基于时序光谱和高分纹理分析的制种玉米田遥感识别

根据制种玉米与其他作物在中高分辨率遥感影像上的光谱和纹理差异,利用多源遥感数据,以提取制种玉米种植田为研究目标,提出了作物多时相光谱特征分析的植被指数体系,多维度反映了作物不同光谱差异;在纹理检测前加入图像旋转不变处理,解决了遥感影像中作物田纹理方向问题;最后构建了多时相光谱特征和高空间分辨率遥感影像LBP-GLCM纹理特征的制种玉米田识别方法体系。以新疆霍城县为研究区,利用上述方法体系结合随机森林分类器,通过实验得到分类总体精度为90.57%,Kappa系数为0.79,制种玉米田分类结果用户精度为99.20%,制图精度为86.68%,基本满足对制种玉米田的识别需求。     

基于时序EVI决策树分类与高分纹理的制种玉米识别

针对遥感技术区分制种玉米与大田玉米的技术难题,以不同源、不同时相遥感数据,构建了多时相OLI/Landsat-8结合Geo Eye-1高分纹理制种玉米识别方法。首先以多时相OLI/Landsat-8构建各地类EVI时序曲线,利用地类的物候差异,以C5.0决策树算法识别玉米,然后针对制种玉米与大田玉米田块的纹理差异,利用Geo Eye-1高分影像纹理信息进一步以阈值法识别制种玉米。最后,以甘肃省张掖市临泽县为研究区,对提出的方法进行了试验验证,结果显示,多时相OLI/Landsat-8总体分类精度为86.31%,Kappa系数为0.81。玉米识别的用户精度为88.39%,制图精度为95.35%,可满足进一步对制种玉米的识别。依据Geo Eye-1高分遥感影像的纹理差异,识别制种玉米,用户精度为86.37%,制图精度为83.02%,高于只利用单一OLI/Landsat-8数据源的分类精度。     

基于小波纹理和随机森林的猕猴桃果园遥感提取

为快速、准确地从高分影像中获取猕猴桃种植分布信息,提出了一种结合小波变换纹理分析和随机森林分类的QuickBird影像猕猴桃果园自动提取方法。首先,采用coif5小波对QuickBird全色影像进行多尺度小波分解,计算各子频带小波系数的能量特征作为纹理特征;然后,将小波纹理与光谱特征组合构建分类特征;最后,利用随机森林分类实现土地利用分类和猕猴桃果园空间分布提取。结果表明,小波纹理识别猕猴桃果园的效果明显优于光谱特征和其他2种纹理特征;光谱+小波纹理特征的分类精度最高,猕猴桃果园提取精度(Fk)和总体分类精度(OA)分别为95.30%和94.46%,比光谱+灰度共生矩阵纹理分类分别提高6.70%和2.88%,比光谱+分形纹理分类显著提高13.43%和6.98%;随机森林分类结果优于相同特征下的支持向量机、最大似然分类。本文提取的猕猴桃果园面积与目视解译结果的相对误差小于7%。此外,利用本文方法对同期QuickBird影像另一研究区的苹果园分布进行提取,结果表明,该方法对苹果园提取有较好的适用性。     

基于GF-1/WFV与MODIS时空融合的森林覆盖定量提取

森林作为陆地生态系统的重要组成部分,因其巨大的碳储量和固碳能力而备受关注,利用高分1号卫星的NDVI数据(GF-1 NDVI)可实现森林覆盖的定量提取。然而,由于受阴雨天气、运行成本等因素的影响,难以形成GF-1 NDVI时间序列数据,无法满足森林覆盖高精度提取的需求,为此,以河南省嵩山部分地区为实验区,应用STAVFM算法融合GF-1/WFV NDVI与MODIS NDVI,生成8 d步长的GF-1/WFV NDVI时间序列数据,在此基础上,提取NDVI特征并与GF-1/WFV的光谱特征进行组合,最后,采用SVM分类方法实现研究区森林覆盖的定量提取。研究结果表明,利用STAVFM算法生成的GF-1/WFV NDVI时序数据效果理想,很好地解决了GF-1 NDVI时序数据的缺失问题,由其NDVI特征与GF-1/WFV光谱特征构成的组合能够实现森林覆盖的有效提取,基于SVM分类后的总体分类精度为94.72%,与未融入NDVI特征的GF-1/WFV原始影像的分类结果相比,提高了4.90个百分点。     

