基于高分辨率影像的河套灌区乡镇尺度作物种植面积监测北大核心CSCD

【目的】有效、精确地获取乡镇尺度农作物种植面积信息。【方法】利用高精度遥感影像信息,采用最大似然法进行地物分类,对研究区主要农作物种植面积进行了估算,并通过地面抽样调查信息作为辅助参量进行了精度评价。【结果】采用高精度遥感图像结合最大似然法可以有效、精确地提取乡镇尺度农作物种植面积,玉米和葵花的用户精度均高于91%,在遥感影像受天气影响较小的2013年和2015年,各用户精度达到95%左右,Kappa系数达到0.94。研究区玉米的种植面积逐年扩大,而葵花的种植面积逐年缩小。同时由于农田改造,使得非种植区的面积有一定程度的减少。【结论】高分辨率卫星图像能帮助农民和政府低成本地估算农作物种植面积,进而调整耕地,优化种植结构。     

基于高分辨率影像的河套灌区乡镇尺度作物种植面积监测

【目的】有效、精确地获取乡镇尺度农作物种植面积信息。【方法】利用高精度遥感影像信息,采用最大似然法进行地物分类,对研究区主要农作物种植面积进行了估算,并通过地面抽样调查信息作为辅助参量进行了精度评价。【结果】采用高精度遥感图像结合最大似然法可以有效、精确地提取乡镇尺度农作物种植面积,玉米和葵花的用户精度均高于91%,在遥感影像受天气影响较小的2013年和2015年,各用户精度达到95%左右,Kappa系数达到0.94。研究区玉米的种植面积逐年扩大,而葵花的种植面积逐年缩小。同时由于农田改造,使得非种植区的面积有一定程度的减少。【结论】高分辨率卫星图像能帮助农民和政府低成本地估算农作物种植面积,进而调整耕地,优化种植结构。     

基于Sentinel-2的青铜峡灌区春小麦和苜蓿早期识别

【目的】基于决策树分类算法对青铜峡灌区春小麦和苜蓿进行早期识别。【方法】在实地调研的基础上,结合Sentinel-2遥感影像,构建能够不断融入遥感数据的决策树分类算法,对青铜峡灌区春小麦和苜蓿进行早期识别。【结果】4月上旬,由于春小麦和苜蓿生长特征较为相似,春小麦和苜蓿的总体分类精度分别为69%和75%。此后,随着观测数据的不断融入,分类精度逐步提升,5月14日二者的分类精度即可达到90%以上。5月31日利用全部5期卫星影像数据时,春小麦的总体精度可达到94%,Kappa系数为0.75,苜蓿的总体精度可达到97%,Kappa为0.86。2023年青铜峡灌区春小麦种植面积为24 000 hm²,苜蓿种植面积为2 000 hm²。其中,春小麦种植结构较为复杂,既存在集中连片的大规模种植,也存在大量面积较小的碎片化种植带。【结论】基于Sentinel-2遥感数据的决策树分类方法,可在4月上旬获取初步分类结果,在5月中旬苜蓿第1次收割之前对青铜峡灌区春小麦和苜蓿进行较为准确的识别。     

“三条红线”约束下的种植结构多目标优化模型研究

【目的】通过调整种植结构,达到水资源利用与配置更加合理化,以有限的水资源促进当地农业可持续发展。【方法】根据玛纳斯县农业结构种植特点,建立了基于遗传算法的多目标作物种植结构优化模型,并结合"三条红线"相关指标,运用MATLAB软件进行求解,提出了2020、2030年玛纳斯县主要农作物种植结构优化方案。【结果】现状年小麦种植面积可以维持现状,适当增加玉米、葵花和甜菜的种植面积,减少棉花种植面积,优化后灌溉节水量为137.01万m3,2020、2030年优先增加玉米和葵花的种植面积,当种植面积一定时,随着灌溉水利用系数的提高,可以增加棉花的种植面积。【结论】通过种植结构的调整,可以在兼顾经济、社会和节水效益的基础上缓解农业用水供需矛盾。     

