面向农田信息采集的数字照片空间标识索引方法

针对精准农业多源信息采集管理应用的实际需求,提出一种基于时间阈值的数字照片自动空间位置标识方法和基于空间位置的数字照片索引及热链接方法。利用该方法开发了面向精准农业的农田空间多媒体信息采集管理软件,软件将数字照片采集、空间标识、快速索引、热链接表达和数据转换等环节作为一个完整的流程处理,支持普通数码照相机配合手持GPS设备、GPS数码相机和具有定位拍照功能手持设备等多种数据采集方式下的空间多媒体数据采集、空间位置标识索引和数据交换,实现了地理信息系统环境下的数字照片动态索引和关联,并给出了匹配照片时间阈值ε的取值范围。通过精准农业农田基础设施空间多媒体数据采集融合实际应用,验证了该方法的有效性和实用性。     

基于嵌入式组件技术的精准农业农田信息采集系统的设计与实现

基于精确地理位置的农田信息采集是实施精准农业的基础工作。介绍了一种基于掌上电脑和DGPS/背夹式GPS设备的农田信息采集系统的开发过程。该系统在Microsoft eMbedded Visual C++ 3.0集成开发环境下,采用嵌入式GIS开发组件,实现了掌上电脑环境下GPS、GIS功能的集成。系统由GPS实时通讯和数据处理模块、基于WinCE的基本GIS功能模块和农田信息采集功能模块等组成模块,能够实现与DGPS设备或背夹式GPS设备的实时通讯和定位数据的解析,实现了矢量农田地理信息的显示、操作、查询等基本GIS功能,同时,系统能够采集农田地物分布和多种影响作物生长的环境差异性信息。该文还介绍了使用Microsoft数据库访问组件对象ADOCE对Pocket Access数据库的操作方法,实现了对嵌入式农田信息采集系统中农田信息的有效管理。     

基于Geo-WebServices的农田环境动态监测与评价分析系统

为实现农田环境质量数据的在线共享、查询统计与评价分析服务,该文结合地统计学及农田环境质量监测相关专业知识建立采样点布设优选评价模型,并基于GIS、GNSS、角色访问控制等技术,设计开发了农田环境动态监测与评价分析系统。应用证明,系统采用Geo-WebServices技术能够实现分布式存储的极高分辨率遥感影像和大比例尺基础地理数据等数据服务的实时在线集成与共享,提高了数据分析精度,也解决了高精度基础空间数据的共享安全性及数据版权的问题;能依据角色分配用户权限,使得系统安全可靠;能灵活定制与管理农田环境监测评价与预警分析等模型,并实现从采样布设优选评价、采样点数据预处理、环境质量评价与预警分析及结果多方式直观的可视化等全流程的动态监测分析功能,系统能有效应用于农田环境质量监测与管理。     

基于远程通讯的农田信息管理系统设计与实现

为实现农田信息远程智能化管理,该文按照软件工程思想设计并实现基于远程通讯的农田信息管理系统。远程农田信息管理系统是移动式农业智能服务系统的一个重要组成部分, 是实现农田信息管理的核心。远程农田信息管理系统通过GPRS实时接收来自移动终端（农田PDA）的农田信息数据,将其存放到农田信息数据库中;按照农田处理模型对其进行分析、处理,并进行可视化表达,为农田变量控制提供决策支持。根据系统的主要功能,将系统划分为地图管理、PDA管理、数据管理和系统管理等四大模块。远程农田信息管理系统实现了农田信息的实时采集、处理、可视化和传输,为用户提供全面的决策信息和技术支持。     

