NDVI时序相似性对冬小麦种植面积总量控制的制图精度影响

遥感技术获取的区域作物面积与作物面积统计数据间常常存在不一致的问题,这在一定程度上影响了作物分布遥感制图信息的应用。为获得与作物面积统计数据一致的高精度作物分布遥感制图信息,该研究以河北省衡水市武邑县为研究区,以时序Sentinel-2遥感影像生成的归一化差值植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)为研究数据,将冬小麦面积目视解译数据作为遥感提取的区域冬小麦面积总量参考,提出基于复合型混合演化算法(Shuffled Complex Evolution-University of Arizona, SCE-UA)和区域作物种植面积总量控制的NDVI时序相似性阈值优化冬小麦分布制图方法,并进行精度验证。在此基础上,进一步开展不同生育阶段NDVI时序相似性及其相似性组合的冬小麦分布提取精度对比研究。结果表明,利用全生育期NDVI时序相似性获得的冬小麦分布制图结果总量精度达99.99%以上,总体精度达98.08%,Kappa系数为0.96,可以保证遥感提取的区域冬小麦面积与冬小麦种植面积总量控制参考间的高度一致性且能获得较高的作物遥感识别精度。从不同生育阶段NDVI时序相似性及其相似性组合的冬小麦分布提取结果可知,利用出苗期-分蘖期、返青期-拔节期的NDVI时序可获得高精度冬小麦分布提取结果,而利用抽穗期-成熟期的NDVI时序数据提取冬小麦结果则精度较低,且综合不同生育阶段NDVI时序数据有利于冬小麦制图精度的提高。该研究可为高精度冬小麦分布提取和制图技术及其方案优化提供一定参考依据,也可为遥感数据和作物面积统计数据融合的大范围农作物分布遥感制图及统计数据空间化提供一定技术方法参考和思路借鉴。     

基于HJ-1卫星影像的三大农作物估产最佳时相选择

对于农作物遥感估产,精确选择最佳估产时相是关键环节。该文利用中国自行研发的HJ-1卫星CCD影像对黑龙江八五二农场3大作物（水稻、玉米、大豆）进行遥感估产的最佳时相选择,通过构建小波变换滤波方法和移动平均法的时序NDVI曲线数据,并依据平滑后的时序NDVI曲线分别确定3大作物的遥感估产最佳时相。研究结果表明,从平滑后的时序NDVI曲线中识别出来的3大作物的关键生长期与当地作物的物候期相对比,水稻生长期拟合误差为-0.003356508,玉米生长期拟合误差为-0.001687117,大豆生长期拟合误差为-0     

基于MODISNDVI多年时序数据的农作物种植识别

为了获取陕西省农作物种植模式和类型分布信息,实现对于多年农作物长势分析及精确的估产和耕地生产力的估算,该文以2003-2012年的MOD09Q1时间序列遥感数据集为数据源,以陕西省主要农作物冬小麦、夏玉米、春玉米、水稻和油菜为研究对象,利用Savitzky-Golay滤波方法重建NDVI长时间序列数据集,充分利用农作物的物候信息,构建农作物年际间动态阈值方法,实现了农作物种植模式和类型的识别。通过对混合像元进行分解,更精确地提取农作物种植面积信息。利用空间和定量2种方式对农作物类型识别结果进行分析验证,空间对比分析得到分类的总体精度和Kappa系数为88.18%和59.64%,定量对比分析得到分类的总体一致性为87.56%。研究结果表明,结合物候信息与时间序列数据利用该文的分类方法可以有效的识别大尺度农作物信息。     

基于LAI时间序列重构数据的冬小麦物候监测

农作物物候信息对农作物长势监测和估产具有重要意义。该文以河北省中南部冬小麦为研究对象,以叶面积指数(LAI,leaf area index)为同化量,采用重采样粒子滤波算法同化WOFOST(world food studies)作物生长模型和遥感观测LAI,重构LAI时间序列数据,基于重构数据提取冬小麦返青期、抽穗期和成熟期等关键物候期。重构结果表明,重构的LAI具有良好的时间连续性和空间连续性,可减缓WOFOST作物模型LAI变化剧烈程度,峰值出现时间与遥感LAI曲线基本同步,且可一定程度上解决遥感观测LAI数值整体偏低和数据缺失的问题。物候期监测结果表明,在空间分布上与冬小麦实际生长状况基本相符,时间上也较为合理,但因在返青期存在LAI高初始值、成熟期存在LAI下限不确定性等问题致使在具体日期存在偏差。     

