基于高光谱遥感的农作物分类研究进展

【目的】农作物类型识别是农作物面积、长势监测与产量预测的重要前提。及时、准确地获取农作物类型、空间分布以及种植面积对制定农业政策、促进社会经济发展和保障国家粮食安全具有重要意义。近年来,高光谱遥感凭借光谱分辨率高、光谱信息丰富等优点,已广泛应用于农作物制图中。【方法】文章归纳了高光谱遥感应用于农作物分类的研究进展,总结了国内外农作物分类常用的高光谱数据源,并分析了各种数据源的适用范围。梳理了农作物高光谱遥感分类方法,讨论了各种分类方法的优缺点。【结果】现有农作物高光谱遥感分类研究存在一些不足:(1)机载高光谱影像光谱分辨率高,但影像监测面积小,不适合大区域农作物面积提取研究;(2)星载高光谱影像监测面积较大,但空间分辨率较低,某些农作物面积提取实际应用中精度较低;(3)由于缺乏对农作物高光谱特征的研究,导致分类算法机理性不足,普适性较差。【结论】农作物高光谱遥感分类未来研究方向是:(1)丰富高光谱遥感监测的农作物类型;(2)提高高光谱影像的空间分辨率,实现农作物种植结构复杂、地块破碎地区的农作物分类研究;(3)进一步研究利用高光谱遥感进行农作物分类的机理和多源数据融合的方法。     

基于高光谱成像技术的苹果表面轻微损伤检测

为了研究检测苹果表面轻微损伤的有效的方法,以红富士苹果为试验样本,通过高光谱成像采集系统采集苹果样本的高光谱图像,根据正常苹果表面区域和刚损伤、损伤后(3,10,24h)的损伤区域光谱反射率平均曲线得到有效光谱区域;用掩膜法对图像进行背景分割,并基于有效光谱区域做主成分分析,选取第四主成分(PC4)提取损伤区域,运用阈值分割的方法建立提取损伤区域的算法模型;应用该算法模型对正常苹果和损伤苹果进行检测。检测结果表明:正常苹果样本正确检测率达到100%,损伤苹果样本的正确检测率为97.5%,总体检测精确度高达98.75%,说明利用高光谱成像技术可以有效快速检测出苹果表面的轻微损伤。     

农作物种植结构遥感提取研究进展

农作物种植结构信息对农业生产管理、农业可持续发展及国家粮食安全等具有重要意义。本文中概括了农作物种植结构遥感提取的理论基础,归类了近10年间不同农作物种植结构遥感提取技术方法,重点评述了不同技术方法的特点及应用情况,讨论和展望了未来农作物种植结构遥感提取研究的发展方向。当前,光谱特征、时相特征和空间特征是农作物种植结构遥感提取的三大理论基础。基于单一影像源的种植结构提取方法操作简单,但往往难以获取种植结构“最佳识别期”的遥感影像;基于多时序影像源的种植结构提取方法可以充分利用农作物季相节律特征,成为当前农作物种植结构遥感提取的主流方法。在基于多时序影像源的种植结构提取方法中,多特征参量法较单一特征参量法更适用于农作物种植结构复杂区域,基于多特征参量的统计模型法一定程度上解决了混合像元问题,但模型的鲁棒性有待提高。此外,遥感与统计数据融合的农作物种植结构提取法在国家及全球大尺度的农作物种植结构提取中具有优势,但较低的制图分辨率使得数据产品的区域适宜性较差。未来农作物种植结构遥感提取将以区域“作物一张图”为目标,充分发挥多源数据组合利用的优势,围绕多类型作物同步提取和大范围作物种植结构提取开展深入研究,重点加强遥感数据预处理、特征参量提取和分类器高效选择等关键技术研究,从而提升农作物种植结构遥感提取的时空尺度,满足多方位的农业应用需求。     

