農(nóng)業(yè)信息技術(shù)：第7章 農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)（3-4）

第三節(jié)

農(nóng)業(yè)遙感方法一、地面遙感試驗(yàn)研究1.地面遙感具有成本低，精度高，方便靈活，適用性強(qiáng)，可用數(shù)據(jù)多等特點(diǎn)。

地面遙感傳感器主要有普通相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、攝影經(jīng)緯儀、ASDFieldSpecProFRTM光譜儀等光譜輻射計(jì)等攝影儀ASDFieldSpecpro

手持便攜式高光譜輻射儀MSR－16便攜式多光譜輻射儀Cropscan

2.地物波譜測(cè)量的作用其一，傳感器波段選擇、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)的依據(jù)；其二，建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的關(guān)系；其三，將地物光譜數(shù)據(jù)直接與地物特征進(jìn)行相關(guān)分析并建立應(yīng)用模型。3.地物光譜的測(cè)量方法

⑴樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

常用分光光度計(jì)，儀器由微機(jī)控制，測(cè)量數(shù)據(jù)也直接傳給計(jì)算機(jī)。

⑵野外測(cè)量

1）垂直測(cè)量

2）非垂直測(cè)量二、空間遙感數(shù)據(jù)處理方法1.空間遙感信息源空間遙感信息的獲取主要有兩類，一類是航空相片；另一類是各種衛(wèi)星影像資料。（1）NOAA／AVHRR資料；（2）Landsat/MSS和TM資料

（3）SPOT/HRV資料（4）Radarsat/SAR資料2.數(shù)字圖像的校正（1）遙感影像變形的原因

1)遙感平臺(tái)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的影響

2)地形起伏的影響

3)地球表面曲率的影響

4)大氣折射的影響

5)地球自轉(zhuǎn)的影響（2）輻射校正Vc為校準(zhǔn)后的輸出輻射值；Vr為未校正的輸出輻射值；bs（n）為濾波增益，取決于傳感器響應(yīng)因素；as（n）為濾波偏移值，取決于傳感器系統(tǒng)大氣干擾；k為太陽角校正系統(tǒng)，在此為常數(shù)。（3）大氣校正所謂大氣校正就是指消除主要由大氣散射引起的輻射誤差的處理過程。方法主要有回歸分析法、直方圖法和公式計(jì)算法?；貧w分析法在不受大氣影響的波段（如TM5）和待校正的某一波段圖象中，選擇由最亮到最暗的一系列目標(biāo)，將每一目標(biāo)的兩個(gè)待比較的波段灰度值提取出來進(jìn)行回歸分析。如TM1波段和TM5波段進(jìn)行比較。a1TM1TM5xyX為TM5波段的亮度均值；y為TM1波段的亮度均值；

T1，T5表示TM1與TM5波段灰度值，T1’為TM1波段校正后的灰度值，對(duì)于任一波段其校正值ai是第i波段回歸分析的截距。直方圖校正法灰度值亮度值％a1如果影像范圍內(nèi)存在灰度值為0的地物，其灰度直方圖往往從原點(diǎn)開始，而其他波段灰度直方圖離原點(diǎn)有一定距離，這段距離稱為灰度直方圖漂移值。（4）幾何糾正

在用幾何糾正法處理遙感影象信息時(shí)，常用的幾種具體的基本空間變換有：①平移變換；②以y軸為對(duì)稱軸的變換；③以x軸為對(duì)稱軸的變換；④以原點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)的變換；⑤縮小變換；⑥放大變換；⑦旋轉(zhuǎn)變換。幾何校正的原理一是像元坐標(biāo)變換；二是像元灰度值重新計(jì)算像元坐標(biāo)變換首先要確定原始圖象和糾正后圖象之間的坐標(biāo)關(guān)系。有直接法和間接法兩種。直接法是從原始圖象陣列出發(fā)，依次對(duì)其中每一個(gè)像元分別計(jì)算其在輸出（糾正后）圖象的坐標(biāo)。間接法是從空白圖象陣列出發(fā)，依次計(jì)算每個(gè)像元P（x，y）在原始圖象中的位置，然后把該點(diǎn)的灰度值返送給P（x，y）。數(shù)字圖象灰度值的重采樣有三種方法：最近鄰法

