均偏差分别为16%和10%左右,差别不大,说明拔节-灌浆期（LAI≥3）估算蒸散时可近似忽略土壤热通量和夜间农田蒸散量,利用Brown-Rosenberg公式估算区域蒸散可行,该方法适用于华北平原农田蒸散计算。研究结果为将Brown-Rosenberg公式引入作物模型、基于热红外遥感冠层表面温度计算区域蒸散和水分胁迫系数进行区域估产提供了地面试验依据。     

基于LAI时间序列重构数据的冬小麦物候监测

农作物物候信息对农作物长势监测和估产具有重要意义。该文以河北省中南部冬小麦为研究对象,以叶面积指数(LAI,leaf area index)为同化量,采用重采样粒子滤波算法同化WOFOST(world food studies)作物生长模型和遥感观测LAI,重构LAI时间序列数据,基于重构数据提取冬小麦返青期、抽穗期和成熟期等关键物候期。重构结果表明,重构的LAI具有良好的时间连续性和空间连续性,可减缓WOFOST作物模型LAI变化剧烈程度,峰值出现时间与遥感LAI曲线基本同步,且可一定程度上解决遥感观测LAI数值整体偏低和数据缺失的问题。物候期监测结果表明,在空间分布上与冬小麦实际生长状况基本相符,时间上也较为合理,但因在返青期存在LAI高初始值、成熟期存在LAI下限不确定性等问题致使在具体日期存在偏差。     

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。     

基于改进水云模型和Radarsat-2数据的农田土壤含水量估算

为了直接将雷达遥感中"水云模型"进行反演应用,该研究将"水云模型"中植被参数改为雷达植被指数,利用全极化数据直接支持遥感反演土壤含水量,无需遥感反演植被参数输入。改进模型为利用雷达遥感结合"水云模型"进行土壤含水量监测提供了一种高效便捷方法。基于Radarsat-2全极化数据对冬小麦覆盖的农田土壤含水量进行估算,利用2014年在陕西杨凌区获取的4个生育期内Radarsat-2卫星数据及同步田间测量108组冬小麦农田土壤含水量地面测量数据进行模型参数校正和精度验证。验证结果精度为:改进的雷达植被指数模型原叶面积指数模型(实测叶面积指数验证)原叶面积指数模型(光学遥感反演叶面积指数验证),且改进的雷达植被指数模型可以在多个生育期内对农田土壤含水量进行监测。     

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。     

卫星遥感和积温-辐射模型预测区域冬小麦成熟期

准确预测区域尺度的小麦成熟期,指挥麦收机械化作业有序开展,具有十分重要的社会和经济效益。该文针对目前区域冬小麦成熟期预测中时效性差、缺乏空间分布以及缺少定量描述等突出问题,选择华北地区河北、河南和山东3省冬小麦为研究对象,首先基于S-G滤波后的2013年冬小麦生育期时间序列MODIS LAI,采用动态阈值法获取抽穗期具体日期,即叶面积指数(LAI)达到峰值时的具体日期;然后基于由2008-2012年农业气象资料与地面气象资料构建的抽穗-成熟期有效积温模型和总辐射模型,逐个栅格单元计算MODIS LAI获取的抽穗期具体日期到当前日期的积温、太阳辐射总量,并结合全球多模式集合预报(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble,TIGGE)资料对当前日期(5月10号至6月8号)之后的16 d冬小麦成熟期进行逐日动态预测以得到全部区域的成熟期预测值;最后采用农业气象站点的成熟期观测值对预测结果进行验证,结果表明:冬小麦成熟期预测值与观测值的决定系数R2为0.92,均方根误差RMSE约为3 d,两者具有良好的相关性。该研究方法对其他大区域的农作物成熟期预测具有借鉴价值。     

基于遥感和地面试验的水分指数与土壤湿度及生理指标关系

为研究作物生长发育早期受干旱影响的作物水分光谱特征,对冬小麦返青期进行水分控制试验。利用野外光谱辐射仪在河北固城试验区测量冬小麦的光谱并分别计算归一化水分指数（NDWI）和简单比值水分指数（SRWI）,同时测定冬小麦的叶绿素浓度（Chl）、叶面积指数（LAI）、株高（H）和叶片相对含水率（LRWC）等冠层生理指标和土壤湿度（SM）。分析结果表明：冬小麦生理指标与土壤湿度之间有着显著的正相关,最大相关系数为0.657,表明土壤水分状况直接影响作物发育早期的光合和生长状况。NDWI/SRWI与SM相关系数均为 0.545,呈现弱的正相关;相反,水分指数与冬小麦生理指标之间的相关不明显,特别是,NDWI/SRWI与LRWC的相关系数仅为0.175。据此得出在作物低覆盖生长阶段,水分指数更多反映的是土壤水分状况而不是作物水分。     

Soil Evaporation and its Affecting Factors under Crop Canopy

Abstract

Based on field experiments, changing patterns and affecting factors of soil evaporation and energy balance under crop canopy were studied. Soil evaporation under crop canopy was measured directly using the microlysimetry technique. The main factors affecting soil evaporation under crop canopy including surface net radiation, leaf area index, soil water content, and crop growth period were analyzed to give scientific proof for the soil evaporation control. The results showed that no soil evaporation occurred under the crop canopy when net radiation was reduced to a threshold of 230.57 w/m². Under crop cover conditions, evaporation/evapotranspiration (E/ET) reduced with increases of crop leaf area index, followed by an exponential function to a leaf area index (LAI) threshold of 4. The cumulative evapotranspiration, transpiration, and evaporation under crop canopy conditions during the winter wheat growing season were 443.9 mm, 272.2 mm, and 171.7 mm, respectively, with E/ET having a relatively high value of 38.7%.