利用地形、土壤和作物信息辅助提高东北漫岗地数字高程模型精度的新方法

【目的】SRTM DEM是可免费访问公开可用的数字高程模型,但是当前SRTM DEM的垂直精度不能满足精细农业对地形数据的需求,提高其垂直精度,为精准农业等领域提供数据基础。【方法】以黑龙江省海伦东兴农机合作社为研究区,采集实际地面高程数据,获取SPOT-6、Sentinel-2A遥感影像和SRTM DEM。提取归一化湿度指数（NDMI）、归一化植被指数（NDVI）、土壤亮度（TCB）、潜在太阳辐射（PSR）等变量分析地形对其影响关系。利用极限学习机（ELM）和反向传播神经网络（BPNN）提高SRTM DEM水平空间分辨率和垂直精度。使用实际地面高程点进行精度验证,与基于无人机和光学立体像对（ZY-3）生成的DEM进行对比。【结果】SRTM、NDVI、NDMI、TCB与改进后高程的灰色关联度在90%以上,是改进SRTM DEM的重要辅助信息。在整个研究区,BPNN方法的RMSE_P为0.98,R²_P为0.98,ELM的RMSE_P为1.00,R²_P为0.90。在平坦区,BPNN方法的RMSE_P为0.84,ELM的RMSE_P为1.00;在起伏区,BPNN方法的RMSE_P为0.99,ELM的RMSE_P为0.94。该方法获得的DEM的垂直精度高于ZY-3光学立体像对生成的 DEM的垂直精度,为提高SRTM的水平空间分辨率和垂直精度提供了新思路。【结论】引入SRTM、NDVI、NDMI、TCB辅助信息有利于提高SRTM DEM的空间分辨率和垂直精度,获得高精度的DEM。BPNN方法获得的数字高程模型的精度整体上高于ELM方法, BPNN方法更加适用于平坦区高精度DEM的获取,ELM方法更加适用于起伏区。     

结合无人机光谱与纹理特征和覆盖度的水稻叶面积指数估算

为了探究无人机多指标构建叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)估算模型的能力,该研究通过不同纹理组合方式优选纹理指数,分别以光谱特征、纹理指数和作物覆盖度作为输入量建立一元线性模型,3类指标结合构建多元逐步回归和人工神经网络模型,分析多指标结合估算LAI的精度。结果表明:新的纹理指数能够明显提高纹理特征值与LAI的相关性,近红外波段均值与蓝波段均值的差值较近红外波段均值提高了13.54%;将绿度归一化植被指数(Green Normalized Difference Vegetation Index,GNDVI)、差值纹理指数和作物覆盖度结合来估算水稻LAI的精度最好,多指标结合的多元逐步回归模型的决定系数为0.866,调整后决定系数为0.816,均方根误差为0.308,人工神经网络模型结果再次验证这一结论。该研究成果可为基于无人机平台估算作物结构参数提供理论依据,并为其他作物LAI估算提供借鉴。     

基于无人机多光谱影像的完熟期玉米倒伏面积提取

由于土壤、地形、水分以及耕作方式等存在的时空变异性,致使灾后完熟期玉米地块存在4类作物形态,包括叶片呈绿色的未倒伏玉米、叶片淡黄的未倒伏玉米、叶片淡黄的倒伏玉米、黑色阴影区域。为进一步提高现有倒伏玉米面积提取方法的精度,该文以黑龙江省国营农场典型玉米倒伏地块为研究区,获取无人机多光谱数据,对比4类作物形态的光谱、植被指数以及纹理特征差异,经特征筛选后,首先面向倒伏玉米提取构建了5种典型特征组合。然后针对植被指数特征、光谱和纹理特征组合采用最大似然法分类,最后对提取结果的精度进行评价和分析。结果表明:反射光谱特征或植被指数特征无法准确区分4类作物形态,提取的倒伏玉米面积偏差较大;多类纹理特征法所得结果最优,4类典型作物形态的识别平均误差为9.82%,倒伏面积提取的误差为3.40%,Kappa系数为0.84。该研究延展了纹理特征在倒伏玉米面积提取中的应用并对完熟期倒伏玉米识别具有重要的借鉴意义。     

东北农牧交错带耕地土壤有机质遥感反演研究

农牧交错带是农耕区与草原牧区的过渡带，土壤有机质(SOM)的精确估算与变化监测对碳库估算与农业生产具有重要研究意义。以东北典型农牧交错带为研究区，Landsat 8 OLI影像和ALOS 12.5m DEM为数据源，基于波段反射率、反射率对数、亮度指数与相关地形因子，分别利用多元线性逐步回归(MLSR)模型、随机森林(RF)模型和BP神经网络(BPNN)模型，构建农牧交错带SOM多光谱反演模型。结果表明：(1)根据重要性排序，选择Landsat8OLI第4波段的对数、第5波段、第6波段和亮度指数作为输入量，RF和BPNN模型的精度优于MLSR模型。(2)引入高程(E)与坡向变率(SOA)后，3种模型的预测精度提高，BPNN模型精度提高最多，R2提高了0.22,RMSE降低了0.40 g/kg。3种模型最优反演精度由高到低为：BPNN模型(R2=0.82,RMSE=1.4 g/kg)>RF模型(R2=0.71,RMSE=1.9 g/kg)>MLSR模型(R2=0.66,RMSE=8.8 g/kg)。研究结果可为农牧交错带SOM时空变化研究提供方法支撑。