基于最优尺度选择的高分辨率遥感影像丘陵农田提取

农田测绘与粮食安全密切相关,高效经济的农田测绘是中国政府部门重点关注的工作之一。农田田块是农田测绘的基本要素,从遥感影像中提取农田田块信息是当前研究的热点。然而,丘陵地区农田形状不规则、光谱特征不明显导致农田信息提取困难,该文通过研究最优的农田分割尺度来提高农田田块信息提取的精度。首先,利用各向异性扩散算子在由Sobel得到的梯度图上生成多尺度梯度影像。然后,通过信息熵差异分析得到有效尺度范围。其次,利用标记分水岭算法对农田梯度影像进行分割获得多尺度农田信息。最后,利用非监督的全局评价方法在已得的有效尺度范围内确定农田提取的最优尺度,同时确定最优的农田提取结果。对比试验结果表明,该文方法能够有效地提取丘陵地区的农田田块,精度可以达到73.06%,比Mean-shift方法提取的精度高22.48%。该研究可为中国农田测绘提供技术参考。     

基于元数据的农田信息存储、管理和共享

为实现基于元数据的农田信息的存储、管理和共享,在建立农田信息数据元的基础上,采用空间数据库技术,构建了农田信息的分级存储与管理模型;利用元数据服务和组件技术,在SuperMap GIS平台上构建了农田信息共享服务与互操作模型。通过对“基于WebGIS的小麦生产精准施肥决策系统”和“基于GIS的河南省作物生产潜力评价系统”数据元的提取和封装,实现了两个系统数据的无损共享,结果表明,在建立农田信息标准元数据的基础上,利用元数据和元数据服务技术来解决农田信息一体化存储、管理和共享是可行和有效的。     

3S技术在农田基础地图测绘与更新中的集成应用

为了得到大比例尺、高精度、电子版的农田基础地图作为参照图层，来分析与处理精细农业研究与实践中采集到的不同数据，该文讨论了几种利用3S技术的测绘方法，并进行了GPS测绘工作。GPS定位数据在GIS系统中经过处理并编辑成图。为了提高测绘和成图的精度，文中设计并测试了单点重复定位—求平均，以及连续定位—移动平均等GPS数据的处理方法；测试结果表明测绘精度达到0.5 m左右。该文农田基础地图的更新基于经过多项式几何校正与坐标配准后的遥感图像进行。     

农田生态系统服务及其价值的研究进展

农田生态系统在人类控制下已逐渐演变成了提供农产品的集约化生产系统。尽管与自然生态系统相比, 农田生态系统服务功能有所下降, 但其在提供农产品的同时还在向人类提供大量的生态服务。近年来, 生态系统服务稀缺性变得越来越突出, 农田生态系统的多功能性受到了空前的重视。本文首先明确了农田生物多样性是农田提供多种生态系统服务的基础, 然后回顾了2000年以来国内外农田生态系统服务及其价值化领域取得的主要研究进展, 包括对农田产品供给、碳汇、土壤保持和养分循环、水调节等功能的评价以及对农田生态系统服务及其价值化的综合研究。与此同时, 我们也应该注意到农业生产还对人类社会和自然环境产生了各种消极影响, 认识到权衡农田生态系统在农业生产中的各项利弊的重要性。通过对比不同农业生产模式对农田生态系统服务供给的影响, 提出未来发展多功能农业将是实现农田对人类福祉最大化的重要方向。最后, 文章指出我国发展多功能农业的主要措施是: (1)确保18亿亩耕地在空间上的存在; (2)与森林、草地、湿地、水域等其他自然生态系统在空间上合理配置; (3)在农业区域充分发展以观光休闲功能为主的休闲农业, 实现农田生态系统社会文化价值; (4)逐步实施农业生态补偿。     

无线传感网获取的农田数据管理系统集成与实例分析

无线传感网络日益成为大范围农田信息采集的重要手段,如何科学管理无线传感网自动获取的大量农田数据成为重要的研究问题。该研究利用Oracle10g工具构建了农田观测数据库,并基于Microsoft Visual Studio.net、ESRI ArcGIS Engine9.3和ERDAS9.2软件集成开发了农田观测数据管理系统,实现了与无线传感器网络数据自动获取平台之间的无缝对接及数据高效管理。该数据管理系统包括数据自动入库、数据编辑管理、数据浏览统计分析、空间化数据产品生产应用等4个功能模块。数据自动入库模块主要完成无线传感网获取的农田原始数据到数据库初级产品的管理,包括自动接收控制、数据校正与纠错、观测器异常报警等基本功能;数据库编辑管理模块负责已入库数据的元数据生成与维护,真实数据检索、显示与分析等任务;空间化数据产品生产应用模块主要实现观测数据的空间扩展、时空耦合模拟,以及农情监测业务应用等需求,包括空间插值和时间维模拟等。该系统在河南省鹤壁市进行了实测应用,已经稳定运行1年,结果表明:系统能实现农田参数的自动入库、相关处理、分析和管理,具有良好的稳定性、安全性、完善的功能性和便捷的人机接口等特点。     

