地块尺度下基于多源卫星遥感数据的粮食作物识别

开展粮食作物监测对于国家粮食安全具有重要意义。在传统像元尺度下,利用单一遥感数据进行粮食作物监测,识别精度往往较低,提取的作物地块破碎,难以满足应用需求。为此,该研究以山东省青岛市黄岛区为研究区,提出了一套地块尺度下综合多源卫星遥感数据（包括高分辨率数据、多时相数据、高光谱数据）与土地利用调查矢量数据的粮食作物信息识别方法。首先,对高分辨率数据进行分割获取耕地地块矢量数据;其次,基于多源卫星遥感数据提取地块级时空谱特征;再次,利用样本数据计算特征类间可分性,并进行特征优选;最后,构建基于二次多项式支持向量机的主要粮食作物（春玉米）识别方法。结果表明：1）该研究所提的方法可以有效进行粮食作物信息识别,基于地块数统计的识别精度为89.7%;2）利用光谱特征、植被指数、纹理特征组合得到的识别结果精度最优,基于像元数统计的精度为97.1%,与传统方法相比提高了24.2个百分点,且提取的地块信息更完整。该研究成果可支持粮食作物种植用地的调查与监测,也可为耕地非粮化时空演变与分析提供新的思路。     

基于地块特征基元与多时相遥感数据的冬小麦播种面积快速提取

冬小麦播种面积监测是农情遥感的重要研究内容之一,及时、准确地获取冬小麦的播种面积对冬小麦产量估算具有重要的意义。该文在面向对象技术的支持下,首先利用融合的高空间分辨率SPOT5遥感影像提取农田地块专题层信息;然后在专题层控制下对多时相的ETM+遥感数据统一尺度分割,得到不同时相遥感影像相同形状的地块特征基元;通过光谱特征规则集构建不同时相的冬小麦信息提取模型,实现对各个时期冬小麦播种田块对象的提取;最后通过交叉验证,确定最终的冬小麦播种面积。结果表明,该方法能够快速获得冬小麦播种面积,总体精度达到90%以上,基本上能够满足农情遥感监测的需求,为冬小麦种植面积遥感快速监测提供了一种可行的方法。     

基于支持向量回归（SVR）和多时相遥感数据的冬小麦估产

发展和构建高精度的作物遥感估产模型,对于国家制订粮食进出口政策和保障粮食安全具有重要意义.尝试利用支持向量回归方法(SVR)构建遥感估产模型,首先利用北京郊区2004年和2007年冬小麦主要生育期多时相Landsat TM影像生成的归一化植被指数,通过SVR构建遥感估产模型进行产量估算.然后针对模型的稳健型和预报能力进行交叉验证,并与常规的多元回归方法进行对比.结果表明,利用SVR方法构建的遥感估算模型有效地提高了估算精度,与多元回归方法相比,2004年和2007年决定系数分别提高0.2162、0.2158,均方根误差分别降低0.1682、0.2912.因此基于SVR和多时相遥感数据构建估产模型用于冬小麦估产是可行、有效的,为应用多时相遥感数据进行冬小麦估产提供了一种方法.     

基于MOD13产品水稻遥感估产模型研究

中分辨率成像光谱仪(MODIS)可以提供经过加工处理的多时相44种数据产品,其中MOD13就是经过严格算法处理后的16 d内每个像元的最佳的植被指数产品。通过杭州市郊野外大田选取适当研究区,进行产量构成要素和实际理论产量的测算,建立MOD13-VI(Vegetation Index)产品与水稻理论产量以及产量构成要素之间的相关关系,结果表明: 这种相关与地面光谱和水稻理论产量所建立的相关关系具有一致性。经过各种估产模型的比较,复合估产模型更能反映整个生育期的情况,准确度有所提高,MOD13-EVI(Enhanced Vegetation Index)所建立的估算模型精度显著优于MOD13-NDVI (Normalized Difference Vegetation Index),研究表明利用各个生育期MOD13产品所建立的复合模型有助于提高水稻产量的估算精度。     

农作物单产遥感估算模型研究进展

作物单产估算是农作物估产中的关键技术,也是作物估产的难点之一.遥感技术凭借其宏观、及时和动态等特点已在农作物产量估算中占据着极为重要的地位,运用遥感信息建模估算作物产量已成为区域作物估产的必然要求.在总结农作物单产遥感估算模型研究成果的基础上,将作物单产遥感估算方法划分为四种模式加以详细阐述,分析了用于单产建模的遥感数据源的多元化趋势,讨论了如何有效验证模型估算精度的问题,最后对作物单产遥感估算模型今后的发展趋势作了展望.     