遥感在作物分类中的应用

在提取作物种植分类信息方面,多时相和多光谱特征信息综合应用十分重要。环境与灾害监测预报小卫星影像具有较高的时间、空间分辨率,采用时间序列分析的方法提取作物种植分类信息优势显著。本研究以宁夏平罗地区作物为研究对象,利用HJ-CCD数据提取主要农作物分类信息,采用非监督分类、最大似然分类、决策树分类3种算法挖掘数据。研究表明,通过构建的时间序列HJ卫星遥感影像,结合作物的光谱和典型植被指数时序变化特征,能够有效进行农作物分类。     

基于Sentinel 2A/B时序数据的黑龙港流域主要农作物分类

黑龙港流域是中国季节性休耕的试点区域,利用遥感技术及时、准确监测该区域的农作物种植结构,对于精准评价休耕政策的实施效果具有重要意义.本研究以黑龙港流域南部区域为研究对象,采用2019年1-12月的21景Sentinel 2A/B为数据源,构建3种植被指数的时序数据集,结合作物典型时相多光谱数据,采用随机森林法提取研究区内冬小麦、夏玉米、棉花、大蒜、蔬菜等农作物信息,并结合野外调查数据对分类结果进行验证,对比分析不同特征参数提取农作物信息的精度.结果表明,归一化差值红边指数(NDRE1)+典型时相多光谱数据(S20831)取得了最高的总体精度和Kappa系数,其值分别为87.27％和0.85.采用归一化差分植被指数(NDVI)+S20831,冬小麦-夏玉米、大蒜-夏玉米2种双峰型轮作农作物的用户精度最高,分别为94.92％和86.41％.采用S20831+NDRE1,蔬菜及棉花2种单峰型农作物的用户精度最高,分别为91.95％和91.67％.因此,在黑龙港流域农作物的精细分类研究中,结合Sentinel 2A/B植被指数时序数据与典型时相多光谱数据进行分类的精度较高,可用于该区域农作物种植结构监测及休耕政策执行效果评价.     

基于高光谱遥感技术的农作物病虫害应用研究现状

近年水,随着信息技术的迅猛发展,高光谱遥感作为一种快速监测手段已经被广泛应用于农业病虫害监测中,高光谱遥感在农业中主要的应用领域之一.通过分析近5年来高光谱技术在农作物病虫害研究情况,阐述了应用高光谱遥感技术进行农作物病虫害监测的原理,主要从原始光谱的导数变换及对数变换、光谱位置和面积的特征参数提取、光谱吸收特征参数提取、基于连续同去除的特征参数提取4种方法回顾了国内外应用高光谱进行农作物病虫害监测的研究进展,在此基础上,总结了高光谱遥感技术应用于农作物病虫害监测亟待解决的问题及相应的解决途径.     

基于时谱的秦岭中段农作物提取研究

以秦岭中段为研究区域,采用MODIS影像数据,利用时谱分析方法进行山区农作物提取研究。结果表明,利用时谱分析方法可以快速提取山区农作物,精度为87.9﹪。     

基于多时相Sentinel-2遥感影像的江汉平原夏收作物提取方法

以江汉平原潜江市为研究区,选取2017年9月至2018年7月期间12幅Sentinel-2多光谱(MSI)影像,通过分析研究区夏收作物不同生长期的光谱特征和归一化植被指数的时序变化,利用决策树算法提取2017—2018年夏收作物种植面积;将提取结果与最佳时相的多光谱数据面向对象、随机森林算法的提取结果进行对比试验,利用实测数据计算混淆矩阵评价分类精度.结果表明,基于Sentinel-2时序NDVI的面向对象决策树方法的提取精度最高,总体精度为96.47%,Kappa系数为0.951 8.基于Sentinel-2的面向对象决策树分类能够准确而有效地提取研究区农作物种植面积,并直观地反映作物的空间分布格局,为江汉平原地区调整作物种植结构提供依据,也为其他区域精细尺度作物的提取提供参考和借鉴.     