农田生态系统服务功能评价方法对比研究：以江苏省为例

农田生态系统为人类提供农产品的同时还提供了生态系统服务功能。准确评价农田生态系统的服务功能对农田可持续生产具有重要的影响。本文以江苏省农田为研究对象,构建农田生态系统服务功能评价指标体系,利用1991-2020年统计数据和气象数据,基于层次分析法和当量因子法定量比较评估江苏省旱地和水田生态系统服务功能指标权重,以探究不同评价方法对生态系统服务功能重要性评估的差异性。结果表明：层次分析法中准则层B水田和旱地生态系统服务功能权重排序依次为供给服务、调节和维护服务和文化服务;水田和旱地中指标层C的食物生产、气体调节、原料生产权重较高。当量因子法中准则层B水田权重排序为调节和维护服务、供给服务和文化服务;旱地权重排序为调节和维护服务、供给服务和文化服务;指标层C中水田水文调节、食物生产、气体调节权重较高,旱地食物生产、气体调节、原料生产权重较高。两种方法计算的生态系统服务功能权重存在差异,一定程度上层次分析法对专家经验依赖性较高,当量因子法则无法排除生态系统服务价值基础当量数值的影响。选择不同评价方法综合分析农田生态系统服务功能,可以克服单一方法评价偏差。     

基于无人机与激光测距技术的农田地形测绘

平整地技术是提高作物单产的重要措施,而获取高精度的农田地形测绘数据与农田数字地形模型,是进行精准平整地作业的必要条件。为了解决传统接触式地形测绘效率低、基于航拍摄影技术的遥感地形测绘精度差及作业成本高等问题,该研究提出了一种基于多旋翼无人机与激光测距技术的农田地形测绘方法。在多旋翼无人机测绘平台上搭载激光测距模块与后处理动态差分全球定位系统设备（Post-Processing Kinematic Global Positioning System,PPK-GPS）,获取激光测距序列、PPK-GPS三维定位数据以及无人机的飞行姿态数据。首先使用均值滤波器处理原始激光测距序列,并将得到的激光测距序列与PPK-GPS定位数据进行同步处理,使二者建立空间对应关系。根据无人机倾斜状态时的测距激光方向与理论竖直方向的空间几何关系,使用从无人机的飞行控制器中提取的姿态信息校正激光测距序列,消除无人机平台在飞行过程中俯仰与横滚姿态变化对激光测距精度的影响。最后,根据PPK-GPS定位数据的海拔高度分量与激光测距序列计算试验地块内地面测量点的海拔高度,共获取1 417组地面测量点的有效测绘数据。利用手持PPK-GPS设备对地面测量点的海拔高度进行测绘精度检验。验证试验结果表明,本文提出的无人机农田地形测绘系统获取的海拔高度与手持PPK-GPS设备采集的海拔高度的均方根误差为5.2 cm,表明该无人机农田地形测绘系统具有较高的测绘精度。与利用手持GPS设备进行地形测绘作业的方法相比较,本文提出的无人机农田地形测绘系统具有自动化程度高、作业效率高等优点。该研究可为促进精准平整地技术的大规模应用提供数据支持。     