基于ALOS遥感数据纹理及纹理指数的柞树蓄积量估测

以北京市怀柔区柞树林为研究对象,通过计算ALOS卫星2.5 m分辨率融合影像在不同窗口下的纹理特征及衍生纹理指数,采用多元逐步回归模型建立柞树地面实测蓄积量与ALOS影像纹理特征及衍生纹理指数的相关关系,比较纹理特征及衍生纹理指数拟合柞树蓄积量模型的精度,筛选最优反演模型及最优纹理生成窗口。结果表明:同一纹理生成窗口下,基于衍生纹理指数的柞树蓄积量反演模型(R2adj=0.603、RMSE为19.899 4 m3/hm2)精度优于基于纹理特征的柞树蓄积量反演模型(R2adj=0.217、RMSE为27.943 8 m3/hm2);结合同一窗口的纹理特征及衍生纹理指数进行柞树蓄积量建模,精度可进一步提升(R2adj=0.747,RMSE为15.887 6 m3/hm2);基于所有窗口的纹理特征及衍生纹理指数建立多元逐步回归模型,可得到柞树蓄积量估测的最优模型(R2adj=0.807,RMSE为13.856 5 m3/hm2);11×11窗口为最优纹理生成窗口,其对应最优单窗口模型拟合优度为:R2adj=0.747,RMSE为15.887 6 m3/hm2。     

基于多时相GF1-WFV和GF3-FSⅡ极化特征的湿地分类

针对湿地季节性变化特点和不同湿地类型植被覆盖的差异,综合利用多时相GF1-WFV和GF3-FSⅡ极化特征数据,开展湿地精细分类方法研究。首先,对13期GF1-WFV影像的光谱信息、植被指数和水体指数,利用随机森林算法(Random forests,RF)的OOB样本,优选出50个特征值,进行湿地初分类;然后,针对分类结果中沼泽草地、灌丛沼泽和沼泽地混分,部分湿地类型识别精度低的问题,利用1期植被生长旺盛期的GF3-FSⅡ双极化SAR影像,从强度和幅度两个维度进行后向散射特征分析,优选σFD-HH进行部分湿地类型识别;最后,以吉林省大安市为研究区进行实例验证与分析,结果表明,湿地分类总体精度为86. 23%,Kappa系数为0. 82。本文研究结果可以为湿地资源调查和管理提供技术支撑。     

基于多时相无人机影像的高郁闭度森林采伐生物量估算

为准确估算森林采伐生物量实现森林碳汇的精准计量,针对采用单一时相可见光无人机影像估算高郁闭度森林采伐生物量较困难的问题,基于伐区采伐前后多时相可见光无人机影像,研究森林采伐生物量高精度的估算方法。以福建省闽侯白沙国有林场一个针叶林采伐小班为试验区,采集分辨率优于10 cm的采伐前后多时相可见光无人机影像,采用动态窗口局部最大值法得到高精度的采伐株数与单木树高信息,再基于采伐后无人机影像,运用YOLO v5方法检测并提取伐桩直径信息,根据胸径-伐桩直径模型来估算采伐木胸径信息,再利用树高和胸径二元生物量公式估算采伐生物量,以实测数据进行验证。根据动态窗口局部最大值法获取株数与平均树高精度分别为96.35%、99.01%,运用YOLO v5方法对伐桩目标检测的总体精度为77.05%,根据伐桩直径估算的平均胸径精度为90.14%,最后得到森林采伐生物量精度为83.08%,结果表明这一新方法具备较大的应用潜力。采用采伐前后多时相无人机可见光遥感,可实现森林采伐生物量的有效估算,有助于降低人工调查成本,为政府及有关部门进行碳汇精准计量提供有效的技术支持。     