基于Landsat图像的南京城市绿地时空动态分析

以南京市主城区为例,以10期(1986至2011年)TM/ETM+遥感数据为信息源,遵从V-I-S(Vegeta-tion-Imperviousness-Soil)模型,采用性光谱混合模型提取植被覆盖度,并利用高空间分辨率Quickbird和IKONOS影像对提取结果进行精度验证,在此基础上对研究区植被覆盖时空动态模式特征进行评价。结果表明:利用线性混合像元分解技术,对中等分辨率的TM/ETM+遥感影像进行城市绿地的丰度信息提取是有效且可靠的。从时间角度看,南京主城区植被覆盖度逐年递减,其中主要变化表现为高植被覆盖区域向低植被覆盖度区域转化;空间上,低植被覆盖区域由中心城区向四周不断扩大,而城郊结合部由于快速城市化致使植被覆盖区逐渐被非植被区取代。在南京,影响植被覆盖度变化的因素主要有快速城市化进程、变动的绿化政策与措施以及其它自然因素。     

基于高光谱成像的苹果损伤检测方法研究

【目的】研究苹果损伤高光谱特征,建立基于高光谱成像的苹果损伤区域最佳分类模型,为实时、快速、准确地识别苹果损伤提供重要依据。【方法】以北京平谷区收集的苹果样品为研究对象,利用高光谱图像技术检测水果表面机械损伤。利用 390 ~1 000 nm 范围的高光谱图像（HSI）数据,通过比值光谱分析损伤与正常感兴趣区域（ROI）的光谱响应特性,筛选特征波段,并构建较好地突出损伤区域特征的 3 种类型光谱指数：归一化光谱指数（NDSI）、比值光谱指数（RSI）和差值光谱指数（DSI）。在此基础上,优选提取损伤区域能力较强的光谱指数,利用迭代自组织数据分析（ISODATA）无监督据聚类算法提取苹果损伤区域。【结果】当苹果表面受到损伤时,光谱反射率变化显著。波段优化后发现,528、676 nm 的反射率可以有效识别异常区域。基于选定的特征波段,构建苹果损伤检测的识别光谱指数,包括 NDSI、RSI 和 DSI。光谱指数图像的像素值分析发现,损伤区域特征与正常区域特征在各光谱指数（SI）增强图像中区分明显。两类图像特征的 NDSI 像素平均值相差最大、达到 0.629,表明建立的 NDSI 对损伤区域及正常区域特征具有较强的区分能力。利用无监督分类方法 ISODATA 分类,验证了光谱特征指数在检测苹果损伤方面具有较高的特异性,对苹果损伤的检测正确率 达到 92.50%。【结论】研究结果适用于苹果损伤的实时快速检测,为苹果的精准管理生产提供技术基础与参考。     

耕地格局时空动态变化过程和差异分析——以浙江安吉为例

【目的】耕地是“人类-环境”关系的纽带和桥梁,也是农业土地系统最为重要的组成部分,掌握耕地格局时空动态变化过程和差异,有利于促进耕地合理利用的调整优化,实现耕地资源的可持续性和集约化利用。【方法】基于遥感和地理信息技术,综合采用土地利用动态度模型、土地利用扩展程度综合指数、土地利用转移矩阵等地理计量模型,研究分析1998-2009年浙江安吉耕地格局动态变化的过程与差异。【结果】该区域耕地动态变化过程复杂,水田与旱地是该区域发生转出的主要地类,从转移类型来看,多转移为林地、城镇用地与园地;从转移过程来看,2003-2009年较1998-2003年更加缓和平稳,基本没有发生较为剧烈的变动;2003-2009年,转入为耕地的地类极为单一,转移面积有限,各地类在数量和空间分布上较1998-2003年期间都趋于更加稳定;2003-2009年的耕地变化活跃度要低于1998-2003年,表明2003年以后区域耕地在利用程度与广度方面更加缓和平稳。【结论】区域产业结构和用地政策调整直接影响着耕地格局动态变化的过程和特点,本研究提出的分析方法能快速、客观反映区域耕地的动态变化过程和差异特征,为耕地时空演变研究提供了一种新思路。     