基于多时相OLI数据的宁夏大尺度水稻面积遥感估算

为客观获取宁夏水稻面积空间分布信息,也为区域农作物遥感监测奠定技术基础,该文以宁夏回族自治区为研究区域,选择美国LandSat-8携带的陆地成像仪(operational land imager,OLI)数据,采用2016年3月11日-7月01日间的15景影像,基于水稻田耕地与水体特征反射率随着季节变化规律的分析,采用归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)、近红外波段反射率(infrared reflectance,IR)、短波指数(short waved index,SWI)3个指数,以及多时相NDVI最大值、IR最小值、SWI最小值3个衍生指数,共6个指数为基础进行决策分类树构建,对全区水稻进行识别与提取,采用该区水稻面积本底遥感调查结果进行精度验证,水稻种植面积提取误差仅.4.22%,Kappa系数为0.83,水稻空间分布的用户分类精度分别为85.11%,制图精度为81.67%;同时与监督分类方法提取的水稻面积进行对比,该文方法提取水稻的用户精度提高了8.13个百分点,制图精度更是提高了20.01个百分点。研究结果表明,利用中高分辨率的OLI遥感时间序列卫星影像,在大宗农作物时间序列的变化规律分析基础上,构建分类决策树,可以准确地提取大宗农作物种植面积,是区域农作物面积遥感监测业务运行中具有潜力的方法。     

区域土壤侵蚀遥感抽样调查方法

土壤侵蚀是全球性环境问题,土壤侵蚀调查是水土保持规划和生态文明建设的科学基础。为了完善土壤侵蚀抽样调查方法,快速、精准地估算土壤侵蚀实际速率,对基于高分辨率遥感影像进行目视解译,提取高精度土地利用和水土保持措施信息的方法进行了研究。基于现代地理信息科学,充分利用虚拟地球及其提供的公开高分辨率遥感数据资源,考虑土壤侵蚀及其治理的时空特征,采用分层不等概系统空间抽样方法布设抽样单元,通过对公开高分辨率遥感影像的目视解译,完成泛第三极地区土地利用和水保措施的遥感抽样调查。研究实现了2万个抽样调查单元的解译,提取了土地利用和水土保持措施信息;基于CSLE模型完成了典型抽样调查单元的土壤流失速率计算,并对解译结果进行了精度和实用性分析。结果表明:基于公开高分辨率遥感影像、利用分层不等概系统空间抽样方法,可快速提取土地利用和水土保持措施信息,完成区域土壤侵蚀抽样调查。     

水稻种植面积遥感估算的不确定性研究

利用研究区地物类别亚米级GPS详查数据及TM影像光谱数据,模拟生成1m分辨率的遥感模拟影像。用3种非参数分类法(最临近法KNN、误差后向传播神经网络BPN,模糊自适应网络FUZZY ARTMAP)和一种参数分类法(最大似然法MLC)对研究区TM影像进行硬分类估算水稻面积;还采用BPN全模糊分类、BPN和KNN模糊分类、抽象级结合和测量级结合的多分类器结合方法对遥感影像进行分类估算水稻面积;采用最多数法则的尺度扩展算法,实现由3m空间分辨率参考图提取30m空间分辨率影像像元纯度信息,讨论混合像元问题对遥感影像分类精度的影响。结果表明:非参数分类法精度均高于参数分类法,3种非参数分类法之间的差异较小,用最大似然法估算水稻面积的用户精度最高,用K最临近值分类法估算水稻面积的生产者精度最高;水稻类全模糊分类法的面积和真实面积最为接近,水稻类像元内的面积估测和真实面积无极显著差异;多分类器结合的分类法无论采用投票法还是测量级方法都能提高分类的总精度,能够提高水稻类面积提取的精度;研究区在30m空间分辨率的情况下,各类别分类总精度、Kappa系数随像元纯度升高而升高,4种硬分类方法没有对混合像元的分类表现出特别强的能力。本研究最终制作出分类影像像元的分类结果图、分类最大概率值、熵值图和水稻类概率值等4张图层,构成了对研究区分类结果不确定性的空间分布图不确定性图层,为采取进一步降低不确定性的措施提供了线索。     