基于多时相遥感影像和随机森林算法的土壤制图

获取准确的土壤-环境关系是数字土壤制图的关键,目前遥感影像已作为环境因子应用于土壤-环境知识的建立过程,但单幅遥感影像所包含的光谱信息差异难以将不同土壤类型区分开来。因此本文提出了一种基于多时相遥感影像的土壤制图方法：选取红安县滠水河流域为研究区,以母质类型图、等高线数据和多时相哨兵二号遥感影像为基础,提取与土壤形成有关的环境因子,通过随机森林算法获取土壤-环境关系,预测研究区各土壤类型的空间分布并成图,利用野外实地分层采样点验证推理图的精度。结果表明：推理土壤图总体分类精度高达86%,与原始土壤图对比,各土壤类型的空间分布具有一定相似性,展现了更为详细的空间细节信息,该研究成果可为更新土壤图工作提供新方法。     

定位尺度和像元空间关系对GF-1亚像元定位精度影响分析

亚像元定位技术对地表遥感信息提取及农业遥感定量化发展具有重要意义。针对当前国内外亚像元定位研究多集中于亚像元定位模型而缺少模型定位精度影响因素分析的现状,该文开展了定位尺度因素(如重建尺度、影像空间分辨率)和像元空间关系等对农业区域多光谱遥感影像亚像元定位模型精度影响的定量分析。以中国吉林省白城地区洮南市和内蒙古自治区兴安盟突泉县交界农业区为研究区域,以典型的空间引力模型为核心模型,以具有相同光谱分辨率的高分一号(GF-1)卫星8、16 m空间分辨率多光谱遥感影像为基础数据,对重建尺度、影像空间分辨率和像元空间关系等因素对遥感亚像元定位精度的影响进行了探讨。结果表明,对于8 m空间分辨率GF-1遥感影像,当重建尺度为5时,在邻接空间关系下的亚像元定位可达到最佳效果,即由40 m空间分辨率遥感影像重建8 m空间分辨率遥感影像的总体精度为74.67%,Kappa系数为0.604;对于16 m空间分辨率GF-1遥感影像,当重建尺度为4时在象限空间关系下的亚像元定位可达到最佳效果,即由64 m空间分辨率重建16 m空间分辨率遥感影像的总体精度为74.65%,Kappa系数为0.623。此外,重建尺度、影像空间分辨率和像元空间关系对亚像元定位精度具有波动影响,3个因素对应的亚像元定位总体精度最大变幅分别为18.08%、4.39%和0.08%,对应Kappa系数变化最大幅度分别为0.268、0.049和0.006。因此,在不同精度影响因素下,基于空间引力模型的GF-1亚像元定位精度影响因素轻重等级依次为重建尺度影像空间分辨率像元空间关系,这可为遥感亚像元定位模型选取、模型参数设置以及适宜的遥感数据选择提供一定参考。     

土地资源遥感监测产业化应用方法探讨

遥感技术已广泛应用于国土资源调查、评价和监测等领域，而遥感数据处理与分析仍是制约其应用深度的重要因素。该文在对比分析目前资源遥感监测技术的基础上，探索了基于两个时相遥感影像的变化信息提取、基于遥感影像与基年土地利用现状图的变化信息提取和基于最新遥感影像土地利用现状信息提取等关键环节的技术方法，提出了适合工程化和规模化应用的解决方案，为遥感技术在土地资源领域的深入应用提供技术支持。     

半干旱沙区土类/亚类的遥感调查制图方法

传统土壤调查制图存在低时效性、低精度等问题。为了解决半干旱沙区土壤遥感调查制图问题,该文以科尔沁左翼后旗为例,基于野外实地调查和专家知识分析了半干旱沙区土壤类型分布特征与环境因素之间的关系,并探讨了基于多时相Landsat8 OLI影像数据的半干旱沙区土类/亚类遥感调查制图方法。结果表明:利用多时相Landsat8 OLI影像数据提取的归一化差异水体指数(modified normalized difference water index,MNDWI)、盐分指数(salt index,SI)、归一化差异湿度指数(normalized difference moisture index,NDMI)、归一化差异植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)等环境信息,可实现对沼泽土、盐碱土、草甸土、风沙土及其亚类等半干旱沙区主要土壤类型的遥感调查制图。应用本文提出的半干旱区土类/亚类遥感调查制图方法对科左后旗进行土壤遥感调查制图和精度验证,总体精度约为72.84%,Kappa系数为0.667 8。该方法可为半干旱沙区数字土壤调查制图提供思路和参考。     