基于遥感的沙壕渠控制区作物种植结构与空间分布研究

河套灌区作物种植分类是在河套灌区进行灌溉农业研究的基础,但是仅利用遥感影像提取作物种植结构及种植面积时其精度远远不够,往往难以满足农业遥感在应用上的需求。通常多利用多元影像融合、多时相遥感影像以及遥感影像结合地面采样点来进行作物分类,以提高分类精度。本文以河套灌区内部的沙壕渠控制区为试验区,采用TM遥感影像,以实际地面采样点作为感兴趣区创建训练样本,利用最大似然法进行分类,成功提取了小麦、玉米、葵花及其他作物的种植结构及种植面积,分类总体精度达到了85.87%,Kappa系数为0.769 6。     

基于决策树和混合像元分解的玉米种植面积提取方法

Landsat 8影像具有较高空间分辨率和时间分辨率,长时间序列Landsat 8-NDVI曲线反映农作物的物候历、种植模式和种植结构信息,是精确提取玉米种植面积的理想数据源。基于时序Landsat 8-NDVI影像提取玉米种植面积的方法中,决策树方法快速、高效,可通过多阈值限定进行分类,但由于混合像元问题,如果阈值设置过宽,提取面积偏大;阈值设置过窄,提取面积偏小;混合像元分解通过计算端元组分丰度可以排除异质地类干扰。因此,以时序NDVI为数据源、耦合使用2种算法是精确提取作物种植面积的有效方法。本研究基于时序Landsat 8-NDVI,提取河北省保定市大田玉米的种植面积。首先,分析典型作物区的NDVI曲线特征,并构建决策树从而初步提取早播夏玉米、小麦夏玉米和春玉米的分布范围。然后,根据端元平均NDVI波谱曲线,进行3种玉米混合度分解,进而根据玉米丰度比例精确提取玉米种植面积。精度评价结果表明:利用本方法提取的玉米种植区总分类精度在98%以上,Kappa系数在0.97以上;所提取的玉米种植类型主要是夏玉米,春玉米种植主要集中在涿州市中部,这与实地调查结果一致。上述定量和定性的评价结果表明该方法可用于快速、精确提取玉米种植面积。     

基于作物水分胁迫指数的表层土壤含水率遥感估算

【目的】探究作物水分胁迫指数(CWSI)与表层土壤含水率的空间分布特征,并分析不同下垫面(葵花、夏玉米、春小麦和甜椒)表层土壤含水率的遥感估算精度。【方法】利用MOD16A2遥感数据和气象数据,结合Penman-Monteith(P-M)模型,基于CWSI反演河套灌区解放闸灌域表层土壤含水率,并对不同下垫面的表层土壤含水率进行验证。【结果】CWSI的空间分布与表层土壤含水率相反,CWSI大的区域,表层土壤含水率小;春小麦下垫面遥感估算的表层土壤含水率效果较好,决定系数(R²)为0.748,其次为葵花,R²为0.357;灌溉次数较多的夏玉米和甜椒的表层土壤含水率估算精度较差,可见基于CWSI的表层土壤含水率遥感估算方法对土壤干旱较为敏感。【结论】基于CWSI的表层土壤含水率遥感估算方法更适用于灌水较少且耐旱作物下垫面的表层土壤含水率估算。     

基于时序植被指数的县域作物遥感分类方法研究

准确地获取农作物种植面积信息是农业管理部门及时掌握农作物生产信息的基础。基于时序植被指数的作物遥感分类方法,可以充分发挥遥感技术周期短、速度快和宏观性强的特点,克服单时相遥感数据的“同物异谱”和“异物同谱”导致的混分问题。以河北省曲周县作物遥感分类为例,在研究待分类作物的最佳NDVI阈值区间的基础上,探讨了基于时序植被指数的农作物分类知识规则建立方法。分类结果显示研究区2014年各类作物的种植面积分别为：冬小麦27 776.61 hm 2、夏玉米27 776.61 hm 2、春玉米2 582.73 hm 2、棉花6 485.94 hm 2、谷子 277.65 hm 2。 用总体分类精度、Kappa系数和统计数据对分类精度进行了验证,总体分类精度为89.166 7%,Kappa系数为0.857 4,与统计数据的相对误差分别为冬小麦-0.80%、夏玉米-0.32%、春玉米-3.15%、棉花-2.71%、谷子4.12%。研究结果表明该方法可为县域农作物种植面积遥感调查提供技术依据。     