基于微波冠层散射模型的水稻生物量遥感估算

为寻求有效的水稻生物量估算方法,尝试开发了微波冠层散射模型。将实测的水稻结构参数作为输入变量,运行微波冠层散射的改进模型来模拟水稻冠层后向散射系数,结合遗传算法优化工具,从星载微波雷达遥感ALOS/PALSAR数据反演水稻的结构参数,进而对水稻生物量进行了空间制图。结果显示,模拟的水稻冠层后向散射系数误差在1 dB以内,估算的水稻生物量的误差小于200 g/m2。表明利用微波遥感机理模型反演水稻结构参数和估算水稻生物量具有应用潜力。     

基于MODIS和天地图遥感数据的区域作物秸秆产量估算方法

乡镇是秸秆焚烧最直接责任主体,开展镇(乡)区域农作物秸秆产生量估算方法研究,可为镇(乡)区域秸秆资源规划和收储设施选址提供有效方法。该文以泗洪县车门乡为试验,研究利用MODIS卫星遥感影像时间序列数据和天地图免费遥感影像数据,建立区域秸秆资源量及其空间分布的估算方法。根据天地图选取样本田块,通过网站获取MODIS-EVI时间序列数据,确定作物类型-EVI参数判别准则;选取图像识别样本田块,以图像参数为判别变量做判别分析,确定作物类型-图像参数判别准则。基于以上方法,完成全乡秸秆资源面积和秸秆产生量估算。水稻秸秆资源量1.77万t,可收集水稻秸秆资源量1.27万t,小麦秸秆资源量2.78万t,可收集小麦秸秆资源量为1.51万t;通过实际调研得知,该地水稻秸秆实际资源发生量约为1.82万t,小麦秸秆实际资源发生量约为2.75万t,估算数据和实际数据的误差仅为2.7%和1.1%,证明了该方法可以较准确的估算实际值,而且方便易用,节约成本。     

基于MODIS EVI的冬小麦产量遥感预测研究

Terra-MODIS数据集同时具有归一化植被指数（NDVI）和增强型植被指数（EVI）两种植被指数。为了对比这两种植被指数在农作物估产中的应用效果，该文利用MODIS-NDVI和MODIS-EVI作为遥感特征参量，以对美国冬小麦的长势监测与产量预测为例进行了研究：运用区域作物特定生育期内多年的NDVI和EVI值与作物产量进行相关分析，采用一次线性拟合方法分别建立回归方程，估算当年的农作物产量。结果表明，EVI明显地比NDVI更好地与产量建立回归方程，用EVI建立的回归方程，各州相关系数大多在0．7以上；而用NDVI建立的回归方程，相关性不稳定。因此利用EVI建立的模型对2004年美国冬小麦进行估产，并将预测结果与美国国家统计署6月1号公布的预测结果进行对比，结果发现，美国国家统计署预测单产误差为3．05％，总产误差为-2．56％，而该研究预测结果单产误差为2．62％，总产误差为-1．77％且预测时间比美国国家统计署预测时间提前约半个月。可见EVI可以更有效地进行作物监测及估产，提高预测的准确性。     