基于改进空间引力模型的农作区遥感影像亚像元定位

针对空间引力模型在遥感影像亚像元定位中存在的不足,该文提出了一种基于改进空间引力模型的农作区遥感影像亚像元定位方法。研究首先分析了原始空间引力模型运行速度慢、定位精度低的原因。然后,分别改进了空间引力模型的初始化算法和优化算法,改进后的初始化算法使亚像元更具空间相关性;改进后的优化算法在初始化的基础上显著提高了模型的运行速度和定位精度。最后,以吉林省镇赉县农作区SPOT-5影像为例,在原图像空间分辨率退化4倍的尺度下进行遥感影像亚像元定位试验。结果表明,改进模型与原始模型相比亚像元定位精度提高了6.67个百分点,运行速度提高了10.69倍。因此,改进空间引力模型在地物类别相对复杂的农作区遥感影像亚像元定位中,可以更好的突破空间分辨率的限制,为确保农作物种植面积提取、区域产量遥感估测提供有力支撑。     

高分辨率遥感影像耕地分层提取方法

随着城市化建设进程的加快,城郊耕地经常会被开发为建设用地,甚至还会遭受非法占用的危险,这极大威胁了中国粮食安全。该文针对高分辨率遥感影像城郊耕地特点,提出了一种多尺度分层的耕地提取方法。首先,基于归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)约束改进传统Harris角点检测方法得到建筑区概率密度图,并利用最大类间方差(Otsu algorithm,Otsu)分割去除复杂建筑区;然后,利用尺度选择工具(estimation of scale parameter,ESP)分析耕地占主导影像的多尺度分割结果,得到耕地较佳分割尺度并在该尺度下分割整幅影像;进而,利用形状、光谱信息初步检测出耕地对象,选择非建筑区的耕地与建筑区的非耕地样本,训练支持向量机模型并对不确定地物进行分类;最后,依据空间关系进一步判断图像对象,得到城郊耕地最终提取结果。试验结果表明,该方法能较高精度地从城郊区域的复杂背景中提取出不同类型、不同光谱的耕地目标。     

粮食作物面积遥感测量运行系统的设计与实现

利用遥感技术及时、准确地掌握主要粮食作物种植面积,对相关部门制定农业生产和农村政策具有重要的意义。针对目前商业软件（ERDAS、ENVI等）存在业务性不强、数据组织管理无序、难以操作等问题,设计并实现了一套适合粮食作物种植面积遥感测量业务软件系统。该系统以遥感技术和空间抽样技术为支撑,采用3层软件架构模式,实现了遥感图像处理、粮食作物面积测量、海量遥感数据管理等功能,具有业务流程明确、数据管理有效、升级快速便捷的特点,能够很好地满足业务化运行需要。通过2009年北京市冬小麦面积遥感测量业务运行,证明该系统能够简单、快速准确地测量出冬小麦的种植面积,达到满足业务化测量精度和时效的要求。     

模糊逻辑在土地利用遥感分类中的应用

由于影像信息提取过程蕴涵的诸多不确定性以及土地类别描述语境信息的含糊性影响,遥感数据的常规土地利用分类面临诸多困难与挑战。而模糊分类系统作为一种最为强大的软分类器,能处理、分析和表征遥感信息中传感器测量数据的不精确性、土地类别描述中的含糊性以及模型模拟中的不严密性,从而输出更能表达人类知识缺陷、更符合真实世界客观事实的分类结果,因此被认为是一种较好的土地利用遥感分类手段。本文以南京城市边缘带一样区为例,在采用地物导向分割技术对遥感影像分割的基础上,充分利用影像地物自身的光谱组合特征值以及其他空间形状、拓扑特征以及语境关系信息,按照模糊监督分类的过程来对研究区土地利用信息进行提取。研究结果表明基于遥感数据源的土地利用模糊分类系统可以获得比常规硬分类手段更为合理、信息含量更为丰富的输出结果。