作物产量预测的遥感方法
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如何利用遥感测绘技术进行农作物监测与评估遥感测绘技术在农作物监测与评估中的应用遥感测绘技术是通过获取地面上的电磁辐射能量,进行图像捕获和数字处理的一种技术。
它可以帮助我们了解和监测农作物生长状况、评估土地质量和预测农作物产量等。
本文将探讨如何利用遥感测绘技术进行农作物监测与评估,以及其在农业发展中的重要作用。
遥感技术与农作物监测通过航空遥感和卫星遥感技术,我们可以获取大范围的农田信息。
利用遥感图像和数字图层,我们可以对农作物进行分类和识别,了解其生长状态、结构和分布情况。
这些图像和数据可以帮助乡村规划者、农业专家和农民制定农业管理策略,提高农作物生产效益。
通过遥感技术获取的图像,可以通过图像处理软件进行分类和监测。
利用遥感图像的不同波长段反射率的差异,可以对不同类型的农作物进行识别和分类。
例如,我们可以通过比较植被指数(如NDVI)来判断农田中不同作物的状况,了解其生长是否健康,是否受到病虫害的侵害。
这些信息对于农民来说至关重要,可以帮助他们及时采取措施保护农作物的健康生长。
遥感技术与农作物评估除了监测农作物的生长状况外,遥感技术还可以用于评估农田土壤质量、作物产量和水分利用效率等因素。
通过获取与农田土壤相关的图像和数据,我们可以了解土壤质地、散射率、含水量等信息,从而判断土壤质量的好坏。
利用这些信息,农民可以根据土壤特点,合理调整施肥、灌溉和种植方案,提高农作物产量和减少资源浪费。
遥感技术还可以通过监测农田和作物的生长周期内水分利用情况,进行农作物水分管理和节水利用。
通过分析遥感图像和数据,可以获取农田土壤含水量、植被水分蒸发量等信息,以及农田土壤水分胁迫状况。
这些信息可以帮助农民合理安排灌溉周期和用水量,减少水资源的浪费,提高农作物的水分利用效率。
遥感技术与农业发展的重要作用遥感技术在农作物监测与评估中发挥着重要的作用,对农业发展具有巨大的潜力。
首先,遥感技术可以帮助农民、农业专家和政府监测和评估农田情况,及时掌握农作物状况,预测产量和需求,从而制定科学的农业管理和规划策略。
农作物单产遥感估算模型研究进展随着科技的不断发展,遥感技术已经成为农作物单产估算的一种重要手段。
农作物单产遥感估算模型的研究进展,对于提高农业生产效率、优化资源配置以及指导农业生产具有重要意义。
本文将对农作物单产遥感估算模型进行概述,综述其研究现状,并探讨未来的发展方向。
农作物单产遥感估算模型在国内外学者的不断探索和研究下,已取得了一系列重要成果。
这些模型大致可以分为基于统计模型、机器学习模型和混合模型三类。
其中,统计模型利用地块级产量和遥感数据建立回归关系,机器学习模型则多采用神经网络、支持向量机(SVM)和支持向量回归(SVR)等方法进行预测。
混合模型则综合了统计模型和机器学习模型的优点,进一步提高了预测精度。
尽管农作物单产遥感估算模型已取得了显著成果,但仍存在一些问题和挑战。
由于遥感数据的时空分辨率较低,模型预测结果的准确性和精细化程度受到限制。
模型参数的确定和调整缺乏系统性的理论指导,导致预测结果存在一定的不确定性。
大多数模型仅考虑了单一的遥感数据源,如光学遥感或雷达遥感,而忽略了多种数据源的融合和互补性。
为了解决上述问题,本文将采用多源遥感数据融合的方法,充分利用不同类型数据的优势,提高模型的预测精度。
同时,将引入深度学习等先进的人工智能算法,构建更为精确的预测模型。
还将开展大量的实验验证,对比分析各种模型的优劣,为农业生产提供可靠的单产预测结果。
实验结果表明,基于多源遥感数据融合的深度学习模型在农作物单产遥感估算中具有较高的精度和稳定性。
相比传统模型,该模型能够更好地处理复杂的地形和气候条件,提高预测结果的精细化程度。
同时,该模型还具有较低的计算复杂度,能够满足大规模农作物单产预测的需求。
本文的研究成果对于推动农作物单产遥感估算模型的发展具有一定的参考价值。
然而,仍然存在一些未来研究方向值得探讨。
如何更好地利用高分辨率遥感数据进行农作物单产估算仍需进一步研究。
混合模型的构建和研究仍有很大的发展空间,可以通过融合更多类型的数据和采用更先进的算法来提高模型的预测精度和稳定性。