基于MODIS与TM时序插补的省域尺度玉米遥感估产

针对省域尺度作物估产中的TM影像时相不一致和覆盖能力不足的问题,以山东省2008年玉米产量为研究对象,在6景不同玉米物候期的TM影像和长时间序列的MODIS全覆盖影像的支持下,构建基于玉米生长过程的时序插补模型,将不同物候期的TM影像插补为玉米乳熟期的同期数据集,并通过地面实割实测样本数据,建立地面-TM、TM-MODIS的两阶段遥感估产模型,开展省域尺度玉米产量全覆盖遥感估测方法研究。结果表明,基于时序插补的省域尺度玉米遥感估产方法能充分发挥TM和MODIS影像的各自优势,有效地避免TM影像时相不同所造     

结合遥感技术与水稻生长模型来预算水稻产量

Since remote sensing can provide information on the actual status of an agricultural crop, the integration betwee nremote sensing data and crop growth simulation models has become an important trend for yield estimation and prediction. The main objective of this research was to combine a rice growth simulation model with remote sensing data to estimate rice grain yield for different growing seasons leading to an assessment of rice yield at regional levels. Integration between NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) data and the rice growth simulation model ORYZA1 to develop a new software, which was named as Rice-SRS Model, resulted in accurate estimates for rice yield in Shaoxing, China, with an estimation error reduced to 1.03% and 0.79% over-estimation and 0.79% under-estimation for early, single and late season rice, respectively. Selecting suitable dates for remote sensing images was an important factor which could influence estimation accuracy. Thus, given the different growing periods for each rice season, four images were needed for early and late rice, while five images were preferable for single season rice. Estimating rice yield using two or three images was possible, however, if images were obtained during the panicle initiation and heading stages.     

基于分层抽样的中国水稻种植面积遥感调查方法研究

及时准确的统计水稻种植面积对国家和区域的粮食生产、贸易及粮食安全预警有重要意义。传统的按行政单元逐级上报和农业产量抽样调查方法在数据获取过程中受人为因素的干扰，难以避免的出现诸如错报、漏报、空报等问题。遥感技术具有及时、准确、客观的特点，对于农作物种植面积监测具有其他方法不可替代的优势。但是，一般的作物面积遥感监测是全覆盖或典型地区调查。在大尺度农作物遥感调查时，全面普查(卫星遥感数据全覆盖)的方法在时间和经费方面是不可行的，以典型调查代替总体的方法缺乏科学依据。科学合理的抽样方法是可运行的大尺度作物面积监测的关键因素。研究在背景数据库的支持下，以土地利用数据库为辅助变量，设计了基于分层抽样的中国水稻种植面积遥感监测方法。以全国稻田面积为总体，采用1∶5万比例尺标准地形图幅为分层抽样的抽样单元。以遥感与地面调查相结合的方法监测样本的当年和上一年水稻种植面积，在给定精度条件下估算水稻种植面积年际变化率。结合上年统计部门发布的水稻种植面积统计数据，推算当年水稻种植面积。该项研究为农业部全国水稻遥感监测提供了可行的大尺度水稻遥感监测的运行方案。     

基于信息扩散和关键期遥感数据的冬小麦估产模型

农作物估产对于国家制定粮食进出口政策和保障粮食安全具有重要意义。为构建高精度的作物估产模型,探讨了一种将信息扩散原理和关键期遥感数据相结合的农作物遥感估产方法。首先利用信息扩散原理将关键期遥感数据生成的NDVI和实割实测产量数据扩散到多维监控空间,采用模糊合成的方法建立关键期遥感数据和实割实测产量之间的离散关系模型。然后针对模型的稳定性和精度进行交叉验证,并与多元线性回归模型和BP神经网络模型进行对比。结果表明,利用信息扩散方法构建的遥感估产模型稳定性和精度都明显提高,与多元回归方法和BP神经网络方法相比,决定系数分别提高0.180、0.491,均方根误差分别降低173.10、487.79 kg/hm2。该方法能较好地模拟冬小麦遥感估产中归一化植被指数和产量之间的非线性关系,且泛化推广能力优异,为应用关键期遥感数据进行冬小麦估产提供了一种有效方法。     

