基于GIS的河南省烤烟移栽面积遥感监测及产量估算

烟叶的移栽面积和产量信息对于有效配置烟叶资源实现供求平衡非常重要,通过利用多时相的可见光数据对2012年河南省烟叶播种面积和长势进行了卫星遥感监测,同时对河南省各地市烟叶产量进行了估测。经过验证,估测面积与实测面积高度一致,估测精度达到90%。移栽面积估测误差主要来源于烟田种植面积细碎化和遥感影像分辨率较粗。面积估测误差势必会影响产量估测精度,此外由于缺少长时间数据积累不能准确估计叶面积指数和产量之间的数量关系,也会带来产量的估测误差。     

张家港市“3S”技术估测稻麦面积单产初探

在南京大学生命科技学院的技术支持下,我们在全市范围内开展了＂3S＂估测稻麦面积单产的技术研究。通过在农业局内建立3S工作台和数据库及遥感数据和农业数据集成系统,利用ERDAS8.7和ARCINFO9.0加工软件,开展对农作物面积监测和产量估测。通过3年对稻、麦面积和产量的动态监测,目前面积估测精度已达到98.04%,产量估测精度也达到了93.61%。     

利用3S技术定量估测张家港市2005—2008年小麦生产力

为了科学准确地、动态地大面积估测江苏省张家港市小麦的生产力,利用TM和IRS-P6遥感影像,采用NDVI值比较区分法,应用3S技术对张家港市2005—2008年小麦的生产力变化进行了动态估测。结果表明,遥感估测张家港市2005—2008年小麦平均种植面积的精度结果为97%以上;小麦平均产量精度结果为93.55%;利用3S技术进行张家港市小麦总产遥感估测值与地面统计值差异低于8%;遥感估测张家港市小麦总产量呈逐年上升的趋势,而耕作面积相对稳定。总之,基于近4年遥感数据所获取的张家港市小麦总产量的变化情况建立模型,可以估测出张家港市城市化发展对当地小麦供需平衡的影响不大。     

利用"3S"技术估测张家港市主要农作物生产力

为了科学、准确地估测和预报江苏省张家港市农作物的生产力,为政府进行农业科学决策提供及时、准确、动态的农作物生产力信息,利用2005-2008年获取的TM和IRS-P6遥感影像,应用"3S"技术对张家港市主要农作物的生产力变化进行了动态估测和预报.张家港市遥感估测农作物种植面积的精度结果为,小麦平均96.49%,水稻平均92.79%以上;估测农作物产量精度结果为,小麦平均92.46%,水稻平均94.98%以上;利用"3S"技术进行张家港市小麦和水稻总产遥感估测值与地面统计值差异低于10%;利用构建的4年遥感估产模型,进行张家港市主要农作物产量预报,预计全市2013年小麦产量突破12万t,2016年水稻产量突破17万t.     

基于MODIS多时相数据的冬小麦种植面积提取方法研究

以河南省作为研究区域,采用冬小麦返青及拔节期间的高光谱数据MODIS-NDVI 16 d合成数据集,利用遥感手段对河南省冬小麦面积进行估测。利用剔除非耕地后的数据,使用最小噪声分离(MNF)的方法进行数据压缩处理,并基于连续最大角突锥模型的线性混合像元分解法进行估测计算。估测结果与当年河南省实际统计数据相比,在特殊气候影响下,其相对误差也仅在0～7%,说明这种方法提取效果较好,在农作物面积估测中具有较强的应用价值。     