如何利用遥感技术进行农作物监测农作物是人类生活中不可或缺的一部分,而通过遥感技术进行农作物监测,对于提高农作物产量、优化农业生产具有重要意义。
遥感技术通过获取地面信息的无损手段,可以提供大范围、高分辨率的农田数据,帮助农民和农业专业人员更好地管理农作物。
本文将从遥感技术的原理、应用以及未来发展等方面,谈谈如何利用遥感技术进行农作物监测。
一、遥感技术的原理与应用遥感技术是指通过空中或卫星搭载的传感器采集地物辐射信息,并对所采集的数据进行分析和解释。
遥感技术的原理基于物质辐射特性的变化,通过电磁波与地球表面进行相互作用,进而获取地物信息。
遥感技术可以获取农作物的生长信息,如植被指数、叶面积指数等,从而辅助判断农作物的生长状态和健康状况。
遥感技术在农作物监测中的应用广泛,可以实现以下功能:1.作物面积估算:通过遥感影像分析,可以确定特定区域内农作物的面积,为农民按需种植提供数据依据。
2.作物受灾监测:利用遥感技术可以实时监测农作物受灾情况,如旱情、水稻低温冷害等,及时采取救灾措施。
3.农作物长势监测:通过遥感数据,可以实现对农作物生长速率、施肥状况等方面的监测,为农民提供农作物管理的科学依据。
4.病虫害监测:遥感技术可以探测农作物受到的病虫害威胁,提前预警并采取相应措施。
5.农田水资源监测:通过遥感技术,可以观测农田的湿润程度,为合理的灌溉和水资源管理提供支持。
二、遥感技术在农作物监测中的案例1.作物面积估算案例:通过卫星遥感技术,结合地理信息系统,可以准确估算大范围的农作物种植面积。
例如,利用遥感技术和GIS分析,中国农业科学院遥感应用研究所对全国范围内的主要农作物进行面积估算,为政府决策提供了精准的数据支持。
2.农作物受灾监测案例:在山西省的农作物受干旱影响时,通过卫星遥感技术,可以及时检测到受灾地区,为相关部门提供救灾支援的准确信息。
同时,结合气象数据和农作物遥感监测结果,可以对灾区进行一站式的监测和评估。
农业遥感内容及技术一、农业遥感内容农业遥感技术是集空间信息技术、计算机技术、数据库、网络技术于一体,通过地理信息系统技术和全球定位系统技术的支持,在农业资源调整、农作物种植结构、农作物估产、生态环境监测等方面进行全方位的数据管理。
数据分析和成果的生成与可视化输出,是目前一种较有效的对地观测技术和信息获取手段。
20多年来,遥感技术在农业部门的应用也越来越广泛,完成了大量的基础性工作,取得了很大的进展,在农业资源调查与动态监测、生物产量估计、农业灾害预报与灾后评估等方面取得了丰硕的成果。
农业遥感关键技术主要包括基于GIS 的农业机械导航定位技术、田块尺度农作物遥感动态监测技术、作物水分胁迫信息的遥感定量反演与同化技术、作物生长发育理化参量和农田信息遥感反演理论方法体系等。
二、农业遥感技术遥感是以航空摄影技术为基础,在20世纪60年代初发展起来的一门新兴技术。
开始为航空遥感,自1972年美国发射了第一颗陆地卫星后,这就标志着航天遥感时代的开始。
经过几十年的迅速发展,目前遥感技术已广泛应用于资源环境、水文、气象、地质地理等领域,成为一门实用的、先进的空间探测技术。
目前遥感技术在农业中的应用主要包括农业估产、资源调查、气象灾害预测和评估,以及生态环境监测。
1.农业估产我国农业遥感技术最早就是用于估产领域。
早在“六五”时期,我国就已经开始运用卫星技术尝试对局部农产品产量进行预估,在随后的发展中,中国气象局、中国科学院以及许多大学、研究所都对农业遥感估产技术起到了实践和创新推动作用。
2008年12月1日我国“遥感卫星4号”发射成功,其主要作用之一就是负责我国农作物的品质与产量监测数据的采集。
2.农业资源调查我国是一个资源大国,但是人均资源占有率却很低,特别是在耕地方面,由于缺乏保护意识,许多人着重于眼前利益,导致我国耕地数量和质量不断下降。
遥感技术的运用能使我们及时掌握大量的信息,这对我国农业资源的保护和管理起到了很大的作用。
农业生产中的遥感技术应用教程随着科技的快速发展,遥感技术在农业生产中的应用越来越广泛。
遥感技术通过对地表、大气和水体的遥感信息获取,可以为农业生产提供准确的数据和信息,帮助农民科学决策、增加农作物产量、改善环境等。
本文将结合实际案例,介绍农业生产中遥感技术的应用,并提供相关教程,以帮助农民更好地利用遥感技术进行农业生产。