无人机遥感影像面向对象分类方法估算市域水稻面积

针对如何高效地从无人机遥感影像中提取农作物样方数据,用于农作物面积遥感估算,该文以浙江省平湖市为例,利用面向对象分类方法对无人机影像进行水稻自动化识别,作为样方数据与卫星遥感全覆盖空间分布分类结果结合,采用分层联合比估计进行2014年单季晚稻面积估算。然后,与人工目视解译识别方法获取的水稻样方数据推断的区域水稻面积估算的结果进行精度、效率对比分析。研究结果表明:1)利用面向对象分类方法对无人机影像进行分类,总体分类精度达到93%以上,满足构建样本的要求;2)通过区域作物估算对比分析发现,面向对象分类方法对无人机影像进行水稻识别,构建平湖市单季晚稻的样方数据,能够替代人工目视解译样方准确推断区域作物种植面积,有效地提高了无人机影像在遥感面积估算中的应用效率。     

基于光谱反射信息的作物单产估测模型研究进展

及时准确地估测区域作物单产信息,对于粮食安全预警、粮食贸易流通,以及农业可持续发展都具有非常重要的意义。基于光谱反射信息的遥感技术,能够实时获取作物和土壤在不同时间和空间尺度下的分布信息,为区域作物单产估测研究提供了新的机遇和挑战。在简单介绍作物反射光谱特性和作物单产影响因素的基础上,分经验模型、半经验半机理模型和机理模型三部分,详细论述了基于光谱反射信息的作物单产遥感估测模型的国内外研究进展,并指出基于作物生长机理模型与多时相遥感信息同化技术的研究,应该是未来区域作物单产估测的重要发展方向之一。今后应该重点加强作物冠层关键参数(如叶面积指数、叶绿素浓度、作物吸收光合有效辐射系数、植被覆盖率等)的定量反演研究,同时加强多源遥感数据替代和整合技术研究,以及作物模型与遥感信息同化关键技术研究,以进一步改善单产估测精度和提高系统可运行性。     

基于MODIS数据的松嫩草原产草量遥感估算模型与空间反演

根据NASA/MODIS遥感数据获得NDVI、RVI、MSAVI和EVI 4种植被指数,结合草原产草量地面实测数据,利用统计分析方法建立松嫩草原产草量遥感估算模型,并进行产草量空间反演和验证,为该区草原产草量合理估算和草原资源管理提供科学依据。相关分析结果表明,前期和同期的4种植被指数均与草原产草量显著相关,其中NDVI相关性最高,EVI相关性最低;松嫩草原产草量最优模拟模型为基于NDVI的S曲线模型,模拟精度达78%。利用该模型反演得到2009年松嫩草原平均鲜草单产为5 717 kg/hm2,折合干草单产1 687 kg/hm2,鲜草总产量为1 885万t,干草总产量为589万t。其中,黑龙江省部分的鲜草总产量为1 356万t,折合干草424万t;吉林省部分的鲜草和干草总产量分别为531万t和166万t。利用植被指数预报未来16 d草原产草量效果较好,其中基于NDVI的幂指数模型预报精度为74%。研究表明,基于植被指数进行松嫩草原产草量研究是可行的。     

基于权重最优组合和多时相遥感的作物估产

多时相遥感数据比单一时相携带了更多的反映作物产量的信息,研究如何将多时相遥感信息进行有机融合以提高作物估产精度的方法是具有意义的。权重最优组合（WOC）是一种通过对单个模型权重的最优化,来构建高精度组合模型的原理方法。论文以黑龙江农垦友谊农场大麦产量遥感估算为例,首先利用大麦4个时相的Landsat5 TM影像分别构建单一时相的大麦产量模型,然后利用WOC的迭代算法,通过赋予4个单一时相产量模型以最优权重,生成基于多时相遥感的组合模型估算大麦产量,结果表明：基于WOC和多时相遥感的组合估产模型的决定系数R2与单一时相的相比得到较大改善,估算精度提高明显。同时,通过对WOC获取的各时相单一模型最优权重大小进行分析表明：应用多时相遥感数据进行作物估产时,权重大小能够反映各时相遥感数据所携带的产量信息的多少,这对于如何选择和确定能有效反映作物产量的敏感遥感时相具有一定的指导意义。