基于合成孔径雷达的农作物识别研究进展

精准识别农作物对于及时准确估计农作物种植面积、产量等关键农情信息具有重要意义。合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）以其不受云雨天气影响,可全天时、全天候监测等优点已被广泛应用于农情遥感监测领域,为大区域尺度的农作物遥感识别提供了强有力的数据保障和技术支持。该文以雷达技术的发展进程为论述主线,对20余年来国内外农作物SAR识别研究与实践应用的新进展进行了系统总结,具体归纳为4个方面：早期研究（20世纪80年代末－2002年）,特征是以单波段、单极化、多时相SAR数据为主;基于多极化、多波段SAR数据进行农作物识别与面积监测研究;利用SAR与光学遥感相结合提高农作物的识别精度与效率研究;农作物SAR分类算法研究。在今后农作物SAR识别研究中,对于复杂种植结构背景下的旱地作物识别,如何优化组合SAR系统工作参数（极化方式、频率及入射角等）及与光学遥感融合来提高农作物识别精度与时效性,发展机理性的农作物SAR分类算法将是需要重点解决的3个问题。     

基于时间序列叶面积指数傅里叶变换的作物种植区域提取

为了获取不同农作物的空间分布信息,以华北平原黄河以北地区为研究区域,利用Savitzky-Golay滤波对2014—2016年的时间序列叶面积指数(leaf area index,LAI)进行重构,进而应用一阶差分法和重构LAI的傅里叶变换的谐波特征对研究区域主要农作物冬小麦、玉米和棉花种植区域进行识别和提取,并对不同作物的识别精度进行验证。结果表明,基于Savitzky-Golay滤波重构的LAI能够去除由云、大气等因素造成的LAI骤降的影响,重构LAI曲线平滑且符合作物的生长规律特征。研究区域2014—2016年作物识别的总体精度均大于80.00%,2015年达到87.08%,冬小麦-夏玉米、春玉米、棉花和单季夏玉米的识别精度分别为92.50%、80.00%、85.00%和82.50%,表明利用一阶差分法能够准确提取研究区域一年一季和一年两季作物种植区域。结合傅里叶变换方法和作物物候信息能够有效地识别不同作物的种植区域,进而获取研究区域主要农作物的分布信息。该研究可为研究区域主要作物的长势监测及产量估测预测提供参考。     

时-空-谱融合自动纯化生成样本的农作物遥感分类

准确及时地获取农作物种植面积是粮食估产的重要基础,对稳定市场和粮食安全至关重要。随着卫星遥感技术的发展和农作物识别算法的成熟,遥感在农业领域得到了广泛深入的应用,但农作物自动化识别普遍受到缺乏足够代表性训练样本数据的制约。该研究提出了一种多阶段样本纯化策略,综合考虑时间、空间、光谱和物候信息,基于历史作物空间分布图和当季遥感影像自动生成高质量的训练样本,以支持农作物的自动化识别。利用谷歌地球引擎（google earth engine,GEE）云平台及Sentinel-2数据,采用随机森林算法对浙江省两地区的水稻进行自动化识别。研究结果表明,该方法能够利用历史专题数据和当季遥感影像生成最新且充足的训练样本,样本点精度高达98.5%。样本点数量和影像特征对分类结果影响的定量分析结果表明,作物识别的精度超过96%,Kappa系数超过0.93。此外,所提算法对含有误差的历史分类数据表现出较好的鲁棒性。研究结果可为区域级农作物识别提供一种可靠的样本自动化生成方法,在大尺度自动化作物制图中具有广泛的应用潜力。     