河南省冬小麦产量遥感监测精度比较研究

【目的】预测冬小麦产量,提高估产精度,为国家粮食生产安全宏观调控提供重要的数据和技术支撑。【方法】以河南省为研究区,利用时间序列MODIS-NDVI数据,结合河南省17个地市的产量数据以及河南省的冬小麦遥感监测面积数据,运用实时NDVI与产量数据建立线性模型、两年差值NDVI与对应的差值产量建立线性模型两种方法对河南省冬小麦产量进行预估,比较分析两种方法的精度。【结果】(1)两年差值归一化植被指数(dNDVI)明显比实时归一化植被指数(NDVI)更好地预估冬小麦产量。(2)实时NDVI预估单产产量相对误差基本可以满足要求,大部分在0.25以下,只有少数几个市(焦作、鹤壁、新乡、安阳)相对误差较高。(3)两年差值归一化植被指数(dNDVI)预估单产的整体误差均可以满足估产的要求,均在0.1以下。【结论】两年差值归一化植被指数(dNDVI)可以有效预测冬小麦产量,有利于提高估产精度。     

用PLS算法由HJ-1A/1B遥感影像估测区域冬小麦理论产量

【目的】作物遥感估产是遥感技术在农业生产中研究与应用的重点领域,能够向大田区域生产提供及时可靠的产量信息,准确地估测作物产量,对于确保国家粮食安全,制定社会发展规划,指导和调控宏观种植业结构调整,提高涉农企业与农民的经营管理水平具有重要意义,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。通过筛选冬小麦理论产量的敏感遥感变量,构建基于国产影像的理论产量遥感估测模型,实现区域冬小麦理论产量遥感估测,为及时了解不同生态区域冬小麦产量丰欠变化趋势提供参考。【方法】以2010年4月26日、2011年4月28日、2012年4月28日和2013年5月2日冬小麦开花期四景HJ-1A/1B影像为遥感数据,提取出13个遥感变量,以江苏省泰兴、姜堰、仪征、兴化、大丰5县作为试验采样区,于各实验区选取具有代表性的样点进行采样,并于室内进行测定,将335个实测的冬小麦理论产量样本按3﹕2比例分成建模集和验证集样本,依据估算残差平方和处于最小值确定模型所需主成分数,将决定系数、均方根误差和相对误差为模型评价参数,利用建模集样本分析了卫星遥感变量与冬小麦理论产量的定量关系,运用偏最小二乘回归算法构建及验证了以理论单产为目标的多变量遥感估产模型,将其算法模型估产效果与线性回归算法和主成分分析算法模型进行比较,并制作了冬小麦理论产量空间等级分布图。【结果】理论产量与所选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极显著的多重相关性;理论产量偏最小二乘回归模型的最佳主成分数为4,且结构加强色素植被指数、归一化植被指数、绿色归一化植被指数和植被衰减指数为理论产量遥感估测的敏感变量;经建模集和验证集评价,理论产量估测模型的决定系数分别为0.79和0.76,均方根误差分别为720.45和928.05 kg·hm^-2,相对误差分别为11.45%和13.92%,且估测精度比线性回归算法分别提高了25%以上和27%以上,比主成分分析算法分别提高了15%以上和16%以上,说明偏最小二乘回归算法模型估测区域理论产量的效果明显好于线性回归和主成分分析算法,且具有较强的应用能力。【结论】该模型应用结果与冬小麦理论产量实际区域分布情况相符合,为提高遥感对区域冬小麦理论产量的估测精度提供了一种有效途径,有利于大面积应用和推广。     

基于哑变量和因子选择的森林蓄积量估测研究

为提高森林蓄积量遥感估测精度,探讨哑变量技术在蓄积量遥感估测中的作用。以云南省普洱市思茅区为研究区,以Landsat 8 OLI和93块森林资源二类调查角规控制样地数据为基础,使用随机森林（random forest）算法进行遥感变量因子的选择,并以龄组为哑变量分别构建基于哑变量的SVR和PLSR蓄积量估测模型,采用留一交叉验证对结果进行评估。结果表明,使用随机森林算法进行变量的选择有效减少了自变量的维度,提高了计算效率;其次,哑变量引入后,PLSR和SVR 2种回归模型的估测精度都比无哑变量方法有明显的提高,且SVR的估测结果优于PLSR;在引入哑变量后SVR模型的决定系数R²由0.59提高到0.68,相对均方根误差rRMSE由36.76%降低至32.97%,PLSR模型的决定系数R²由0.53提高到0.62,相对均方根误差rRMSE由39.41%降低至35.24%。在森林蓄积量的遥感估测中,哑变量技术的应用可以在一定程度上解决不同蓄积量大小对估测结果造成的影响,进而提高蓄积量的估测精度。     