用距離投影點(diǎn)最近像元灰度值代替輸出像元灰度值。雙線性內(nèi)插法

考慮周圍4個(gè)相鄰像元灰度值，并根據(jù)各自權(quán)重計(jì)算輸出像元灰度值。di表示鄰近點(diǎn)到投影點(diǎn)的距離（5）圖像放大在圖像處理系統(tǒng)中，一幅圖象的放大是通過像元灰度值的內(nèi)插來實(shí)現(xiàn)的。雙三次卷積法

該法是取與投影點(diǎn)鄰近的16個(gè)像元灰度值計(jì)算輸出像元灰度值。而象元灰度值的內(nèi)插目前包括三種方法：即平移重復(fù)內(nèi)插、雙線性內(nèi)插和樣條插值內(nèi)插。第一種是平移重復(fù)內(nèi)插；它是通過重復(fù)象元的灰度值來實(shí)現(xiàn)放大的。第二種為雙線性內(nèi)插

3.數(shù)字圖像增強(qiáng)當(dāng)一幅圖像的目視效果不太好，或者有用的信息突出不夠時(shí)，就需要作圖像增強(qiáng)處理。

（1）對(duì)比度變換

是一種通過改變圖像像元的亮度值來改變圖像像元對(duì)比度，從而改善圖像質(zhì)量的圖像處理方法。因?yàn)榱炼戎凳禽椛鋸?qiáng)度的反映，所以也稱之為輻射增強(qiáng)。常用的方法有對(duì)比度線性變換和非線性變換。

⑵空間濾波

空間濾波則是以重點(diǎn)突出圖像上的某些特征為目的的，如突出邊緣或紋理等。

⑶彩色變換

單波段彩色變換

單波段黑白遙感圖像可按亮度分層，對(duì)每層賦予不同的色彩，使之成為一幅彩色圖像。這種方法又叫密度分割，即按圖像的密度進(jìn)行分層，每一層所包含的亮度值范圍可以不同。

多波段色彩變換

根據(jù)加色法彩色合成原理，選擇遙感影像的某三個(gè)波段，分別賦予紅、綠、藍(lán)三種原色，就可以合成彩色影像。

HLS路變換

HLS代表色調(diào)，明度和飽和度(Hue，Lightness，Saturation)的色彩模式，這種模式可以用近似的顏色立體來定量化。⑷圖象運(yùn)算

實(shí)際應(yīng)用中常采用差值運(yùn)算和比值運(yùn)算兩種方法。

差值運(yùn)算就是兩幅同樣行、列數(shù)的圖像，對(duì)應(yīng)像元的亮度值相減。反映了同一地物光譜反射率之間的差。比值運(yùn)算就是兩幅同樣行、列數(shù)的圖像，對(duì)應(yīng)像元的亮度值相除。比值運(yùn)算可以檢測(cè)波段的斜率信息并加以擴(kuò)展，以突出不同波段間地物光譜的差異，提高對(duì)比度。

多光譜變換方法可通過函數(shù)變換，達(dá)到保留主要信息，降低數(shù)據(jù)量；增強(qiáng)或提取有用信息的目的。常采用K—L變換，又被稱作主成分變換；以及K—T變換4.多源信息復(fù)合

多種信息源的復(fù)合是將多種遙感平臺(tái)，多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)之間以及遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)之間的信息組合匹配的技術(shù)。