美洲耕地利用格局及其时空变化特征

【目的】耕地时空格局变化特征分析是地表覆盖研究的热点问题之一。美洲作为全球重要的粮食生产区,其耕地数量和分布具有全球性战略地位,科学分析美洲耕地时空格局变化特征、过程和规律为耕地可持续发展提供科学参考。【方法】基于GlobeLand30数据集,运用数理统计和GIS空间分析等方法,系统分析了2000-2010年美洲耕地面积数量变化、空间分布及类型转化特征,并重点分析了亚马逊地区耕地格局变化状况。【结果】2010年美洲耕地总面积为52 875.05×10⁴ hm²;2000-2010年的10年间,美洲耕地总面积总体增加,面积增加约2 128.14×10⁴ hm²,增幅约4.19%。耕地面积增加最大国家为巴西,幅度达到9.51%,位居美洲国家之首,其次为阿根廷;减少最大国家为厄瓜多尔,面积减少101.14×10⁴ hm²。10年间美洲耕地复种指数增加2.42%,变化最为显著国家为巴拉圭、波多黎各。从耕地变化类型看,美洲新增耕地主要来源于林地、草地,而耕地减少主要是由于人造地表的侵占。美国耕地总量最多,但10年间耕地增长率较低,仅为0.08%,绝大部分损失的耕地转为人造地表,由于收获面积的减少导致复种指数减少了0.89%;巴西耕地总量仅次于美国,耕地大幅度增加主要来源于林地和草地,同时复种指数有较大程度提高。亚马逊地区作为美洲重要的生态和农业区域,10年间耕地增长8.41%,耕地增长伴随着森林、草地被大量破坏,尤其在巴西西南和厄瓜多尔表现最为剧烈。【结论】2000-2010年美洲耕地整体上呈现增加态势,国家间耕地利用格局变化差异明显;耕地主要来源于林地、草地和灌木,增长集中在巴西和阿根廷,耕地主要转出为人造地表,集中在美国。作为美洲重要的粮食生产区,亚马逊地区耕地面积和耕地复种指数都提高,两者同步增加一定程度上提高区域或全球粮食产量,但其带来的生态环境效益需要深入关注。     

吉首市耕地地力现状与利用对策分析

耕地地力的高低直接影响到农业的可持续发展和粮食安全。基于测土配方施肥调查结果,分析吉首市耕地地力现状,探讨其可持续发展策略。结果表明,全市高产耕地面积仅26%,74%的耕地为中、低产土壤,尤其是在旱地土中,中低产土壤占的比例较大。吉首市耕地以三级地分布面积最大,为2189.7 hm2,占耕地总面积的19.8%。园地只在三至七级地中分布,其中以六、七级地分布面积较大,分别为2221.5 hm2和3062.1 hm2,占园地总面积的26.5%和36.6%。耕地和园地中低产田以瘠薄培肥型和障碍层次型中低产田面积较大,分别为6165.1 hm2与6418.2 hm2,分别占障碍型土壤面积的36.3%和37.8%。旱地土耕作层浅化问题较严重,耕地土壤养分失调、缺素较普遍,也是当前吉首市土壤存在的主要问题。提出了针对性地消除土壤障碍因子,加速吉首市种植业结构战略性调整,实现粮食和经济作物同耕地地力的合理配置,有利于促进农业产业结构与资源、环境容量相互协调和农村经济可持续稳定发展。     

基于耕地压力指数的云南粮食产能安全动态分析

运用灰色系统模型,在分析1 949-2008年云南省人口、耕地和粮食产量动态变化的基础上,分别按温饱型、小康型和富裕型粮食消费水平对最小人均耕地面积和耕地压力指数进行分析和预测,从而对未来云南粮食产能安全态势进行评估。研究表明:2000年以来,最小人均耕地面积呈波动变化,但总体有下降趋势;耕地压力指数K也呈波动变化,变幅在1.03-1.1 1之间。根据预测结果,在未来25年内,无论按何类粮食消费水平计算,最小人均耕地面积和耕地压力指数都呈下降趋势,耕地所提供的粮食能满足全省居民温饱型和小康型的粮食消费水平,但要达到富裕型粮食消费的压力较大。     

Assessment of the cropland classifications in four global land cover datasets:A case study of Shaanxi Province,China