运用PLS算法由HJ-1A/1B遥感影像估测区域冬小麦理论产量

【目的】作物遥感估产是遥感技术在农业生产中研究与应用的重点领域,能够向大田区域生产提供及时可靠的产量信息,准确地估测作物产量,对于确保国家粮食安全,制定社会发展规划,指导和调控宏观种植业结构调整,提高涉农企业与农民的经营管理水平具有重要意义,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。通过筛选冬小麦理论产量的敏感遥感变量,构建基于国产影像的理论产量遥感估测模型,实现区域冬小麦理论产量遥感估测,为及时了解不同生态区域冬小麦产量丰欠变化趋势提供参考。【方法】以2010年4月26日、2011年4月28日、2012年4月28日和2013年5月2日冬小麦开花期四景HJ-1A/1B影像为遥感数据,提取出13个遥感变量,以江苏省泰兴、姜堰、仪征、兴化、大丰5县作为试验采样区,于各实验区选取具有代表性的样点进行采样,并于室内进行测定,将335个实测的冬小麦理论产量样本按3﹕2比例分成建模集和验证集样本,依据估算残差平方和处于最小值确定模型所需主成分数,将决定系数、均方根误差和相对误差为模型评价参数,利用建模集样本分析了卫星遥感变量与冬小麦理论产量的定量关系,运用偏最小二乘回归算法构建及验证了以理论单产为目标的多变量遥感估产模型,将其算法模型估产效果与线性回归算法和主成分分析算法模型进行比较,并制作了冬小麦理论产量空间等级分布图。【结果】理论产量与所选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极显著的多重相关性;理论产量偏最小二乘回归模型的最佳主成分数为4,且结构加强色素植被指数、归一化植被指数、绿色归一化植被指数和植被衰减指数为理论产量遥感估测的敏感变量;经建模集和验证集评价,理论产量估测模型的决定系数分别为0.79和0.76,均方根误差分别为720.45和928.05kg·hm-2,相对误差分别为11.45%和13.92%,且估测精度比线性回归算法分别提高了25%以上和27%以上,比主成分分析算法分别提高了15%以上和16%以上,说明偏最小二乘回归算法模型估测区域理论产量的效果明显好于线性回归和主成分分析算法,且具有较强的应用能力。【结论】该模型应用结果与冬小麦理论产量实际区域分布情况相符合,为提高遥感对区域冬小麦理论产量的估测精度提供了一种有效途径,有利于大面积应用和推广。     

基于多时相GF-1WFV 数据的南方丘陵地区甘蔗种植面积提取

南方丘陵地区甘蔗种植具有分散、形状多样等特点,利用中低分辨率遥感数据提取甘蔗种植面积时,数据的有效性和精度都难以满足要求。利用高分辨率GF-1WFV 遥感数据,分析比较甘蔗与其他地物类的光谱特征、纹理特征及植被指数时间变化差异,采用多时相迭代方法构建甘蔗提取特征向量决策树模型。利用该模型提取了广西江州区的甘蔗种植面积,经野外实地调查验证,甘蔗面积提取的用户精度为90.13%,生产精度为88.78%,表明GF-1WFV 数据是复杂地形下提取甘蔗等农作物的潜力数据源,该提取思路可以为在全国范围内不同地区了解甘蔗种植情况,进行甘蔗长势监测和产量估测提供技术参考。     