基于RF算法优选多时相特征的冬小麦空间分布自动解译

为探讨如何利用遥感影像自动解译技术,实现冬小麦种植情况统计调查、提高提取精度,选择冬小麦关键生育期6个时相的高分二号遥感影像数据,分别从6个时相的近红外灰度(NIR)、红波段灰度(R)、绿波段灰度(G)、蓝波段灰度(B)、比值植被指数(RVI)、归一化植被指数(NDVI) 6个特征中优选出对冬小麦面积提取最敏感的1个特征作为输入变量,每个时相选择1个特征,6个时相共选出6个特征作为输入变量,利用随机森林算法构建模型,提取冬小麦空间分布特征。选择研究区不同长势、不同种植品种的地块样本构建训练集,利用多时相特征构建模型,并将模型推广应用于整个大厂回族自治县,得到大厂回族自治县冬小麦的空间分布情况。通过与统计结果对比分析,经过多时相特征优选构建的模型对冬小麦的识别精度接近90%。经过样本优化和后期处理仍可提升精度,此方法能在保证提取精度的前提下对冬小麦进行快速提取,提高相应的工作效率。     

基于高分一号卫星数据的冬小麦叶片SPAD值遥感估算

以陕西省关中地区冬小麦不同生育期冠层高光谱反射率为数据源,模拟国产高分辨率卫星高分一号(GF-1)的光谱反射率,提取18种对叶绿素敏感的宽波段光谱指数,构建了基于遥感光谱指数的冬小麦叶片叶绿素相对含量(SPAD)遥感监测模型,并利用返青期的GF-1卫星数据对研究区的冬小麦叶片SPAD值进行了估算和验证。结果表明:返青期、孕穗期和全生育期SPAD值均与TGI指数相关性最高,相关系数分别为-0.742、-0.740和-0.483。拔节期和灌浆期SPAD值分别与SIPI指数和GNDVI指数相关性最高,相关系数分别为0.788和0.745。GNDVI、GRVI和TGI植被指数在各个生育期都和冬小麦叶片SPAD含量在0.01水平下呈显著相关。基于此3类植被指数构建的冬小麦叶片SPAD值回归模型精度较高,其中基于随机森林回归算法的估算模型效果最优,各类模型均在冬小麦拔节期的预测效果最佳。GF-1号卫星数据结合SPAD-RFR模型对研究区冬小麦叶片SPAD的估算结果最为理想,可用于大面积空间尺度的冬小麦叶片SPAD值遥感监测。     

基于光谱和纹理信息空间尺度优化的夏玉米冠层EWT反演模型

针对空间异质性导致的冠层等效水厚度(Equivalent water thickness, EWT)反演误差较大的问题,以4块长势差异较大的玉米田为研究对象,分别采集6个关键生育节点的EWT数据,同时利用无人机多光谱遥感技术获取田间的正射影像。以滑动窗口的方式提取遥感影像不同窗口空间尺寸(0.1m×0.1m~2.0m×2.0m)的光谱和纹理信息,经多重共线性检验后,应用主成分分析法(Principal component analysis,PCA)分别对光谱参数(Spectral parameters,S)、纹理参数(Texture parameters,T)及光谱与纹理组合参数(Spectral and texture parameters,S+T)进行降维,进而分别利用偏最小二乘法(Partial least squares,PLS)、随机森林(Random forest,RF)以及支持向量机(Support vector machine,SVM)构建EWT反演模型,而后利用Kruskal-Wallis检验模型的精度,并根据多重检验结果探讨最佳窗口尺寸的选择。结果表明：随着窗口空间尺度的逐渐增大,EWT反演模型的精度呈先增大后减小趋势;以S+T作为输入参数构建的模型精度显著优于S和T,引入纹理特征后,基于PLS、RF和SVM的模型最优窗口尺寸校正决定系数(Adjusted R-square,R2adj)分别增加0.16、0.05和0.12,相对均方根误差(Relative root mean square error,RRMSE)分别减小4.95%、1.17%和3.80%,表明纹理特征可以提高EWT模型反演精度;综合比较不同建模方法构建的9组模型,确定最优采样窗口空间尺寸为0.7m×0.7m(R2adj最高可达0.82,对应的RRMSE为16.57%)。该研究可为基于无人机多光谱影像分析的信息挖掘和EWT监测提供参考。     