⑸多光譜變換

5.遙感數(shù)字圖像的計(jì)算機(jī)分類⑴監(jiān)督分類方法

首先需要從研究區(qū)域選取有代表性的訓(xùn)練場(chǎng)地作為樣本。根據(jù)已知訓(xùn)練區(qū)提供的樣本，通過選擇特征參數(shù)(如像素亮度均值、方差等)，建立判別函數(shù)，據(jù)此對(duì)樣本像元進(jìn)行分類，依據(jù)樣本類別的特征來識(shí)別非樣本像元的歸屬類別。⑵非監(jiān)督分類方法前提是假定遙感影像上同類物體在同樣條件下具有相同的光諾信息特征，是在沒有先驗(yàn)類別(訓(xùn)練場(chǎng)地)作為樣本的條件下，即事先不知道類別特征，主要根據(jù)像元間相似度的大小進(jìn)行歸類合并(將相似度大的像元?dú)w為一類)的方法。遙感數(shù)字圖像計(jì)算機(jī)分類基本過程如下：1)先明確遙感圖像分類的目的及其需要解決的問題。2)根據(jù)研究區(qū)域，收集與分析地面參考信息與有關(guān)數(shù)據(jù)。3)選擇合適的圖像分類方法和算法。4)找出代表這些類別的統(tǒng)計(jì)特征。5)為了測(cè)定總體特征，在監(jiān)督分類中可選擇具有代表性的訓(xùn)練場(chǎng)地進(jìn)行采樣，測(cè)定其特征。在無監(jiān)督分類中，可用聚類等方法對(duì)特征相似的像素進(jìn)行歸類，測(cè)定其特征。6)對(duì)遙感圖像中各像素進(jìn)行分類。7)分類精度檢查。8)對(duì)判別分析的結(jié)果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

⑶監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類方法比較監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類的根本區(qū)別點(diǎn)在于是否利用訓(xùn)練場(chǎng)地來獲取先驗(yàn)的類別知識(shí)，監(jiān)督分類根據(jù)訓(xùn)練場(chǎng)提供的樣本選擇特征參數(shù)，建立判別函數(shù)，對(duì)待分類點(diǎn)進(jìn)行分類。非監(jiān)督分類不需要更多的先驗(yàn)知識(shí)，它根據(jù)地物的光譜統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分類。因此，非監(jiān)督分類方法簡(jiǎn)單，且分類具有一定的精度。（三）植被指數(shù)模型

植被指數(shù)是指由多光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)線性和非線性組合構(gòu)成的對(duì)植被有一定指示意義的各種數(shù)值。植物光譜中紅波段和近紅外波段反射率及其相互關(guān)系，是構(gòu)成各種植被指數(shù)的核心。紅波段被植物葉綠素強(qiáng)吸收，進(jìn)行光合作用制造干物質(zhì)，它是光合作用的代表波段；近紅外波段是葉子健康狀況最靈敏的標(biāo)志，它對(duì)植被差異及植物長(zhǎng)勢(shì)反映敏感，指示著光合作用能否正常進(jìn)行。

常用的植被指數(shù)主要有以下幾種：歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）

NDVI被定義為近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值，即NDVI=（IR-R）/（IR+R）。在陸地衛(wèi)星MSS中，NDVI=（M7-M5）/（M7+M5）；在氣象衛(wèi)星AVHRR中，NDVI=（CH2-CH1）/（CH2+CH1）。其中，Ｃｈ1為可見光通道,Ｃｈ2為近紅外通道。它在植被研究以及植物物候研究中得到廣泛應(yīng)用。它是植物生長(zhǎng)狀態(tài)及植物空間分布密度的最佳指示因子，與植物分布密度呈線性相關(guān)，因此又稱為生物量（Biomass）指標(biāo)。比值植被指數(shù)（RVI）

