基于人工神经网络方法的冬小麦叶面积指数反演

实践中,大尺度上测量叶面积指数（LAI）很难实现,利用遥感技术进行LAI的定量反演成为当前研究的重点。该文应用MODIS地表反射率数据反演冬小麦叶面积指数,假设MODIS像元由作物和土壤混合,建立了SAILH模型与裸土反射率组成的线性光谱混合模型,基于人工神经网络的方法进行LAI反演,获得了北京顺义冬小麦种植区在2001年4月1个时间序列的LAI。研究表明,此方法能够较好的获取大区域尺度上的LAI,对冬小麦长势监测具有重要意义。     

基于MODIS数据温度植被干旱指数干旱监测指标的等级划分

采用2000—2014年每年6—9月的黑龙江省MODIS数据,计算温度植被干旱指数（TVDI）。以过去15 a的全省40个旱作农业站点以旬为单位的土壤相对湿度为研究对象,与MODIS数据得到的TVDI相对应,根据土壤相对湿度的农业干旱等级划分标准,制定TVDI的干旱监测等级。结果显示:TVDI被分为5个等级,TVDI < 0.46为无旱,TVDI在0.46~0.57为轻旱,TVDI在0.57~0.76为中旱,TVDI在0.76~0.86为重旱,TVDI≥0.86为特旱。利用2011年实地测取土壤相对湿度数据对该等级进行验证,结果表明,验证结果准确度达到83%。证实了该等级划分结果的准确性。     

藏北高原土壤湿度MODIS遥感监测研究

利用Terra与Aqua两颗卫星的MODIS地表温度和植被指数数据,分别构建LST-NDVI与LST-EVI共四种不同组合的Ts-VI特征空间,并依据该特征空间提取温度植被干旱指数(TVDI)作为反映土壤干湿状况的指标,探讨一种合适的遥感监测藏北高原土壤湿度的方案,并基于同步的实地土壤表层含水量采样数据进行验证评价。研究表明,四种数据组合方案提取的TVDI分布图均能较好反映藏北土壤湿度,且Terra MODIS LST-EVI构建的特征空间提取TVDI指标效果最佳。在此基础上获得的藏北高原土壤湿度分级图表明,从东南到西北土壤湿度逐渐降低,并呈现明显的空间分异规律。     

水分亏缺指数在全国干旱遥感监测中的应用研究

水分亏缺指数(WDI)是建立在作物水分胁迫指数理论基础上,并假设陆地表面温度是冠层温度与土壤表面温度线性加权及土壤与植被冠层之间不存在感热交换的情况下,结合陆气温差与植被指数得到的区域干旱评价指标。本文利用MODISTerra陆地表面温度和植被指数数据产品,采用NDVITs空间法分别计算了2000年4月上旬和5月中旬气温空间分布的基础上,结合陆气温差和植被指数计算全国范围WDI,并与表层土壤含水量进行对比。结果表明:WDI能够比较合理地用来监测区域干旱,不仅适用于裸地条件,还能够有效地应用于完全植被或部分植被覆盖条件下的干旱监测,克服了CWSI只能应用于郁闭植被冠层的限制。     

基于综合干旱指数的毛乌素沙地腹部土壤水分反演及分布

为了克服单一干旱监测指数在复杂覆盖类型的适用性问题,以复杂覆盖类型的毛乌素沙地腹部乌审旗为例,在传统归一化干旱指数(normalized difference drought index,NDDI)、土壤湿度监测指数(soil moisture monitoring index,SMMI)、温度植被干旱指数(temperature vegetation drought index,TVDI)3个单一干旱监测指数的基础上,通过层次分析法确定各指数的权重,结合野外不同覆盖类型实测的土壤含水率数据,分别进行回归分析,建立多指数综合干旱监测模型,基于此模型分析研究区表层土壤水分的空间分布。结果表明:3个单一干旱指数在一定程度上均能客观反映旱情特征,与表层土壤含水率呈现不同程度的负相关,温度植被干旱指数相关性最好为0.604。引入结合多指数的综合干旱监测指数模型,在8月、9月草地和沙地与表层土壤含水率指数模型的决定系数R2均在0.7以上,高于基于单一指数模型的拟合精度。基于该模型,研究区研究区表层土壤含水率整体较低,体积含水率不高于0.15 cm~3/cm~3的面积分别占96.47%(8月)和94.8%(9月)。总体上从东到西,由北到南土壤含水率逐渐降低,与实测表层土壤样本的描述性统计结果有较好的空间一致性。     

利用EOS/MODIS植被供水指数监测锡林郭勒地区土壤湿度

利用锡林郭勒盟13个测墒站0-10cm土壤相对湿度和对应时段MODIS卫星资料,分析植被供水指数(VSWI)与土壤相对湿度间的相关性.结果表明,二者呈极显著的线性关系(P＜0.01),在此基础上建立了基于植被供水指数的土壤相对湿度监测模型.运用该模型反演的土壤相对湿度分布与实测结果基本吻合.从动态监测旱情的变化角度,用植被供水指数(VSWI)监测了锡林郭勒草原在2011年8月旱情的发生、发展和加重过程.说明植被供水指数法适用于植物生长季大范围的干旱监测,通过动态监测,可为及时、准确掌握大范围土壤水分状况和旱情提供决策依据.     