一、遥感技术在农业生产中的优势1. 监测农作物生长情况:遥感技术可以通过获取多光谱、高分辨率的遥感影像,实时掌握农田的植被覆盖度、生长状态等信息。
农民可以根据这些信息,调整灌溉、施肥等措施,提高农作物的产量和质量。
2. 预测病虫害发生:通过遥感技术获取农田影像,可以精准地识别农作物受病虫害侵袭的区域。
农民可以根据这些信息,有针对性地采取措施,减少病虫害对农作物的破坏,提高农作物的品质和产量。
3. 监测土壤水分状况:遥感技术可以通过获取热红外遥感数据,实时监测农田的土壤水分状况。
农民可以根据这些信息,精确测定灌溉的时机和水量,避免水资源的浪费,提高灌溉效率。
4. 规划农田合理布局:遥感技术可以获取大范围的农田影像,帮助农民进行农田的合理规划和布局。
通过遥感技术分析,农民可以优化农田的利用效率,提高农作物的产量和农田的经济效益。
二、遥感技术在农业生产中的应用案例1. 农作物生长监测:农民可以借助遥感技术获取农田的高分辨率遥感影像,并利用专业的遥感软件进行图像处理和分析。
通过对地表反射率、植被指数等参数的计算和分析,农民能够及时了解农作物的生长情况,调整各类农业措施。
2. 病虫害监测与预警:农民可以利用遥感技术获取农田的多光谱遥感影像,通过进行监督分类等图像处理方法,识别不同类型植被的分布情况。
通过与历史数据对比,农民能够预测病虫害发生的可能性,及时采取防治措施。
3. 土壤水分监测与灌溉调控:农民可以利用遥感技术获取热红外遥感数据,通过分析地表温度、蒸散发等参数,了解农田的土壤水分状况。
不同生育期小麦冠层SPAD值无人机多光谱遥感估算一、引言在农业领域,小麦作为全球重要的粮食作物,其生长状况直接关系到粮食产量和品质。
而冠层SPAD值,即叶绿素相对含量,是评估小麦生长状况的重要指标之一。
传统的SPAD值测量方法主要依赖人工采样和实验室分析,不仅耗时耗力,而且难以实现大面积、快速的监测。
因此,寻求一种高效、准确的小麦冠层SPAD值监测方法具有重要意义。
近年来,随着无人机技术的快速发展,无人机多光谱遥感技术在农业领域的应用日益广泛。
该技术能够获取作物冠层的光谱信息,通过解析这些光谱信息,可以实现对作物生长状况的实时监测和评估。
因此,本文旨在利用无人机多光谱遥感技术,估算不同生育期小麦冠层SPAD值,以期为农业生产提供科学依据,推动精准农业的发展。
二、文献综述在国内外研究现状方面,无人机遥感技术在农业领域的应用已经取得了显著进展。
许多学者利用无人机搭载多光谱相机,获取作物冠层的光谱信息,进而构建生长监测模型,实现对作物生长状况的评估。
这些研究不仅证明了无人机多光谱遥感技术在作物生长监测中的可行性,而且为本文的研究提供了重要的理论和方法基础。
在相关理论基础方面,叶绿素相对含量(SPAD值)是反映植物叶绿素含量和光合能力的重要指标。
传统的SPAD值测量方法主要依赖叶绿素计进行点测量,难以实现大面积、快速的监测。
而无人机多光谱遥感技术可以通过获取作物冠层的光谱信息,实现对SPAD值的快速、大面积估算。
在无人机多光谱遥感技术方面,其原理是利用无人机搭载的多光谱相机,获取作物冠层在不同光谱波段下的反射率信息。
通过分析这些反射率信息,可以提取出与作物生长状况密切相关的光谱特征。
然后,利用统计学习或机器学习等方法,构建基于这些光谱特征的作物生长监测模型。
最终,通过模型估算出作物冠层的SPAD值等生长指标。
三、研究内容与方法在研究区域与数据获取方面,本文选择了具有代表性的小麦种植区作为研究区域。
考虑到不同生育期小麦冠层的光谱特性可能存在差异,因此在小麦生长的不同阶段进行了多次无人机飞行实验,以获取充足的多光谱遥感数据。
农作物产量统计方法农作物产量统计是指对农田中各种不同作物的产量进行调查和统计的过程。
它是农业生产管理和规划的重要基础,为政府决策提供可靠依据,同时也是农民掌握农田生产情况、制定合理种植方案的重要工具。
下面将介绍几种常用的农作物产量统计方法。
1.抽样调查法抽样调查法是一种广泛应用的统计方法。
在调查过程中,根据实际需要,将农田划分为不同的调查区域,并通过随机抽取的方式选择一定数量的样本进行调查。
对于每个样本,需要记录种植作物的种类、面积、产量等信息。
通过对样本数据的统计分析,可以推算出整个调查区域的作物产量。
2.直接调查法直接调查法是指对农田中每一块地逐一进行调查,记录作物的种类、面积、产量等信息。