基于Sentinel-2破碎化地块灌区作物种植结构的提取

【目的】探究基于Sentinel-2遥感影像的决策树分类模型提取破碎化地块灌区作物种植结构的适用性。【方法】选取新疆阿拉沟灌区为研究区,以2021年覆盖作物全生育期的Sentinel-2遥感影像为数据源,结合田间调查和Google高清影像目视解译采样,基于主要作物物候信息、NDVI时序特征等分析确定作物识别的关键期阈值,构建决策树模型进行灌区主要作物分类,并对分类结果精度验证。【结果】基于Sentinel-2提取的灌区种植结构分布图地块纹理清晰,能够满足灌区用水管理需要;构建的决策树分类模型可在灌区尺度实现作物分类,方法简便易行,总体精度达到81.56%,Kappa系数为0.716 6。【结论】采用Sentinel-2遥感影像和决策树分类方法识别破碎化地块灌区复杂作物分类是可行的,可为灌区输配水决策和农业用水精细化管理提供基础信息。     

基于水足迹的河套灌区多目标种植结构优化调整与评价

针对黄河水量逐年减少和农业面源污染日趋严重等因素导致内蒙古河套灌区农业用水短缺、生态环境不断恶化的问题,本文将水足迹概念（蓝水足迹、绿水足迹、灰水足迹）引入多目标优化模型和多目标决策评价模型,对灌区有限的水资源进行合理配置。以河套灌区为例,本文选取小麦、玉米、葵花、瓜类、番茄5种典型作物,从经济、社会、资源以及生态4个角度对作物的种植结构进行优化,并耦合模糊层次分析和TOPSIS法对多种优化方案（多目标优化方案、单目标优化方案、现状情景方案）进行评估优选。结果表明,在保障粮食作物产量的基本需求下,减少粮食作物小麦、玉米的种植面积,增加经济作物葵花、番茄和瓜类的种植面积,可以达到增加经济收入、保证社会公平性、提高水资源利用效率及减少粮食生产过程中给环境带来负面效应的目的。并且,评价结果表明多目标优化方案兼顾经济、社会、资源和生态多方面,优化结果优于单目标优化结果和现状情景。研究可为河套灌区及类似地区作物种植结构调整提供相应的理论依据和决策支持,助力灌区可持续发展。     

改进粒子群算法在农业种植结构优化中的应用

【目的】促进地区农业水资源高效利用,在保证粮食安全的基础上,降低灌溉需水量,推动农业节水、提高产量和效益。【方法】以安阳市为例,以经济、社会、生态和水资源效益最大为综合目标,引入惯性权重衰减和粒子变异策略,建立了基于改进粒子群算法的多目标农业种植结构优化模型。【结果】通过对现状水平年2018年、规划水平年2025年(近期)、2035年(远期)的种植结构调整,在结合现状缺水程度下,压减耗水量大的小麦、玉米等粮食作物种植比例,增加油料、蔬菜及食用菌等经济作物种植比例,经济、社会、生态、水资源目标的综合效益分别提升13.59%、10.90%、9.82%;同时,在满足农作物全生育期需水量的情况下,缺水率分别缩减9.02%、9.56%、9.95%,在一定程度上缓解了农业水资源供需矛盾。【结论】改进粒子群算法使种植结构得到平衡优化,在提高综合效益及产量的同时能够降低灌溉需水量。     

2000—2014年中国粮食主产区植被水分利用效率时空演变特征研究

【目的】实现在气候变化背景下对粮食产区农业水资源的优化配置和水分的高效利用。【方法】利用Python、ArcGIS软件和MODIS遥感估算的MOD17和MOD16数据产品,研究了中国粮食主产区(东北、内蒙古、华北、南部)2000—2014年植被生态系统水分利用效率(water use efficiency,WUE)的时空分布规律。【结果】①年WUE(以碳计,下同)整体呈上升趋势,增速为0.013 g/(mm·m2·a)(P<0.01),2个转折点分别出现在2003、2010年;②年内WUE的变化主要呈M型的双峰模式,峰值出现在4—5月、9—10月,而季节尺度上WUE的变化具有显著差异;③不同时间尺度的WUE空间分布上具有明显的异质性;④2000—2014年来全区年WUE整体呈上升趋势,其中呈上升趋势的面积占84.01%,但上升幅度以轻度、中度为主;⑤各季WUE整体呈上升趋势,但是不同季节WUE发生上升的区域位置、面积和显著性的大小都不同。【结论】在气候变化背景下,2000—2014年中国粮食主产区植被生态系统WUE呈上升趋势,且年内呈M型的双峰结构,季节和空间尺度上的分布具有显著差异。     