Accurate and reliable cropland surface information is of vital importance for agricultural planning and food security monitoring. As several global land cover datasets have been independently released,an inter-comparison of these data products on the classification of cropland is highly needed. This paper presents an assessment of cropland classifications in four global land cover datasets,i.e.,moderate resolution imaging spectrometer(MODIS) land cover product,global land cover map of 2009(Glob Cover2009),finer resolution observation and monitoring of global cropland(FROM-GC) and 30-m global land cover dataset(Globe Land30). The temporal coverage of these four datasets are circa 2010. One of the typical agricultural regions of China,Shaanxi Province,was selected as the study area. The assessment proceeded from three aspects: accuracy,spatial agreement and absolute area. In accuracy assessment,506 validation samples,which consist of 168 cropland samples and 338 non-cropland ones,were automatically and systematically selected,and manually interpreted by referencing high-resolution images dated from 2009 to 2011 on Google Earth. The results show that the overall accuracy(OA) of four datasets ranges from 61.26 to 80.63%. Globe Land30 dataset,with the highest accuracy,is the most accurate dataset for cropland classification. The cropland spatial agreement(mainly located in the plain ecotope of Shaanxi) and the non-cropland spatial agreement(sparsely distributed in the south and middle of Shaanxi) of the four datasets only makes up 33.96% of the whole province. FROM-GC and Globe Land30,obtaining the highest spatial agreement index of 62.40%,have the highest degree of spatial consistency. In terms of the absolute area,MODIS underestimates the cropland area,while Glob Cover2009 significantly overestimates it. These findings are of value in revealing to which extent and on which aspect that these global land cover datasets may agree with each other at small scale on each ecotope region. The approaches taken in this study could be used to derive a fused cropland classification dataset.     

邢台市耕地变化及耕地资源的合理配置

采用比较分析法分析了邢台市耕地流转的时空特点,计算出耕地保护的阀值,提出了相应的耕地资源调控措施.结果表明,近年来,虽然邢台市耕地数量持续减少,人口不断增加,人均食物消费水平不断提高,但对耕地资源的压力却没有随之恶化,反而呈现降低的趋势,原因在于耕地生产率在不断提高.依靠增加投入和科技进步,不断提高耕地生产率,是保证粮食安全的耕地资源基础和满足工业化、城市化对土地需求的根本途径.政府对耕地资源利用与调控和管理的目标应当是努力加大投入,提高耕地生产率,在保障粮食生产安全的前提条件下,合理、适度地转移耕地用途,最大限度地发挥耕地资源的效用,而不仅仅局限于严格控制耕地的转用.     

中国农田管理土壤碳汇估算

 【目的】长期大规模翻耕和秸秆燃烧造成土壤有机质（SOM）大量损失,使农田成为温室气体的一个排放源。然而,近年来,随着免耕技术的逐步推广、秸秆还田面积的增加,加上施肥、灌溉等农田管理措施的应用,农田土壤有机碳（SOC）储量有所回升,预计其将成为温室气体的吸收汇。本文通过分析各种农田管理措施下土壤有机碳（SOC）的变化量,估算中国农田管理土壤碳汇量,为制定中国农田温室气体清单提供科学参考。【方法】通过查阅相关文献著作等,构建农田管理情景,分析各管理措施长期定位试验土壤有机碳变化量的数据。根据中国农作制的分区,估算各区域及水田、旱地农田管理下的碳汇量,并与政府间气候变化专门委员会（IPCC）制定的2006IPCC国家温室气体排放清单指南中农田仍为农田的层次（Tier）2方法的估算结果进行比较。最后用Meta分析法估算中国农田管理土壤碳汇量。【结果】不同农田管理措施对土壤碳的影响不同。各种措施表现为化肥与有机肥配施的增碳作用最大,达到0.889 tC•ha-1•a-1;其次为秸秆还田、施有机肥和免耕,分别为0.597、0.545、0.514 tC•ha-1•a-1;施化肥的作用最不明显,仅为0.129 tC•ha-1•a-1。这一结果明显高于IPCC Tier2方法估算的结果。研究还揭示,不同管理措施在不同区域对土壤有机碳变化的影响存在一定的差异,黄淮海区、长江上中游区和西南区增加量较大,东北区增加量较小,在施化肥条件下东北黑土SOC甚至有降低的趋势。土壤有机碳的年增长率和初始值之间呈很好的负相关,由此可得出不同管理措施下农田土壤有机碳的平衡值及固碳潜力。【结论】农田管理措施中,配施、秸秆还田、施有机肥和免耕可以在很大程度上提高土壤SOC含量。其中,配施和秸秆还田的固碳潜力较大。     