这种方法需要投入大量的人力和物力,但可以获得较为准确的数据,适用于农田规模较小、分布散乱的情况。
3.统计报表法统计报表法是指通过搜集、整理和分析农业统计报表中的数据来获取作物产量信息。
这些报表通常由农民、农业技术人员或农业部门填写,含有作物种类、面积和产量等信息。
通过对这些报表的处理,可以得出各个作物的总产量和平均产量等数据。
4.遥感技术遥感技术是指通过卫星或无人机等远距离获取农田信息的方法。
通过遥感图像,可以较为准确地获取农田的面积、作物类型和生长情况。
结合地面调查数据,可以推算出农作物的产量。
遥感技术具有快速、高效、全面的优势,尤其适用于大范围的农作物产量统计。
以上是几种常用的农作物产量统计方法。
在实际应用中,可以根据调查区域的特点和需求选择合适的方法,综合运用多种方法以提高统计结果的准确性和可靠性。
农作物产量的统计工作对于农业发展、粮食安全和农民收入的管理具有重要意义,需要高度重视和有效实施。
遥感技术在作物生长监测与估产中的应用分析一、作物生长监测1.1 土地利用分类遥感技术通过获取大面积的影像数据,可以对土地进行分类,分辨出不同的植被类型和植被覆盖度。
这为农业生产提供了重要的信息支持,可以帮助农户了解土地资源的利用情况,有针对性地进行土地管理和作物种植。
以农田为例,利用遥感技术可以对农田进行分类,如水田、旱田、果园和菜地等。
通过这些分类信息,农户可以根据不同类型的农田,采取合适的种植措施,提高种植效率,降低生产成本。
1.2 生长状况监测遥感技术可以实现定期对作物生长情况的监测,通过获取植被指数和植被覆盖度等参数,可以了解作物的生长状况和生长趋势。
这为农户提供了科学的决策依据,可以及时调整农事活动,确保作物长势良好。
以小麦田为例,遥感技术可以监测小麦的生长情况,了解小麦的叶绿素含量、叶面积指数等参数,从而及时发现小麦生长中可能存在的问题,并采取相应的措施,保障小麦的产量和质量。
1.3 病虫害监测利用遥感技术可以对农田进行病虫害的监测,通过获取红外遥感图像,可以发现植被的异常变化,及时掌握农田的病虫害情况。
这为农户提供了快速精准的病虫害监测手段,可以帮助农户及时采取预防控制措施,减少病虫害带来的损失。
以水稻为例,利用遥感技术可以监测水稻的病虫害情况,了解水稻田的病虫害发生规律和分布情况,从而及时采取农业防治措施,减少病虫害对水稻产量和质量的影响。
二、作物估产2.1 作物生长参数提取遥感技术通过获取植被指数、地形特征等参数,可以提取作物生长的相关信息,如作物的面积、生长情况、生长趋势,为作物估产提供数据支持。
以玉米田为例,利用遥感技术可以提取玉米的生长参数,如玉米的叶面积指数、植被覆盖度等指标,根据这些数据可以对玉米的生长情况进行评估,为玉米的产量预测提供依据。
2.2 作物生长模型建立以大豆田为例,利用遥感技术和地理信息系统技术,可以建立大豆的生长模型,通过收集大豆的生长参数和环境因素,可以对大豆的生长情况进行预测,为大豆的产量估计提供依据。
遥感技术在作物生长监测与估产中的应用分析
遥感技术可以提供作物生长状况的监测。
通过获取作物生长期间的遥感影像数据,可
以实时观测并记录作物的生长情况。
利用遥感数据,可以对作物的冠层结构、生长情况、
叶面积指数等进行定量测量和分析,从而准确把握作物的生长态势和生长速度,及时发现
和解决作物生长过程中的问题。
遥感技术可以用于作物估产。
通过对作物生长过程的遥感监测数据进行分析,可以建
立作物生长模型,利用模型对作物产量进行估计。
遥感数据可以提供作物生长期间的多维
信息,包括气象因素、土壤条件、水分状况等影响作物产量的要素,通过分析这些因素与
作物产量之间的相关关系,可以准确预测作物的产量情况。
遥感技术在作物生长监测与估产中的应用也具有一定的局限性。
遥感技术获取到的数
据虽然全面且快速,但对于一些表观特征难以直接获取,比如农作物内部生长情况、产量
分布的不均匀性等。
遥感技术也受限于数据的精度和分辨率等因素,对于一些细微的变化
和小范围的信息无法准确捕捉和反映。
遥感技术在作物生长监测与估产中具有重要的应用价值。
通过遥感技术可以及时监测
作物的生长状况、预测作物的产量,为农业生产提供科学依据;同时可以实时监测农业灾害,提前预警和采取防控措施。
遥感技术在作物生长监测与估产中仍然存在一定的局限性,需要进一步完善和发展。