基于熵值组合预测和多时相遥感的春玉米估产

利用基于熵值的组合预测方法构建高精度遥感估产模型,对黑龙江军川农场2007年和2008年春玉米的主要生育期多时相Landsat TM/ETM+影像数据分别建立单一时相的估产模型,通过信息熵赋予各个时相估产模型的权系数,构建组合估产模型,然后对组合估产模型和单一时相估产模型进行对比分析。结果表明:基于熵值的组合估产模型能够有效提高估产精度,与最佳的单时相遥感估产模型相比,2007年和2008年的组合估产模型的相关系数绝对值分别提高了0.137和0.121;根据组合估产模型的权系数大小,能够获得限制玉米产量的主要生态障碍因素和提高玉米产量的方法。因此,基于熵值组合预测和多时相遥感构建估产模型用于春玉米估产是有效、可行的。     

基于GF-1 WFV影像的作物面积提取方法研究

黑龙江省是我国粮食生产大省,及时有效地获取黑龙江省的农作物种植面积对后续研究的开展具有重要意义。以黑龙江省五九七农场为例,利用2014年8月30日GF-1卫星16 m空间分辨率影像,通过计算不同特征波段,构建了多特征水稻、玉米种植区识别方法。首先计算影像归一化差分植被指数（NDVI）,并将原影像进行主成分变换,以此为基础建立包含多特征的数据集。然后利用不同地物类型之间在各特征波段的差异,基于CART算法构建决策树,分别提取研究区内的水稻和玉米。精度评价结果表明,分类的总体精度达到96.15%,Kappa系数为0.94。水稻的制图精度为98.41%,用户精度为97.64%;玉米的制图精度为95.38%,用户精度为97.89%。其中总体精度和Kappa系数较最大似然法分类结果分别提高了5.28%和0.08。所提研究方法可为其他地区农作物高分数据作物类型制图提供借鉴。     

基于多源遥感数据和随机森林的综合旱情指标构建

利用随机森林方法(Random forest,RF)集成多源遥感数据,构建一种多因子集成的旱情状态指数(Integrated drought condition index,IDCI-RF),利用该指数对我国北部区域旱情状态进行评估。首先基于相关性分析方法选取旱情因子,然后利用RF回归方法构建IDCI-RF指数,并通过与Cubist和Bagging方法对比检验RF算法的拟合效果,最后对IDCI-RF指数的空间旱情监测精度进行验证。试验结果表明,所提出的IDCI-RF与实测SPEI-3的平均决定系数R2为0. 54～0. 68,优于Cubist和Bagging方法; IDCI-RF指数在研究区各省份均能较好地拟合实测指数,R2均在0. 7以上;大部分站点的IDCI-RF变化规律与实测SPEI-3保持一致;由IDCI-RF监测图反映的研究区旱情状态与实测SPEI-3分布特征吻合度较高,表明IDCI-RF指数在实际大范围旱情监测中具有较大的应用潜力。     

基于随机森林回归的玉米单产估测

为了提高玉米单产估测精度,以河北省中部平原为研究区域,以条件植被温度指数(VTCI)和上包络线S-G滤波的叶面积指数(LAI)为特征变量,通过随机森林回归确定玉米主要生育时期VTCI和LAI的权重,构建加权VTCI和LAI与玉米单产的单变量和双变量估产模型。结果表明,基于随机森林回归的双变量估产模型精度最高(R~2=0. 303),达极显著水平(P 0. 001)。将随机森林回归双变量估产模型用于研究区域2012年各县(区)玉米单产估测,结果表明,53个县(区)玉米估测单产与实际单产的平均相对误差为9. 85%,均方根误差为824. 77 kg/hm~2,模型精度较高。基于随机森林回归双变量估产模型逐像素估测研究区域2010—2018年玉米单产,结果表明,玉米单产在空间上的分布特征为西部地区最高、北部和南部次之、东部地区最低,年际间的分布特征为在波动中呈先减少后增加的趋势。     