基于SEBAL模型的土默特右旗腾发量研究

【目的】评价SEBAL模型在估算内蒙古包头市土默特右旗腾发量时的适用性。【方法】基于2015年作物生育期内的Landsat8遥感影像,建立SEBAL模型,估算腾发量,利用FAO Penman-Monteith公式与水量平衡法估算得到腾发量进行了验证及评价,并采用多元逐步回归方法对其影响因素进行了分析。【结果】日腾发量的分布具有明显的空间差异性,呈现出"山峰型"变化趋势。SEBAL模型腾发量估算值与水量平衡法估算值相比,相对误差的平均值为6.053%;Penman-Monteith公式计算得到的日腾发量与水量平衡法估算值相差7.682%,都在10%以内,达到了精度要求,且SEBAL模型估算腾发量的精度高于Penman-Monteith公式。日腾发量与NDVI和地表温度相关性显著,由二者建立了最优的多元逐步回归方程。【结论】在缺乏数据的情况下,利用SEBAL模型可以较为准确地估算出土右旗的腾发量,且NDVI和地表温度对其的影响较大。     

覆膜与水分控制对宁夏设施滴灌番茄产量与品质的影响

【目的】探索宁夏设施滴灌番茄覆膜的效果和适宜的灌溉制度,为宁夏地区设施滴灌番茄节水高产种植提供理论依据。【方法】通过2 a试验,在覆膜(M)与不覆膜(NM)条件下,设定4种水分控制水平,灌水频率为7~10 d,W1、W2和W3处理的灌水上限分别为100%FC(田间持水率)、80%FC和70%FC,以当地灌水量为对照(CK,灌水上限为123%FC),研究了覆膜和水分控制对设施滴灌番茄生长、产量、品质与水分生产效率的影响。【结果】番茄株高和茎粗在苗期―开花坐果期生长迅速,受覆膜处理影响显著(P<0.01),受水分控制影响不显著(P>0.05)。随着灌水量的增加,番茄产量先增加后降低,W2M处理的产量和水分生产效率均为最大值,分别为89844.88 kg/hm2和502.5 kg/(hm²·mm),相比覆膜CK分别增加21.4%和63.7%。相比于不覆膜处理,覆膜番茄产量平均增加18.1%,差异达到显著水平(P<0.05),其还原性维生素C和可溶性固形物量分别提高28.9%和22.8%(P<0.05)。覆膜和水分控制均对番茄还原性维生素C量、可溶性固形物和可溶性总糖量的影响达到显著水平(P<0.01),覆膜处理还对可滴定酸量和糖酸比的影响达到显著水平(P<0.05)。【结论】对于宁夏设施滴灌番茄,采用覆膜栽培与80%FC的灌水上限可以获得较高产量和较好品质。     

1990—2015年内蒙古地表水时空变化特征研究

【目的】分析1990—2015年内蒙古地表水的时空变化,探究气候和人类活动对地表水的影响。【方法】基于4个典型子区域对6种光谱指数(MNDWI、NDWI、AWEI、MBWI、WI₂₀₁₅和TCW)的性能和稳定性进行评估,分析适合于内蒙古地表水识别和提取的最优水体指数,并将其应用于整个内蒙古地表水研究中。【结果】1990—2015年内蒙古地表水整体呈先减少后增加的趋势,1990—2010年内蒙古地表水面积急剧下降,2010—2015年研究区地表水面积有所上升和恢复。1990—2015年除兴安盟、呼和浩特、乌海呈缓慢增加趋势,其他的9个盟市水体面积均下降。AWEI水体指数阈值稳定,有很好的试用性,更适合于研究区的地表水识别和监测。【结论】影响研究区地表水变化因素复杂多样,整体来看内蒙古地表水面积变化是由于气候和人类活动的双重因素所致,其中人类活动是地表水面积减少、湖泊萎缩的主要影响因素。     