粮食产量的预测与决策支持粮食是人类的基本生活物资,而粮食产量的预测与决策支持对于国家粮食安全、农业发展和市场调控都具有重要意义。
然而,粮食产量的预测涉及到多个因素的综合考量和评估,同时还需要以科学的方式为决策者提供准确的支持。
本文将就粮食产量预测的方法和决策支持的关键措施进行探讨。
预测方法一、模型预测模型预测是粮食产量预测中常用的方法之一。
该方法基于历史数据和统计分析,建立了反映粮食产量与影响因素之间关系的模型。
通过对模型进行参数估计和误差修正,可以预测未来的粮食产量。
常用的模型有趋势模型、灰色模型和ARIMA模型等。
趋势模型是基于时间序列分析的方法,能够揭示粮食产量的长期趋势和周期性变化。
灰色模型则利用少量的数据,通过建立灰色微分方程来预测粮食产量。
ARIMA模型结合了时间序列的自回归和滑动平均分析,对粮食产量进行预测。
二、遥感技术遥感技术是粮食产量预测中一种新兴的方法。
它利用卫星遥感技术获取农作物的生长状态和农田的空间分布,从而推测粮食产量。
通过遥感图像的解译和数据分析,可以获取农田的植被指数、叶面积指数等参数,并结合气象数据和土壤质量等因素,建立相应的预测模型进行预测。
遥感技术具有操作灵活、数据更新快、覆盖范围广等优势,可以实现对大范围、长周期的粮食产量进行实时监测和预测。
同时,遥感技术还可以帮助监测病虫害、灾害等因素对粮食产量的影响,为决策者提供决策支持。
决策支持措施一、信息平台建设为了支持粮食产量的预测与决策,需要建设一个信息平台来集成、管理和分析各类数据。
这个信息平台应该包括气象数据、农业统计数据、遥感数据、粮食市场数据等多种数据源,利用数据挖掘和机器学习的方法,提取其中的关联规律,为决策者提供科学的参考和建议。
二、制定科学政策粮食产量的预测与决策支持是为了指导政府制定相关政策。
政府应该依据预测结果和市场需求,制定科学、合理的粮食生产政策和市场调控政策,促进粮食生产和农业发展。
同时,政府还应该加大对农业科技的投入,推广先进的农业技术和管理方法,提高农业生产的效率和质量,保障粮食产量的稳定增长。
高光谱遥感技术在作物生长监测与产量预测中的优势与限制高光谱遥感技术是一种应用于农业领域的先进技术,它通过获取作物植被的光谱反射信息,可以实时监测作物的生长状况并预测产量。
这种技术具有一定的优势,但同时也存在一些限制。
高光谱遥感技术的优势之一是可以提供更为详细的光谱信息。
传统的遥感技术只能获取红外和可见光波段的数据,而高光谱遥感技术则可以获取更多波段的信息,从而可以更准确地分析作物的光合作用活性以及养分和水分的状况。
通过分析这些数据,可以帮助农民调整作物的生长环境,提高产量。
其次,高光谱遥感技术还可以实现大规模的作物监测。
传统的农田监测需要耗费大量的时间和人力,而高光谱遥感技术可以通过无人机等设备快速而准确地获取农田的光谱信息。
这种技术可以覆盖广大的农田面积,减少了时间和人力成本,同时也提高了监测的精度和效率。
此外,高光谱遥感技术还可以帮助农民进行早期的作物病害和虫害监测。
通过对不同波段的光谱反射数据进行分析,可以识别出作物受到的病害和虫害,及时采取相应的防治措施。
这种技术的应用可以有效减少农药的使用量,降低生产成本,同时也对环境产生较小的负担。
然而,高光谱遥感技术也存在一些限制。
首先,高光谱遥感技术对设备和数据处理要求较高。
为了获取准确的光谱反射数据,需要使用专业的高光谱遥感设备,而这些设备的价格较高,不利于广泛推广和应用。
同时,对于大量的光谱数据,需要进行复杂的处理和分析,对技术人员的要求也较高。
此外,高光谱遥感技术在作物生长监测和产量预测方面还存在一定的误差。
虽然高光谱遥感技术可以提供更为详细的光谱信息,但作物生长和产量受到多种因素的影响,如土壤质量、气候条件等。
单一的遥感技术可能难以全面准确地评估这些因素对作物生长和产量的影响,因此在使用高光谱遥感技术进行作物生长监测和产量预测时,需要结合其他相关数据进行综合分析。
另外,高光谱遥感技术在不同地区和不同作物上的适用性也存在一定的差异。
由于不同地区和不同作物的光谱特征不同,所以高光谱遥感技术的应用效果也会有所不同。
如何使用无人机和遥感技术进行农作物监测无人机和遥感技术在农作物监测方面的应用近年来,随着科技的不断发展,无人机和遥感技术的应用越来越广泛。
在农业领域,无人机和遥感技术也被广泛运用于农作物监测。