基于开花期卫星遥感数据的大田小麦估产方法比较

【目的】卫星遥感具有覆盖范围广、获取速度快、信息量大、动态性强等优势,能够及时准确地获取作物产量信息,反映作物产量空间变化趋势。遥感技术作物估产已成为现代农业生产中研究热点。通过改善遥感估产建模方法,以实现进一步提高大田作物遥感估产精度,为宏观了解不同区域作物产量形成情况及变化趋势提供直观、可靠的参考。【方法】论文结合2011—2012年江苏省大丰、兴化、姜堰、泰兴、仪征5个县区的定点观测试验,以国产卫星产品HJ-1A/1B影像为遥感数据,于小麦开花期开展大田定位观测区卫星遥感植被指数、关键生长指标与收获期单产间的定量分析。通过对产量与小麦生长指标以及植被指数进行定量关系分析,进一步增强遥感反演的机理性和重演性。将卫星遥感变量与小麦产量进行相关关系分析作为遥感估产的直接建模方法,间接建模方法则是选取与产量相关性较好的遥感变量以及与遥感变量相关性较好的主要苗情指标,利用筛选得到的敏感遥感变量,首先监测对应的小麦生长指标,结合该小麦生长指标与产量间的定量关系,进而建立间接估产模型,利用此模型进行小麦遥感间接估产。利用直接和间接建模方法,以相关性最高为原则,筛选估算产量的敏感卫星遥感变量。以2012年试验数据为建模样本,采用线性回归分析方法,分析小麦开花期苗情指标、产量与卫星遥感变量两两之间的相关性,分别构建以遥感植被指数为基础的大田小麦估产模型,与地面实测结果一起建立模型共同分析。以2011年试验数据为验证样本,选取评价指标拟合度(R2)和均方根误差(RMSE),对两类模型的估算精度进行验证和比较,以提高遥感反演的定量化水平和可信度。【结果】分别以差值植被指数(difference vegetation index,DVI)和比值植被指数(ratio vegetation index,RVI)为基础的单因子直接估产模型的均方根误差(root mean square error,RMSE)为918 kg·hm-2和1 399.5 kg·hm-2,以DVI和RVI遥感变量构建双变量估产模型的RMSE为1 036.5 kg·hm-2,以归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和叶片氮积累量为基础构建的间接估产模型的RMSE为805.5 kg·hm-2,说明开花期HJ-1A/1B影像估算小麦区域产量是可行的,且精度较高;经比较,以NDVI和叶片氮积累量为基础的间接估产模型精度明显高于直接估产模型,相较于DVI直接估产模型RMSE降低了112.5 kg·hm-2,相较于RVI直接估产模型RMSE降低了594 kg·hm-2,相较于双因子模型RMSE降低了231 kg·hm-2。【结论】国产卫星HJ-1A/B可以较好满足估测小麦产量要求,且利用间接方法建立作物遥感估产模型要好于直接方法,研究结果为利用遥感技术更为准确估算大田小麦产量提供了一种新的途径。     

GIS支持下的河南省烟草生态适宜性综合评价

 【目的】根据河南省烟草生产的实际情况,利用GIS技术及层次分析法和模糊数学原理,对河南省各烟草种植区进行烤烟生态适宜性综合评价。【方法】用特尔菲法进行各生态因子评价指标的选择,从气候、土壤、地形条件3个方面确定了17个评价指标,建立了河南省烟草生态适宜性评价指标体系;根据各生态因子对烤烟生长与品质效应建立各隶属度函数,并将层次分析法运用于各指标权重的定量计算。采用地理信息系统软件MAPGIS绘制河南省烟草种植区烤烟生态适宜性综合评价状况图。【结果】河南省西部和南部大部分地区为烤烟生产最适宜区,占研究区总面积的22.52%;南部、中部的部分地区为适宜区,占研究区总面积的34.99%;北部和东部的大部分地区为次适宜区,这部分面积占研究区总面积的35.54%。【结论】层次分析法和多因素模糊综合评价方法与GIS技术有效的整合,可以快速准确地对河南省烤烟的生态适宜性进行科学的综合评价。河南省大部分地区的烤烟生态适宜性都在中等程度以上,计算出的适宜性分布区域与实际生产水平完全吻合。     