基于MODIS的河南省遥感干旱监测研究

基于遥感的大面积干旱监测发挥着重要作用,但多种不同的遥感干旱指数在不同区域的空间适应性研究相对较少。利用MODIS数据分别计算归一化植被指数、距平植被指数、植被状态指数和温度状态指数等,并结合传统气象干旱指数分析近10a来河南省的干旱情况。结果表明,2000—2009年有6a发生了不同程度的干旱,其中豫北和豫西地区的干旱程度严重,遥感干旱监测的结果与气象干旱指数基本一致;分析了河南省不同区域和时段内基于遥感的干旱指数与气象干旱指数的相关性,总结出4种基于遥感的干旱指数在时空格局中的适用性,为干旱监测提供技术支持。     

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。     

干旱遥感监测模型在中国冬小麦区的应用

温度植被干旱指数（TVDI）和植被供水指数（VSWI）由于其物理意义明确,且数据易于获取,因此成为近些年在遥感旱情监测中应用较多的两个模型。为更好地完成遥感监测任务,提高精度,以全国冬小麦主产区为研究区域,利用EOS/MODIS数据,构建两个干旱指数模型,对2009年冬小麦作物主要生长时期进行干旱监测应用,并将其与不同深度土壤湿度进行相关分析、线性拟合比较及应用验证,认为两指数与10 cm深度土壤湿度相关性较好,TVDI大部表现为极显著相关,VSWI的相关性表现差于TVDI。基于土壤湿度的遥感旱情监测,TVDI比VSWI更能体现区域旱情变化趋势,其优势更明显。     

温度植被干旱指数反演全国土壤湿度的DEM订正

 用温度植被干旱指数(TVDI)反演土壤湿度的原理,是基于水分蒸发和植被蒸腾对地表温度的降低作用。随高程增加气温降低,气温影响地表温度,因而随高程增加气温对地表温度也有一定的降低作用。用数字高程模型(DEM)对地表温度t s进行订正,可以减少气温对地表温度的影响,使得经过DEM订正获取的TVDI,能更好地反映土壤湿度。订正前后结果的对比分析也表明,经过DEM订正获取的温度植被干旱指数,与实测值有更好的相关性,能更好地反映土壤湿度分布的实际情况。     

基于分数阶微分光谱指数的冬小麦根域土壤含水率估算模型

为探讨分数阶微分（fractional-order differentiation,FOD）技术联合光谱指数改善高光谱反演冬小麦根域土壤含水率（soil moisture content,SMC）的效果,该研究以冬小麦为研究对象,测取高光谱反射率和土壤含水率数据,将高光谱反射率经Savitzky-Golay(SG)平滑处理后计算典型光谱指数以此构建偏最小二乘回归（partial least squares regression,PLSR）、随机森林（random forest,RF）和BP神经网络（back propagation neural network,BPNN）3种土壤含水率反演模型;将高光谱反射率进行0～2.0阶（步长为0.2）的分数阶微分处理后计算比值指数（ratio index,RI）和归一化指数（normalized difference index,NDI）,分析不同阶的RI、NDI与SMC之间的二维相关性,筛选得出敏感光谱指数并分组,以此构建3种反演模型（PLSR、RF和BPNN）。结果表明：不同典型光谱指数与土壤含水率的相关性存在很大差异,相关系数波动范围在0....     

红壤干旱过程中剖面水分特征与土层干旱指标

农田水分管理以及产量评估都需要对土壤作物受旱状况定量化和指标化。干旱强度和干旱程度结合才能完整地描述土壤作物干旱状况,土壤干旱强度I是土壤剖面失水速率的函数,干旱影响逐渐累积并增强就构成干旱程度D,据此提出了包含I和D二个指数的土层干旱指标表达模式。通过红壤小区种植玉米并在抽穗期开始设置连续干旱12～36 d等6个不同的处理,研究了红壤干旱过程中剖面水分特征和干旱指标。结果表明：供试红壤干旱过程中剖面40 cm以下含水率下降幅度很小,玉米主要利用了0～40 cm土层的水分,监测30～40 cm土层含水率的变化情况可以指示玉米受到干旱胁迫的程度。连续干旱25 d后40 cm以下土层含水率明显降低,玉米产量也显著下降,此时0～60 cm土层和30～40 cm土层的干旱程度D均为0.55,可用此指标作为灌溉的依据。     