基于低空无人机遥感的冬小麦覆盖度变化监测

无人机遥感作为卫星遥感的有益补充,具有高时效、高分辨率、低成本、低损耗、低风险及可重复等优点。为了利用无人机遥感系统进行快速机动地监测大面积农作物覆盖度变化,更好地服务和指导农业生产,该文设计了一套以低空无人直升机为平台的多光谱载荷观测系统,并以冬小麦为研究对象,对冬小麦生长过程中的5个主要生育期进行监测,提出一种从时间序列影像的植被指数直方图曲线中获取植被指数阈值的方法,并利用植被指数阈值法提取研究区域内冬小麦覆盖度时序变化曲线,分析了空间尺度对提取植被覆盖度的影响。研究结果表明,利用低空无人机遥感监测冬小麦覆盖度变化的方法可行,分析结果可靠,在大面积农作物覆盖度的测量有很好的应用前景。     

基于MODIS数据和模糊ARTMAP的冬小麦遥感识别方法

针对国家级农情遥感监测与信息服务系统对农作物遥感识别的需求,利用Terra/MODIS数据相对于NOAA/AVHRR数据具有的高光谱和中等空间分辨率的优势,以中国华北地区冬小麦识别为例,采用多时相和波谱分析方法,选取合适波段,构造特征植被指数,建立模糊ARTMAP影像分类模型进行大尺度农作物识别,实现农作物遥感自动识别.用Landsat TM进行局部抽样验证,结果精度可达到85.9%.研究表明,仅利用MODIS自身光谱信息,即可实现作物遥感全覆盖自动识别,并可达到较高精度,与传统方法认为冬小麦遥感识别的最佳时间为处于返青期的3月份相比,在时间上可提前约一个季度,因此可以确实地为农业决策部门提供信息服务.     

基于多源遥感数据融合和LSTM算法的作物分类研究

准确、及时地获取农作物的空间分布信息,对于指导农业生产、制定农业政策具有重要意义。为了检验长短时记忆网络(long short-term memory,LSTM)算法在基于时序遥感数据进行作物分类中的优势,该文以临汾盆地为研究区域,利用Savitzky-Golay滤波对MODIS NDVI进行平滑处理,并采用ESTARFM(enhanced spatial and temporal adaptive reflectance fusion model)算法对滤波后的MODIS NDVI和Landsat NDVI进行融合,生成空间分辨率为30 m、时间分辨率为8天的时序NDVI。基于Landsat NDVI利用LSTM算法进行作物分类,同时,基于融合NDVI分别利用LSTM算法和神经网络(neuralnetwork,NN)算法进行作物分类,并对比3种方法的分类精度。结果表明,Savitzky-Golay滤波后的时序MODISNDVI能够反映不同作物的物候特征;基于融合NDVI的分类精度明显高于基于LandsatNDVI的分类精度,表明融合后的时序NDVI由于具有更高的时间分辨率,能够更加突出不同作物的物候特征,显著提高作物分类精度;基于融合NDVI和LSTM算法的分类精度高于基于融合NDVI和NN算法的分类精度,前者的冬小麦面积估测精度高于后者的估测精度,表明LSTM算法的分类精度高于NN算法。该文可为基于遥感影像进行不同作物种植区域提取的研究提供重要的方法参考。     

基于时空滤波Sentinel-1时序数据的田块尺度岭南作物分布提取

为解决岭南地区作物制图中光学影像时空覆盖缺失以及作物种植结构复杂导致不确定性高等问题,以满足对高精度作物制图日益迫切的应用需求。该研究提出了一种基于Sentinel-1的双极化时间序列和作物物候信息建立时空维度典型物候特征的作物分类方法,选择广州市南沙区为试验区,通过XGBoost机器学习算法,实现了田块尺度下的不同作物类型的准确识别及种植面积的精细提取。结果表明：1）相比像素时序特征分类结果,经过雷达时空滤波后的田块时序特征分类方法不仅能有效抑制合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）影像斑点噪声产生,而且总体分类精度和Kappa系数分别提高了12.5个百分点、0.19;2）与仅基于Sentinel-1(VV+VH)时空滤波后的全年时序特征分类方法相比,在分类过程中添加物候特征变量的方法表现出更高的精度,Kappa系数可达0.91,甘蔗和香蕉播种面积提取精度分别达到82.04%和71.01%。研究结果表明中高分辨率SAR影像（10 m×10 m）时间序列结合XGBoost算法和雷达数据时空滤波策略可实现区域作物准确识别及种植面积提取,同时,可从数据源与分类方法上为岭南地区农业遥感应用提供思路,对该地区农业灾害管理和灾后救助具有重要参考价值。     