指近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值的比值，即RVI=IR/R。在陸地衛(wèi)星MSS中，RVI=M7/M5；在氣象衛(wèi)星AVHRR中，RVI=CH2/CH1。RVI與葉面積指數(shù)（LAI）、葉干生物量、葉綠素含量相關(guān)最好。更使用于植被旺盛、具有高覆蓋度的植物的監(jiān)測(cè)。環(huán)境植被指數(shù)（EVI）又稱差值植被指數(shù)，被定義為近紅外波段與可見光波段數(shù)據(jù)的差值，即EVI=IR-R。在陸地衛(wèi)星MSS中，EVI=CH2-CH1。EVI對(duì)土壤背景的變化較RVI敏感。在AVHRR的植被遙感中應(yīng)用較為普遍。

綠度植被指數(shù)（GVI）和垂直植被指數(shù)（PVI）國(guó)內(nèi)的黃簽（1986），根據(jù)大氣參數(shù)、大氣外太陽光光譜照度數(shù)據(jù)，AVHRR定標(biāo)參數(shù)及由實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的轉(zhuǎn)換系數(shù)，獲得實(shí)際應(yīng)用的綠色植被指數(shù)，其表達(dá)式為：GVI=1.6225CH2-2.2978CH1+11.0656。國(guó)外專家對(duì)于陸地衛(wèi)星2號(hào)MSS數(shù)據(jù)而言，GVI=0.3887M7+0.577M6-0.660M5-0.283M4+32PVI=0.939M7-0.344M5+0.09葉面積指數(shù)（LAI）指在單位面積地面上，植物群體所有葉子的面積累加的總面積。目前，關(guān)于植被指數(shù)模型研究和應(yīng)用較多的是NDVI、RVI、EVI、GVI和LAI等。第四節(jié)農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用一、農(nóng)業(yè)資源遙感調(diào)查（一）農(nóng)業(yè)資源調(diào)查的現(xiàn)狀

目前，農(nóng)業(yè)資源調(diào)查方法仍然是以傳統(tǒng)的方法為主，但是遙感技術(shù)的應(yīng)用越來越受到重視。

(二)農(nóng)業(yè)資源調(diào)查的內(nèi)容包含了土地資源遙感調(diào)查，生物資源遙感調(diào)查，氣候資源遙感調(diào)查，水資源遙感調(diào)查和礦產(chǎn)資源遙感調(diào)查等五個(gè)方面的內(nèi)容。（三）土地資源遙感調(diào)查

⑴土地資源遙感調(diào)查的內(nèi)容土壤侵蝕，土地覆蓋和土地利用，城市土地利用，山地利用，荒地，沙漠化與防治等。⑵土地資源遙感調(diào)查的準(zhǔn)備工作

1)組織準(zhǔn)備組織準(zhǔn)備包括調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組和專業(yè)隊(duì)伍組建。

2)編寫《土地資源遙感調(diào)查書》，制定工作計(jì)劃。

3)資料的準(zhǔn)備及整理

4)物質(zhì)準(zhǔn)備

5)技術(shù)準(zhǔn)備

⑶野外工作

1)路線調(diào)查

2)室內(nèi)預(yù)判

3)野外驗(yàn)證

⑷室內(nèi)工作階段

1)拼圖2)（糾正）轉(zhuǎn)繪

3)量算面積⑸編寫土地資源調(diào)查報(bào)告

二、農(nóng)作物種植面積的遙感估算方法⑴航天遙感方法

1)數(shù)字資料處理方法

2)建立綠度－面積模式的方法利用航天衛(wèi)星資料獲取植被指數(shù)與調(diào)查的作物種植面積建立回歸方程，以求得農(nóng)作物種植面積。

⑵面積框圖取樣法

面積框圖取樣法是在原美國(guó)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)局的面積抽樣統(tǒng)計(jì)估產(chǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的基本原理是利用遙感影像分層，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法抽樣。⑶地理信息系統(tǒng)與遙感信息結(jié)合獲取作物種植面積方法1)利用地理信息系統(tǒng)和TM資料提取種植面積的方法2)利用TM、NOAA和地理信息系統(tǒng)綜合提取作物種植面積的方法3)利用NOAA/AVHRR和地理信息系統(tǒng)配合提取作物種植面積三、農(nóng)作物遙感估產(chǎn)模型方法研究⑴光譜估產(chǎn)模式