GEE支持下的河南省冬小麦面积提取及长势监测

【目的】使用遥感技术对2017—2020年河南省冬小麦的空间分布信息进行高精度的提取,然后对2020年冬小麦的长势进行高频度的监测并结合气象条件进行分析。【方法】本文基于谷歌地球引擎（Google Earth Engine,GEE）云平台,对选取的Landsat 8影像数据根据NDVI最大值进行合成,然后进行特征构建,添加地形特征、纹理特征、NDVI以及一个新特征NDVI增幅,使用随机森林分类方法对样本数据按照构建的特征进行训练提取河南省2017—2020年冬小麦的播种面积信息;经过精度验证后对提取的河南省2020年的冬小麦种植区域生成掩膜,对掩膜区域（冬小麦种植区域）结合MODIS高时间分辨率影像数据,使用NDVI同期差值法对2020年2—4月份的冬小麦进行高频度的长势监测。【结果】使用GEE云平台能够对河南省冬小麦种植区域的空间分布信息进行快速制图;使用随机森林方法加入地形特征、纹理特征、NDVI后再加入新特征NDVI增幅,能够有效提高冬小麦的提取精度以及降低与统计数据的相对误差,基于混淆矩阵计算的平均总体分类精度为95.2%、平均kappa系数为0.909、冬小麦的平均分类精度为95.3%,与河南省统计年鉴数据相比,本文方法提取的2017—2019年河南省冬小麦播种面积相对误差均低于3%,河南省冬小麦主要种植区域的冬小麦播种面积的平均相对误差低于6%;使用MODIS影像数据结合NDVI差值模型能够对河南省2020年的冬小麦进行高频度的长势监测,河南省冬小麦在返青初期长势较往年及2019年好,到生育后期大部分区域长势与往年及2019年持平,总体上2020年冬小麦的长势较往年及2019年好。【结论】本文提出的方法能够对河南省冬小麦进行高精度的提取以及高频度的长势监测,且能够为地方政府或者一些农业部门在安排指导农事活动上提供科学依据。     

基于多生育期MODIS-NDVI的区域冬小麦遥感估产研究

以河南省开封市为研究区,采用2005—2013年种植区域冬小麦生育期内16 d合成的250 m空间分辨率的归一化植被指数(NDVI)之和,与冬小麦产量数据进行相关分析,筛选得到最佳遥感估产时相,建立单变量回归模型;同时,基于冬小麦生长的各个关键时期NDVI构建多元回归模型,再通过主成分分析方法对多元回归模型参数进行改进,得到新的估产模型;最后使用开封市2014年的产量数据对估产模型进行验证,旨在构建具有较高精度的估产模型,从而更好地指导小麦生产。结果显示,3种估产模型的估产误差均控制在10.55%内,根据3个模型得到研究区内冬小麦最佳产量预测时段为3月下旬,即拔节期;3个模型中,主成分回归估产模型的产量拟合精度最高,达93.12%,具有一定的实用价值。     