基于MODIS植被指数时间谱的华北平原土地覆盖分类

中分辨率成像光谱仪(MODIS)已在全球资源环境监测中发挥了重要作用，但是它的低分辨率成为提高分类精度的阻碍。利用MODIS的高时间分辨率弥补其低空间分辨率的不足，设计分类器改善分类精度。利用2003年23个时相的MODIS_EVI图像，构建华北平原植被指数图像时间立方体。在谐波分析去噪标准化基础上，从EVI时间谱上提取5个表征物候差异的特征向量，结合表征地气交互作用差异的地表温度(LST)信息及表征地表固有的空间分异特征的坡度信息，建立分类二叉树进行土地覆盖分类。结果表明，与2000年TM分类结果的总体一致性为75.5%，Kappa系数为0.68。而NASA USGS基于MODIS分类精度为66.0051%，Kappa系数为0.3209。进一步与2003年耕地面积的官方统计资料的比较表明，该文的估算误差为34.0507 khm²，而NASA USGS的估算误差高达66.1205 khm²。研究表明利用高时间分辨率的MODIS植被指数时间序列获得较高精度的土地覆盖分类结果是可能的。     

太湖流域1995－2010年耕地复种指数时空变化遥感分析

为了重建太湖流域1995-2010年耕地复种指数时空变化过程,结合1995年NOAA-AVHRR的旬NDVI数据、2000-2010年250m16d合成的MODIS-NDVI数据和4期土地利用数据,利用傅里叶变换技术的HANTS方法重建农作物生长NDVI曲线,结合差分算法提取各时相复种指数。结果表明:太湖流域1995-2010年复种指数时空格局呈现以一年两熟为主,但一年一熟比例呈持续增长趋势,复种指数局部格局变化主要集中分布在上海市和浙江省;太湖流域复种指数呈北高南低的空间格局,1995-2010年总体呈较明显的下降趋势,从1995年189.4%持续下降到2010年167.3%,降幅从大到小依次为浙江省、上海市和江苏省;基于遥感和HANTS方法提取太湖流域复种指数在栅格尺度上精度达94.6%;受计算范畴差异及遥感数据空间分辨率影响,在县市行政区划单元尺度上,遥感方法与统计数据计算的复种指数平均误差约15.8%～21.6%。研究结果可为太湖流域农业政策制定及管理提供科学依据。     

基于时间序列环境卫星影像的作物分类识别

环境星影像具有较高的时间和空间分辨率,利用其时序遥感数据进行作物信息提取优势明显。该文以黑龙江垦区友谊农场作物为研究对象,利用2010年6月至9月共10景HJ-CCD数据进行作物种植分类信息提取。首先,通过SPLINE算法对云影响区域插值去噪,重构时间序列影像数据;其次,通过分析试验区主要作物的光谱和植被指数时序变化特征,构建基于决策树分层分类的主要作物遥感分类模型,成功提取了黑龙江友谊农场大豆、玉米和水稻的种植信息,分类总体精度达到96.33%。同时,将分类结果同基于时间序列植被指数影像的支持向量机和最大似然法分类结果相比较,结果表明,决策树分类效果最好,支持向量机次之,最大似然分类较差。研究表明,通过去云处理后构建的时间序列HJ卫星遥感影像,结合作物的光谱和典型植被指数时序变化特征,借助于决策树分类方法能够有效提高黑龙江垦区主要种植作物分类的准确性和精度。     

Spatial and temporal changes of multiple cropping index in 1995-2010 in Taihu Lake basin, China