黄河流域农业系统水资源价值及其空间分布研究

【目的】分析黄河流域农业系统水资源空间分布特征。【方法】以黄河流域为研究对象,通过能值理论与方法、空间自相关分析法及空间滞后回归模型,研究了农业系统水资源价值空间分布特征及其主要影响因素。【结果】①农业系统水资源价值介于4.01～6.10元/m~3,流域中下游价值较高;②农业系统水资源价值全局莫兰(Moran)指数为0.277 2,呈空间正向自相关特征;主要以高值集聚型(H-H)聚集在流域中下游;③农业系统水资源价值空间变化的主要影响因素为GDP、海拔、用水量。【结论】以价值引导水资源分配,增加流域中下游农业用水有助于提高流域整体水资源农业生产效益。     

不同氮肥对不同种植方式稻田径流氮流失与氨挥发的影响

【目的】减少稻田氮径流流失和氨挥发。【方法】设置当地常规施肥(FFP)、缓控肥与尿素配施(CRF)、海藻多糖氮肥替代(HTN)及不施氮对照(CK)共4个氮肥管理措施,观察不同种植方式(机插稻、直播稻)下稻田径流水中氮的流失量及氨挥发特征。【结果】直播稻稻田径流氮素损失以铵态氮(NH4⁺-N)为主,播种前排水导致的氮素径流流失占总氮径流损失量的52%左右;不同氮肥方案下径流氮总流失量呈现为FFP处理>HTN处理>CRF处理,机插稻、直播稻全生育期氨挥发损失量、损失率和氨挥发强度也有同样趋势;与FFP处理相比,CRF处理和HTN处理的机插稻全生育期氨挥发损失率分别降低了12.5%和4.3%,氨挥发强度分别降低了43.1%和17.8%,直播稻氨挥发损失率分别降低了23.2%和12.2%,氨挥发强度分别降低了53.3%和26.8%;与FFP相比,在CRF、HTN处理下机插稻分别增产9.31%和4.70%,直播稻分别增产9.25%和4.91%。【结论】在水稻全生育期内,直播稻的氨挥发通量、损失率和氨挥发强度均大于机插稻,在施肥总量控制和磷、钾肥施用相同的情况下,选择适当种类的氮肥进行基肥、分蘖肥合理配施,既能减少氮素田间损失、提高氮素利用率,还可以增加水稻产量。     

盐分对季节性冻融土壤蒸发的影响试验及数值模拟研究

[目的]探究盐分对季节性冻融土壤蒸发的影响规律.[方法]在内蒙古河套灌区开展了B1和B2二组不同含盐量下(B1:7.80 g/kg;B2:41.16 g/kg)的野外土柱蒸发试验,建立了考虑盐分影响(该影响由盐分阻抗和土壤表面阻抗体现)的冻融土壤蒸发数值模拟模型.采用土柱试验结果对模型进行了率定验证,并与SHAW模型进...     

鲜食甜玉米需水规律及节水灌溉制度研究

[目的]研究鲜食甜玉米需水量、需水规律及节水灌溉制度,指导其科学合理灌溉.[方法]连续开展2 a鲜食甜玉米田间灌溉试验,以群众高产种植经验为试验处理,在试验小区内安装智墒和云智能气象站采集土壤墒情、气象数据.分析了甜玉米全生育期土壤水分动态变化规律;计算了甜玉米逐日需水量和作物系数,分析了其需水量规律;针对实际灌溉中存...     

低温弱光对典型大棚作物生长影响的试验研究

【目的】分析低温弱光逆境典型大棚作物(辣椒、茄子、黄瓜)生长发育的影响及不同作物对低温弱光逆境响应程度。【方法】对典型大棚作物黄瓜、茄子及辣椒控制不同的光照和温度,观测其株高、茎粗、作物叶面积以及叶绿素质量浓度。【结果】作物对逆境的响应主要表现为生长被抑制与外形差异上,作物的株高、茎粗增长量均有降低,逆境处理时间越长,抑制作用越明显,辣椒的茎粗增长量受抑制的程度明显大于茄子。随着处理时间的延长,茄子与黄瓜的叶面积增长量降低,而辣椒叶面积增长量降低较少。在0～5 d叶绿素质量浓度比对照显著降低;随处理时间延长,作物对逆环境的适应,叶绿素质量浓度基本维持稳定。【结论】低温弱光下作物的株高、茎粗增长量降低,不同作物生长量受低温弱光的抑制程度不同;作物叶片中叶绿素的质量浓度前期显著降低后逐步趋于稳定。