本文将探讨如何利用无人机和遥感技术进行农作物监测,并分析其优点和挑战。
一、无人机在农作物监测中的应用1. 数据采集的高效性无人机可以搭载各种载荷,如高分辨率相机、多光谱遥感仪器等,用于获取农田的图像和数据。
相比传统的人工调查方法,无人机可以快速、高效地获取大量的农作物信息,从而为农作物的生产和管理提供重要依据。
2. 数据精度的提升由于无人机可飞越低空,其所拍摄的农田图像可以获得更高的分辨率,从而更准确地反映农作物的生长情况、病虫害情况以及施肥和灌溉的效果。
这些准确的数据有助于农业生产者更科学地调整农作物的管理措施,提高农作物的产量和质量。
3. 技术成本的降低相对于传统的航空遥感方法,无人机的价格和维护成本更低。
农业生产者可以通过自己购买或租赁无人机设备,将农作物监测的成本降到较低水平。
此外,无人机还可根据需求进行灵活的飞行轨迹规划,避免了传统遥感方法所带来的时间和经济上的浪费。
二、遥感技术在农作物监测中的应用1. 多光谱遥感多光谱遥感是指利用多个波段的光谱信息对农田进行观测和分析。
不同波段的光谱可以反映作物的不同特征,如叶绿素含量、土壤湿度等。
通过遥感数据的分析,农业生产者可以实时了解农田的状况,并及时采取相应的措施,以保证作物的生长和发展。
2. 热红外遥感热红外遥感技术可以通过测量农田的地表温度来评估农作物的健康状况和水分利用效率。
利用热红外遥感技术,农业生产者可以及时发现和处理农田中的水分胁迫和病虫害问题,避免作物产量的下降。
3. 水分遥感水分是作物生长和发展的重要因素之一。
利用遥感技术,农业生产者可以监测农田的土壤湿度、作物蒸腾等水分参数,从而及时调整灌溉措施,合理利用水资源,达到节水、增产的目的。
三、无人机和遥感技术的挑战和前景尽管无人机和遥感技术在农作物监测中有着巨大的潜力,但也面临一些挑战。
※农业科学 农业与技术 2019,Vol.39,No.16 作物产量预测的遥感方法洪 昕(江苏省徐州市铜山区农业技术推广中心,江苏徐州221000)
摘 要:粮食安全问题由于关系到国计民生而一直备受关注,粮食产量预测作为保证粮食安全的重要环节也同样不容忽视。长时间以来,很多研究者都针对此课题进行了广泛而深入的研究并取得了一定成果。遥感技术的快速发展为实现大规模的作物产量预测提供了快速、精确的方法。文章主要介绍了多源遥感数据融合技术、目前常用的遥感估产模型以及将遥感技术与作物生长模型同化进行作物产量预测的方法,并分析了遥感技术在作物产量预测上面临的问题,为遥感估产技术指出了未来的重点发展方向。关键词:遥感技术;产量预测;多源遥感数据融合;估产模型;同化中图分类号:S-03 文献标识码:A DOI:10.19754/j.nyyjs.20190830016
前言快速、精确的作物产量预测,对国家制定粮食政策,进行价格宏观调控,实现乡村经济的振兴以及粮食进出口贸易等都具有重要意义,也是我国研究者一直关注的重大课题。传统的对作物产量进行预测的方法主要有农学估产法、统计估产法以及气象统计法等,这些方法往往只适用于小面积估产。20世纪70年代以来,因为具有宏观、动态和快速等特点,遥感技术在农业生产上得到了广泛的应用,为农作物长势的监测以及籽粒产量的预测提供了有效的途径。遥感估产是在分析处理遥感影像的基础上,提取作物的种植面积、获取其空间分布信息、光谱信息、植被指数,研究作物光谱特征和产量构成要素间的相关性,结合地理信息系统GIS和全球定位系统GPS,建立不同条件下作物的估产模型,实现对作物产量的预测。常用的植被指数有:归一化植被指数NDVI、差值植被指数DVI、比值植被指数RVI等。其中,NDVI是应用最为广泛的指标,其与作物的叶面积指
数LAI相关性较好,在作物生长监测中常被用来反映作物的生长状况。近年来,农作物遥感估产的研究获得了较大的突破,主要体现在:从田间小面积的作物估产发展到宏观大面积的作物估产;从只利用单一遥感信息源发展到多种遥感信息源的综合利用;从单纯建立光谱参数与作物籽粒产量间的统计模型,发展到将作物生长发育的机理过程也考虑进去,使作物产量的预测精度不断提高。其中,遥感技术与作物生长模型的结合,是未来进行大面积农作物生长监测和产量预测的研究重
点和发展方向,而数据同化算法为二者的结合提供了有效手段。1 多源遥感数据的融合