为了重建太湖流域1995－2010年耕地复种指数时空变化过程,结合1995年NOAA-AVHRR的旬NDVI数据、2000－2010年250 m 16 d合成的MODIS-NDVI数据和4期土地利用数据,利用傅里叶变换技术的HANTS方法重建农作物生长NDVI曲线,结合差分算法提取各时相复种指数。结果表明：太湖流域1995－2010年复种指数时空格局呈现以一年两熟为主,但一年一熟比例呈持续增长趋势,复种指数局部格局变化主要集中分布在上海市和浙江省;太湖流域复种指数呈北高南低的空间格局,1995－2010年总体呈较明显的下降趋势,从1995年189.4%持续下降到2010年167.3%,降幅从大到小依次为浙江省、上海市和江苏省;基于遥感和HANTS方法提取太湖流域复种指数在栅格尺度上精度达94.6%;受计算范畴差异及遥感数据空间分辨率影响,在县市行政区划单元尺度上,遥感方法与统计数据计算的复种指数平均误差约15.8%～21.6%。研究结果可为太湖流域农业政策制定及管理提供科学依据。     

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     

基于历史时序植被指数库的多源数据作物面积自动提取方法

针对目前作物提取工作中难以综合应用多源遥感数据进行自动分类的现状,该文以新疆博乐市为试验区,使用多年MODIS数据建立各类作物历史参考时序植被指数曲线库。对TM和环境星数据共同构成的当年时序数据通过植被指数转换、曲线相似性比较,并结合区分不同作物的关键时相,在长时期种植制度变化不大的区域,自动提取作物种植面积。结果表明:该方法使用多源(环境星+TM)中高分辨率遥感数据构建的时序植被指数提取作物的总体精度可达到90%以上;与传统的监督分类方法相比,省去了人工采集训练区的步骤,实现了作物种植面积的自动提取。     

基于异源多时相遥感数据提取灌区作物种植结构

用遥感技术提取灌区作物种植结构需要源影像具有适宜的时空分辨率以适应其动态变化特征。该文综合运用多种遥感影像数据,将Landsat ETM+与MODIS NDVI数据融合区分灌区土地利用类型,由融合后的时间系列数据非监督分类结果提取植被指数变化信息,结合作物系数变化规律运用光谱耦合技术提取作物种植结构。根据该方法将漳河灌区作物种植结构区分为水稻—油菜、水稻—小麦、单季夏季作物以及双季经济作物。由地面统计数据和高分辨率IKONOS影像进行了检验,分类精度达到91%并且与统计数据相吻合。结果表明该法不仅能提供更为准确的灌区作物种植结构时空信息,而且节省影像购买成本,方便灌区尺度遥感应用。     

基于作物生长模型和遥感数据同化的区域玉米产量估算

为了将遥感观测到的玉米生长期间作物冠层方向反射波谱的时间序列变化信息用于区域玉米产量估算,该文将时间序列中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)数据和高空间分辨率LandsatTM遥感观测数据相结合,以叶面积指数(LAI)作为耦合作物生长模型(crop environment resource synthesis-Maize,CERES-Maize)和植被冠层反射率模型(scattering by arbitrarily inclined leaves,SAIL)的关键参数,提出了将耦合模型与时间序列遥感观测数据同化进行区域玉米产量估算的方案。该文选择吉林省榆树市为研究区,采用MODIS和LandsatTM2种尺度数据集,利用SCE-UA(shuffled complex evolution method developed at the University of Arizona)算法分别进行玉米产量同化估产研究,得到玉米单产空间分布的估计结果,结合遥感估算的种植面积求算榆树市玉米总产量。结果表明,与玉米统计总产量相比,2007、2008和2009年遥感数据同化估算的总产量误差分别为9.15%、14.99%和8.97%;与仅利用CERES-Maize模型模拟得到的产量误差相比,3a间遥感估算总产量的误差分别减小了7.49%、1.21%和5.23%,且采用MODIS和TM遥感数据估算的玉米产量表现了其空间差异性。利用榆树市3a间玉米产量的明显差异,分析了时序遥感数据对作物长势和产量变化信息的表达能力,同年份内时序归一化差值植被指数越大,对应的玉米产量越高;年际间遥感观测反射率的差异通过数据同化方法能够反映年际间玉米产量差的变化。该文提出的玉米估产方案为将来进一步结合多源遥感数据、植被冠层反射率模型与作物生长模型进行区域玉米估产研究提供了参考。