一种基于趋势单产和遥感修正模型的混合估产模型

【目的】在分析国内外农作物估产方法的相关研究进展基础上,将传统统计估产方法和遥感估产方法相结合,提出一种新的混合估产模型。【方法】该模型由趋势单产、遥感修正单产和随机误差项三部分组成,其中趋势单产利用历史长时间序列的单产统计数据,通过多项式回归的方法结合ARIMA模型修正得到,遥感修正单产利用3个作物关键生育期NDVI和实测单产多元回归得到。为验证所提出估产方法的可行性和精度,利用2015年冬小麦关键生育期的三景环境卫星遥感影像和冬小麦实测地块单产数据以及近30年(1985—2014年)北京市各区县的冬小麦单产数据,对2015年的北京市的冬小麦单产进行估算,与真实值(2015年单产统计数据)对比。【结果】混合估产模型对北京市的冬小麦单产预测精度达到98.7%,各区县估产精度均超过90%,除房山(90.3%)外,各县单产预测相对精度均超过95%;传统趋势单产模型对北京市的冬小麦单产预测精度达到94.75%,但在区县尺度上,传统估产模型预测精度较低,对房山区的估产精度不足80%;引入ARIMA模型可以提高传统趋势单产模型的精度。修正后的趋势单产模型冬小麦单产预测精度平均提高了1.59%。本文建立的遥感修正模型,利用三景遥感影像修正结果最优,此方法使冬小麦估产精度整体提升3.55%,尤其是房山、平谷等区县,精度明显提升。【结论】该模型在市级尺度和县级尺度上预测冬小麦单产均取得较高精度,充分考虑冬小麦时间尺度和空间尺度上的变化,对农作物估产有一定的指导意义。     

Remotely sensed estimation and mapping of soil moisture by eliminating the effect of vegetation cover

Soil moisture (SM), which plays a crucial role in studies of the climate, ecology, agriculture and the environment, can be estimated and mapped by remote sensing technology over a wide region. However, remotely sensed SM is constrained by its estimation accuracy, which mainly stems from the influence of vegetation cover on soil spectra information in mixed pixels. To overcome the low-accuracy defects of existing surface albedo method for estimating SM, in this paper, Qinghai Lake Basin, an important animal husbandry production area in Qinghai Province, China, was chosen as an empirical research area. Using the surface albedo computed from moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) reflectance products and the actual measured SM data, an albedo/vegetation coverage trapezoid feature space was constructed. Bare soil albedo was extracted from the surface albedo mainly containing information of soil, vegetation, and both albedo models for estimating SM were constructed separately. The accuracy of the bare soil albedo model (root mean square error=4.20, mean absolute percent error=22.75%, and theil inequality coefficient=0.67) was higher than that of the existing surface albedo model (root mean square error=4.66, mean absolute percent error=25.46% and theil inequality coefficient=0.74). This result indicated that the bare soil albedo greatly improved the accuracy of SM estimation and mapping. As this method eliminated the effect of vegetation cover and restored the inherent soil spectra, it not only quantitatively estimates and maps SM at regional scales with high accuracy, but also provides a new way of improving the accuracy of soil organic matter estimation and mapping.     

实现河南烟叶生产可持续发展的主要途径

结合河南省实际,从烟叶资源配置、技术研发和推广、生态环境保护、生产组织方式、保障机制及优质烟叶基地建设等方面系统阐述了实现河南烟叶生产可持续发展的主要途径。     

许昌烟区浓香型烤烟新品种筛选研究

[目的]为筛选出适宜许昌烟区种植的浓香型烤烟新品种。[方法]以NC89为对照,对6个烤烟品种CF213、中烟202、秦烟97、豫烟9号、辽烟17、龙江935的生物学性状、外观质量和经济性状进行比较分析,并对农艺性状与经济性状的关系进行多元分析。[结果]豫烟9号和龙江935的田间长势强,产量、产值高,抗病性强,外观质量好,可以在许昌烟区进一步示范验证;CF213和中烟202的田间抗病性差,尤其抗病毒病能力比对照差,CF213的产量和产值均比对照低;秦烟97与辽烟17的经济性状差,辽烟17抗病性差(感黑胫病)。产量与株高、叶数和径围之间呈极显著中度正相关;株高和径围对产量及产值的影响主要为直接作用,叶数对产量和产值的影响主要为间接作用。[结论]该研究可为许昌烟区烤烟品种的更新换代及生产推广提供科学依据。