基于温度植被干旱指数的江苏淮北地区农业旱情监测

为实现江苏省淮北地区农业旱情监测,利用Savitzky—Golay(S-G)滤波方法,对2011—2012年江苏省淮北地区1-5月MODIS的归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和地表温度(land Surface temperature,LST)8 d产品进行重构,去除原8 d数据的噪声,填补受云影响而缺失的数据。基于重建后的NDVI和LST数据,计算温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI);分析TVDI和土壤湿度之间的关系,构建土壤湿度反演模型。最后,利用另外1组数据验证所建土壤湿度模型的精度。研究结果表明:1)S-G滤波方法能够提高MODIS LST和NDVI数据质量,并能对缺失数据进行填补;2)TVDI方法能够实现试验区土壤湿度反演,所建模型在试验区具有一定的普适性,反演精度较高(R2=0.575,RMSE=2.59%);3)TVDI方法在江苏省淮北地区干旱监测中得到了较好的应用,能够成功地监测出江苏淮北地区2011年和2012年春旱。该研究可为农业旱情的快速监测提供借鉴。     

土壤盐分含量的遥感反演研究

土壤盐碱化是干旱、半干旱农业区主要的土地退化问题,同时也是一个重要的环境问题。遥感技术能够快速、实时地提供盐碱地的性质、范围、盐碱程度等方面的信息。该文以河北省黄骅市为研究区,通过对实测的土壤光谱的分析,发现植被严重干扰了土壤对盐分含量光谱响应关系,同时,在451.42~593.79 nm波长范围内的土壤反射率对土壤盐分含量较为敏感,在土壤光谱分析的基础上,建立了土壤盐分含量反演的相关统计模型。但由于遥感影像特征与土壤盐分含量之间存在较复杂的非线性关系,因此统计模型反演精度不够理想。因而,又尝试运用BP人工神经网络方法来反演土壤盐分含量。研究表明,BP人工神经网络模型具有很强的非线性拟合能力,与统计模型相比,其土壤盐分含量的反演精度有显著提高。     

基于特征选择和GA-BP神经网络的多源遥感农田土壤水分反演

土壤水分是影响水文、生态和气候等环境过程的重要参数,而微波遥感是农田地表土壤水分测量的重要手段之一.针对微波遥感反演农田地表土壤水分受植被覆盖影响较大的问题,该研究提出了一种基于特征选择和GA-BP神经网络(Genetic Algorithm-Back Propagation neural network)的多源遥感农...     

基于土壤含水率的骤发干旱和缓慢干旱时空特征分析

骤发干旱是近年来全球不同地区频繁发生的极端事件,与缓慢干旱相比,其爆发异常迅速,严重威胁粮食农业安全和生态环境健康。为探究骤发与缓慢干旱的时空特征,该研究基于再分析产品土壤含水率数据,提取中国1979－2018年干旱事件及旱情开始阶段历时,分析骤发干旱与缓慢干旱在发生频次、影响范围上的差异,并以典型干旱事件为例,探讨二者的联系。结果表明：1）总体上,中国干旱事件呈长历时、大范围的发展趋势;2）旱情开始阶段的分析表明,中国南方地区开始历时总体比北方偏短,典型骤旱事件主要集中在内蒙古中东部、西南地区、珠江上游以及长江下游;缓慢干旱则主要集中在西北、新疆地区,并且其覆盖范围在2005年以后增幅明显;3）近10年2场典型干旱事件的时空演变轨迹表明,骤发干旱与缓慢干旱在旱情演进过程中无明显界限,二者既可以独立存在,也可能相伴发生。该研究可为认识干旱形成机理以及旱情监测技术的发展提供参考。     

少免耕与秸秆还田对极端土壤水分及冬小麦产量的影响

为了高效利用天然降雨,缓和农业水资源短缺,该试验在小麦、玉米一年两熟条件下,设置耕作措施和秸秆2个因素,其中耕作措施分为常规耕作、深松耕、耙耕、旋耕、免耕5种,秸秆因素分为玉米秸秆全量还田与不还田,共10个处理,研究了耕作措施与秸秆因素对极端土壤水分和冬小麦产量的效应。结果表明,无论秸秆还田与否,相对于常规耕作,深松耕能提高土壤水分充足期的土壤含水率,增加冬小麦产量,尤其是深松耕秸秆还田,比常规耕作无秸秆还田分别高25.74%和11.45%。秸秆因素在土壤水分充足时影响土壤含水率方面占主导地位,秸秆因素与耕作措施在土壤水分亏缺时影响土壤含水率和冬小麦产量方面均起着重要的作用。免耕、深松耕、耙耕与秸秆还田的交互效应能够增加集雨,提高冬小麦产量。研究结果还表明,冬小麦产量与土壤水分亏缺时土壤含水率相关不显著,而与土壤水分充足期土壤含水率相关显著。