光譜估產(chǎn)模型是在地面選擇農(nóng)作物的最佳生育期，運(yùn)用光譜儀測(cè)定農(nóng)作物的反射率，找出適宜的光譜變量（植被指數(shù)），建立起光譜變量與農(nóng)作物產(chǎn)量及其農(nóng)學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)模式。最常見的單產(chǎn)光譜模式類型有：①Y=A+BX（式中Y為估測(cè)單產(chǎn)，X為光譜變量，A與B為回歸系數(shù))；②Y=A+BX+CX2(式中Y為估測(cè)單產(chǎn)，X為光譜變量，A、B、C為回歸系數(shù))；③Y=A+BXD+CXH+DXmf+Exms(式中Y為估測(cè)單產(chǎn)；XD、XH、Xmt和Xms分別為穗分化期、齊穗期、灌漿期和乳熟期的光譜變量；A、B、C、D、E為回歸系數(shù))。⑵衛(wèi)星遙感估產(chǎn)模式

作為農(nóng)作物生長(zhǎng)的主要背景的土壤光譜反射率在紅光（RED）波段比農(nóng)作物高，到了近紅外（NIR）部分又比農(nóng)作物低。因此，反映在衛(wèi)星遙感資料上的光譜反射特征是：農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)越好，NIR的反射越強(qiáng)，而RED反射越弱；長(zhǎng)勢(shì)越差，NIR的反射越弱，而RED的反射則越強(qiáng)。

1)資料預(yù)處理。

2）分析建模

3）光譜遙感估產(chǎn)與作物生長(zhǎng)模擬估產(chǎn)的復(fù)合模型（3）農(nóng)作物監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)應(yīng)注意的問題

遙感數(shù)據(jù)定量化與復(fù)合分析技術(shù)

RS、GPS、GIS融合技術(shù)遙感與非遙感互補(bǔ)技術(shù)

四、農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估1.我國(guó)農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害及其預(yù)監(jiān)信息系統(tǒng)⑴我國(guó)主要農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害⑵農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害預(yù)監(jiān)信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害背景數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)包括歷史農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫等。農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害的遙感信息提取子系統(tǒng)災(zāi)情實(shí)地調(diào)查子系統(tǒng)進(jìn)行災(zāi)情實(shí)地調(diào)查可以校驗(yàn)災(zāi)情評(píng)估的準(zhǔn)確性，以及檢驗(yàn)災(zāi)情評(píng)估過程中的遺漏。農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是以時(shí)間序列為序，反映不同時(shí)相的災(zāi)情和受災(zāi)范圍的變化，并進(jìn)行分析

農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害損失評(píng)估子系統(tǒng)

防災(zāi)減災(zāi)決策支持子系統(tǒng)

根據(jù)以上5個(gè)子系統(tǒng)的分析處理過程和結(jié)果建立相關(guān)的決策模型。

2.建立農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害預(yù)監(jiān)信息系統(tǒng)的支撐技術(shù)⑴應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害數(shù)據(jù)快速采集與監(jiān)測(cè)。⑵應(yīng)用GIS建立農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害背景數(shù)據(jù)庫和信息集成

GIS是采集、管理、處理、分析、顯示、輸出多種來源的與地理空間位置相關(guān)的信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)中可以發(fā)揮基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)集成的的作用。

GIS在農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用大致分為三步。第一步，災(zāi)害發(fā)生之前，數(shù)字化采集災(zāi)害可能發(fā)生地區(qū)的各種基礎(chǔ)地理背景要素、各種專業(yè)背景數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)背景數(shù)據(jù)。第二步，災(zāi)害發(fā)生時(shí)，通過各種手段采集、傳輸實(shí)時(shí)的災(zāi)情信