多源遥感信息的融合是对同一地区的多个传感器的扫描影像进行综合,通过互补信息的有机集成,实现单一信息源对被感知对象或环境解释中可能存在的多义性、不完全性、不确定性及误差的控制,从而最大限度的利用各种信息源所提供的信息,使遥感技术在特征信息提取、分类等方面的有效性得到提高。如将NOAA/AVHRR(低空间分辨率遥感影像)和Landsat-TM(中空间分辨率遥感影像)结合来提取水
稻的种植面积,相比于农业统计数据,精度可以达到91.6%[1];王娣[2]
在武穴梅川镇实验区内开展基于
地面高光谱数据和无人机平台多光谱数据的水稻估产研究,发现利用主成分分析法获得的多平台综合估产模型与地面或无人机平台的最优模型相比,效果有一定提高。2 常见的作物遥感估产模型
作物遥感估产技术大体可分为3个步骤:通过分析遥感影像数据估算作物种植面积;通过分析遥感影像数据提取作物相应的植被指数,以进行作物长势状况的监测;构建植被指数和作物产量以及其它气象、农学参数等资料的单产估算模型,再经过进一步的计算得到总产。目前,常见的遥感估产模型有以下3种,其中以遥感为主要信息源的综合估产模型最受关注。
74 2019,Vol.39,No.16 农业与技术 ※农业科学2.1 植被指数与产量的统计模式及结合环境因子的统计模式 这种模式在早期主要是建立单个生育期的光谱指
数和产量间的直接统计回归模型,机理性较弱;于是,Rudorff等[3]和侯英雨等[4]考虑到积温和降雨等气象因子,建立起光谱-气象复合模型,在一定程度上提高了估产的精度。近年来,由于各地区基于MO-DIS的作物产量预测基本实现了业务化的运行,因此采用逐步回归的方法筛选构建的基于冬小麦关键生育期旬NDVI与最终产量间关系的模型应用较广泛。此外,Osborne等[5]通过地面高光谱技术对玉米的生物量和氮含量指标进行了监测,并基于此构建了各生育期光谱数据和最终籽粒产量间的关系模型。随着这些研究的深入,作物产量的预测方法也得到了更为深入的发展。2.2 产量构成要素预测模式这种模式主要通过研究产量形成的生物学机理,以找到影响产量形成的主要因子及其发生作用的关键时期,并由此建立遥感信息与产量构成因子之间关系的动态模型。如:薛利红等[6]通过研究水稻生长发育特征及其产量三要素形成过程的生物学机理,建立了水稻冠层光谱特征、产量构成因子以及产量之间的相关关系。侯新杰等[7]对棉花产量形成关键时期的高光谱特征参数和产量构成因子进行了相关分析,发现棉花产量构成因子中单位面积总铃数、单铃重与红边参数等均有较好的相关性。2.3 以遥感为主要信息源的综合估产模型近年来,大量以遥感技术为主并结合其它技术的新型综合估产模型不断涌现,如将遥感技术与作物生长模型相结合的估产模式。杨星卫等[8]、王人潮等[9]在水稻的遥感估产研究中融入作物生长模型,得到了比较理想的结果。Moriondo等[10]将卫星遥感反演的NDVI数据和CROPSYST模型模拟的NDVI数据相结合来预测小麦产量,模型模拟值与实测值间的相关系数达到了0.77~0.73。Dente等[11]通过将CERES-Wheat生长模型模拟的叶面积指数与遥感反演的叶面积指数同化以改善区域小麦单产的预测,实验效果较好。王航等[12]通过同化和更新策略相结合的新算法耦合遥感信息和水稻生长模型(RiceGrow),以实现更精准的水稻产量预测。张建华[13]通过将遥感技术和农业气象数值模拟技术结合的新思路进行作物估产,有效提高了遥感估产的精度。3 遥感技术与作物生长模型同化方法研究数据同化算法能够将遥感观测数据与作物生长模型进行有效地耦合,是大尺度作物产量预测领域的研究热点,根据其原理可以分为基于统计估计理论的顺序同化方法和基于最优控制的全局拟合法。此外,作物生长模型参数最优估计的方法,包括SCE-UA、SA和POWELL算法等,也常被用于作物生长模型和遥感数据的同化研究。3.1 顺序同化法
顺序同化法包括:最优插值、粒子滤波(Particlefilter,PF)、Kalman滤波系列、集合卡尔曼滤波
(EnsembleKalmanfilter,EnKF)等,其中EnKF算法
的应用最广泛。如:陈思宁等[14]应用EnKF算法将MODIS-LAI和WOFOST模型耦合来预测我国东北地
区玉米的产量,结果显示,经过同化算法处理后模型模拟的玉米产量精度比未同化的模拟产量精度显著提高。黄健熙等[15]利用EnKF算法来同化修正后的MODIS反演的叶面积指数和WOFOST模型模拟的叶