基于EnKF和随机森林回归的玉米单产估测

为了提高玉米的估产精度,以河北省中部平原为研究区域,采用CERES-Maize模型模拟2013—2018年8个典型样点玉米整个生育期的叶面积指数(LAI),将遥感反演的LAI与CERES-Maize模型模拟的LAI相结合,通过集合卡尔曼滤波(En KF)同化算法实现2013—2018年玉米主要生育时期旬尺度LAI的同化,运用随机森林回归法计算同化和未同化的LAI权重,进而建立玉米单产估测模型,对2015年53个县(区)的玉米进行单产估测和精度评价,并分析2013—2018年玉米的单产时空分布特征。结果表明,采用En KF算法对8个研究样点进行单点同化,同化LAI更符合玉米实际生长情况;将样点LAI同化值从单点尺度扩展到区域尺度,同化LAI图像减少了相邻像素间LAI陡升陡降的现象,其效果优于遥感反演的LAI;与未同化LAI构建的估测模型相比,应用同化的LAI所建的估测模型精度明显提高,R2提高了0.024 5;在2015年河北中部平原53个县(区)估产结果中,总体平均相对误差为12.11%,RMSE为371 kg/hm2,NRMSE为6.18%;河北中部平原玉米单产估测结果呈现个别年份波动、总体呈先减少后增加的年际变化特点,并呈现西部地区最高、北部和南部地区次之、东部地区最低的空间分布特征。     

制种玉米密度对土壤水分及产量构成的影响研究

通过田间试验,就制种玉米密度对土壤水分、农艺性状、产量构成及产量的影响进行了研究分析。结果表明:1在拔节期以前,低密组的土壤含水量比高密组的高;在拔节期到灌浆期,高密组的比低密组的高。在整个生育期,拔节期前土壤含水量比较高,而后逐渐降低,吐丝期达到最低,然后又逐步上升。2在一定密度范围内,制种玉米株高、亩产量随着密度的增大而增加单株产量产量相反;叶长、穗粗、穗粒数先随着密度的增大而减小,后随着密度的增大而增大;叶宽、穗长、百粒重、出籽率先随着密度的增大而增加,后随着密度的增大而减小;叶面积、茎粗、穗位先随着密度的增大而减小,后随着密度的增大而增加,然后又随着密度的增大而减小,秃顶变化规律相反。     

基于无人机遥感的玉米水分利用效率与生物量监测

玉米生物量及水分利用效率是反映作物长势和作物品质的重要指标。为实现农业精准管理,本文以不同水分处理的青贮玉米为研究对象,探讨无人机多光谱遥感平台结合作物生长模型估测青贮玉米生物量及水分利用效率的可行性。首先,将基于高时空分辨率无人机多光谱图像估测的关键作物参数蒸腾系数k_t输入到简单的水分效率模型中,来拟合不同水分胁迫处理下玉米水分利用效率WUE和标准化水分利用效率WP*;然后,采用拟合的WUE、WP*估算相同水分和不同水分状况下的玉米生物量,并进行验证;基于高时空分辨的无人机多光谱遥感图像获取了大田尺度上的WUE、WP*和生物量的空间分布图。结果表明,基于无人机多光谱、气象和土壤水分数据计算的实际蒸腾量∑T_c,adj和∑k_tk_swk_st(k_sw、k₉st)为环境胁迫因子)与玉米生物量具有极显著(P <0.001)的相关性,不同水分处理下WUE的决定系数R²均不小于0.92,WP*的R²...