论甘肃省实施退耕还草工程的生态理论基础

针对西部实施退耕还林还草工程中存在的重林轻草现象,结合甘肃省及其不同类型区的自然条件,运用生态学原理及相关理论对甘肃省实施退耕还草工程的必要性、可行性进行了深入探讨,认为甘肃省应以还草为主、还林为辅,在有还林潜力的地方还应坚持"还草—还灌—还林"的逆向治理路线。     

新疆渭干河—库车河三角洲绿洲耕地时空变化特征分析

【目的】耕地资源的变化特征是土地利用与土地覆被变化研究的重要内容,也是关系到耕地安全与粮食安全的重大问题。新疆作为中国农业用地较多和后备耕地资源较大的省区,在中国耕地资源保护和持续利用中具有突出地位。渭库绿洲是新疆最典型的荒漠绿洲区,是阿克苏地区最大的灌溉区及新疆重要的产棉区之一,深入了解该绿洲耕地分布及其变化过程,对指导该绿洲农业发展,保障生态安全至关重要。【方法】本研究以遥感资料为数据源,选取动态度、区位指数和板块密度等地理计量模型揭示渭库绿洲近21 a来耕地的时空变化特征,分析其变化的主要原因。【结果】(1)近21a年渭库绿洲耕地发生了显著的时空变化。耕地面积从1994年的2 488km2增加到2015年的3 931 km2,研究期间增加了1 443 km2,耕地面积的比例从17%上升到26%,年均变化量68.71km2,年均变化率2.7%;耕地扩展中心逐渐由绿洲中上游转移到下游,并延伸到绿洲外围,主要表现以耕地为主的农业用地和建设用地为主的非农业用地增加,以及盐渍地和水域大面积减少;(2)从区位指数来看,各县的区位指数存在一定的差异,其中新和县的耕地区位指数均排在第一位,耕地聚集程度远高于全区平均和其他地区,沙雅县的耕地区位指数位于第二,聚集程度也高于全区平均值,库车县的耕地区位指数最小。【结论】经过近21 a的耕地扩展,耕地景观由已杂乱破碎斑块逐渐连接成片,耕地景观的优势进一步增加。降水和径流的增加为渭库绿洲耕地扩展提供了相对有利的气候条件,水利建设与人口增长是影响该绿洲耕地面积变化的主要原因。本研究提出的分析方法能快速、客观反映区域耕地格局的动态变化过程和差异特征,为耕地时空变化研究提供了一种新思路。     

基于模型和GIS的江苏省氮肥施用适宜性分析——以2000年为例

 【目的】评价江苏省氮素化肥施用的适宜性,为合理施用氮肥提供依据。【方法】以自主研制的土壤氮素矿化模型、有机肥氮素释放模型和氮肥利用率模型为基础,将模型与GIS技术耦合,对江苏省2000年农田土壤、有机肥供氮量的空间变异状况及其成因进行分析,并将模拟农田需氮素化肥量与实际施氮量进行比较,分析2000年江苏省各地区氮肥施用的合理性。【结果】若以实际作物产量为标准,全省约有71.8%的农田氮肥过剩,过剩总量约7.66×108 kg,占总施氮量的41.5%,少部分地区施氮不足;若以现实最高产量为标准,则有64.3%农田氮肥不足,亏缺总量约8.06×108 kg。太湖地区、宁镇丘陵区、徐州等地氮肥盈余量较多,而滨海盐土区则施氮量不足。【结论】如果把施氮过量区的过剩氮肥投入到施氮不足区,做到资源的最优化利用,将会产生巨大的经济、环境效益。