面积指数,使区域粮食产量的预测精度提高。3.2 全局拟合法
全局拟合法主要是指变分算法,包括了三维变分3DVAR算法及四维变分4DVAR算法等。其中,以
4DVAR算法的技术最为成熟,且应用较为广泛。如:
解毅等[16]基于4DVAR算法,通过同化冬小麦主要生育时期CERES-Wheat模型模拟的和Landsat数据反演的LAI来对关中平原冬小麦的单产进行预测,发现同化算法能够充分结合模型模拟LAI和遥感反演LAI各自的优势,从而使小麦估产精度提高。3.3 影响同化方法精度的因素
叶面积指数(LAI)可以指示作物截获太阳辐射能进行CO2同化及干物质积累的能力,是进行籽粒潜在产量评估的重要指标。目前很多同化估产研究通过同化遥感反演的LAI及作物生长模型模拟的LAI来预测区域作物的产量。除叶面积指数外,土壤水分、蒸散发(evapotranspiration,ET)、蒸发胁迫指数(ESI)和地上生物量等状态变量均和籽粒产量密切相关。因此,很多研究者采取同化多个与籽粒产量相关性较好的状态变量的方法来提高作物产量预测的精度。如:Huang等[17]
在基于SCE-UA算法的MODIS-LAI、
MODIS-ET和SWAP模型的同化研究中发现,同时同
化MODIS-LAI和MODIS-ET对于冬小麦单产预测的精度要高于仅同化MODIS-LAI或MODIS-ET的预测精度。然而,不同状态变量对产量预测的影响在作物的不同生长发育时期也是不同的。Anderson等[18]通过分析巴西2003—2013年间主要作物各生育期的ESI与预测产量之间的相关性,发现作物关键生育期的ESI
84※农业科学 农业与技术 2019,Vol.39,No.16 和最终产量间的相关性最大。Huang等[19]及Dente等[11]均对小麦不同生育时期的LAI对于产量估测的影响程度进行了评估,得出了相似结论,即抽穗期的LAI和小麦产量间的相关性最大,成熟期LAI和籽粒
产量间的相关性较低。因此,在作物的不同生育阶段选择同化与产量相关性较大的变量能够有效提高作物产量预测的精度。4 问题与展望
多源遥感数据的融合对增加作物生长监测及产量预测准确性具有重要意义,但在实际应用中仍然存在一些难题,如试验误差的控制。大气效应、数据源质量、预处理效果等均会造成遥感数据有一定误差;而试验研究中遥感图像光谱的获取、地面光谱测量和理化测试等过程也是误差的来源。因此多源遥感数据的融合势必造成误差的叠加及传播,下一步的研究重点应放在如何有效地进行误差估计和减小误差对监测精度的影响上。虽然将作物生长模型与遥感技术同化在作物产量预测上具有很大优势,但是由于作物模型在不同地区模拟,都需要当地的气象、土壤、作物的相关准确数据,从而保证模拟的结果准确可靠;而我国地域广阔,虽然为作物生长模型提供了非常大的应用空间,但是获取不同地点数据所耗的人力及物力也成为了其应用普及的阻碍。因此建议国家设立专门服务于这项技术的相关部门,为研究者提供准确的开放数据,以提高模型的适用性,同时也使其在农业资源的管理中发挥更大的作用。区域大尺度作物长势及产量预测研究日益受到重视,大尺度的数据同化意味着计算量的增大,数据同化的效率渐已成为学者关注的重要问题,因此对同化算法进行改进和完善,提高其运行速度,增加同化模型的实用性成为必然趋势。
参考文献[1]FANGHongliang,WUBingfang,LIUHaiyan,etal..UsingNO-AAAVHRRandLandsatTMtoestimatericeareayear-by-year[J].Int.j.remotesensing,1998,19(3):521-525.[2]王娣.高光谱与多光谱遥感水稻估产研究[D].武汉:武汉大学,2017:63.[3]RudorffBFT,BatistaGT.Spectralresponseofwheatanditsrela-tionshiptoagronomicvariablesinthetropicalregion[J].RemoteSensingofEnvironment,1990,31(1):53-63.[4]侯英雨,王石立.基于作物植被指数和温度的产量估算模型研究[J].地理学与国土研究,2002,18(3):105-107.