《智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與裝備》課件-第07章 農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)

《智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與裝備》第七章農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)機(jī)電工程學(xué)院目錄Content概述作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)作物水分和養(yǎng)分遙感監(jiān)測(cè)作物產(chǎn)量遙感監(jiān)測(cè)010203043第七章農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)7.1概述7.1概述標(biāo)題內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字遙感（RemoteSensing，RS）是遠(yuǎn)距離獲取圖像信息的重要手段，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地城廣、季節(jié)性強(qiáng)、品種各異,在宏觀尺度上采用遙感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)資源、農(nóng)情（旱澇、病蟲(chóng)害、作物長(zhǎng)勢(shì)）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的最有效的途徑。因此，農(nóng)業(yè)遙感是農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息感知的重要手段之一，尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)大尺度信息的感知，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。遙感是指以電磁波為媒介，非接觸遠(yuǎn)程對(duì)地球或其他星體表面進(jìn)行觀測(cè)，以獲取面狀圖像（影像）信息的技術(shù)手段。遙感是快速獲取大面積農(nóng)作物信息的有效技術(shù)手段，具有大面積同步觀測(cè)、時(shí)效性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中逐漸得到廣泛應(yīng)用，主要用于大面積農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、水分監(jiān)測(cè)、養(yǎng)分監(jiān)測(cè)和農(nóng)作物產(chǎn)量估算。7.1概述標(biāo)題內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字近30多年來(lái)，通感技術(shù)在大面積作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)、農(nóng)情宏觀預(yù)報(bào)等方面做出了重要貢獻(xiàn)（周清波等，2010）。遙感技術(shù)領(lǐng)域積累起來(lái)的農(nóng)田和作物多光譜圖像信息處理及成像技術(shù)、傳感技術(shù)和作物生產(chǎn)管理需求密切相關(guān)。遙感獲得的時(shí)間序列圖像，可顯示出由于農(nóng)田土壤和作物特性的空間反射光譜變異性，提供農(nóng)田作物生長(zhǎng)的時(shí)空變異性的信息，在同一季節(jié)中不同時(shí)間采集的圖像，可用于確定作物長(zhǎng)勢(shì)和條件的變化；同化遙感影像與農(nóng)作物模型，如DSSAT農(nóng)作物生長(zhǎng)模型、WOFOST模型等，從而對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行估測(cè)。7.1.1輻射標(biāo)題內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字大多數(shù)農(nóng)業(yè)遙感測(cè)量的基本原理是通過(guò)測(cè)量單一實(shí)體的不同能量水平從而定性定量地分析物體，其基本單元是電磁（electromagnetism，EM）力場(chǎng)中的光子。下面主要從輻射、大氣窗口、地物波譜特征三個(gè)方面來(lái)具體介紹。7.1.1輻射通常來(lái)說(shuō),任何溫度只要高于絕對(duì)零度的物體都在連續(xù)地向外輻射電磁波，所以任何一個(gè)物體（太陽(yáng)、地球、動(dòng)物、植物等）都可以被認(rèn)為是輻射源。輻射的電磁波在傳播的過(guò)程中遇到任一物體時(shí)，會(huì)發(fā)生吸收和反射等現(xiàn)象。反射又可以分為鏡面反射和漫反射，大多數(shù)地物表面的反射介于鏡面反射和漫反射之間，然而一些物體（如湖泊、江河等）又能發(fā)生透射。遙感就是利用物體的這些特性記錄所需要的信息。7.1.1輻射標(biāo)題內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字1.電磁波電磁波（electromagneticwave，EMW）以波動(dòng)的形式向外傳播電磁場(chǎng)，是由同相且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的振蕩粒子波。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于能產(chǎn)生向外輻射電磁波的物體，隨著溫度的升高，電磁波波長(zhǎng)變短。通過(guò)測(cè)量目標(biāo)物的不同能量水平可以定性定量分析目標(biāo)物，而光子的能量變化取決于它的波長(zhǎng)或頻率。當(dāng)物體受內(nèi)部或外部電磁輻射的相互作用處于激發(fā)態(tài)時(shí)，它將根據(jù)波長(zhǎng)發(fā)射或反射不同數(shù)量的光子。探測(cè)器可以探測(cè)這些光子，探測(cè)器接收到的光子能量通常用功率單位表示。物質(zhì)能量在特定波長(zhǎng)或范圍內(nèi)隨被感知的物質(zhì)或物質(zhì)特性的變化而變化。7.1.1輻射大多數(shù)地物表面的反射介于鏡面反射和漫反射之間，也就是說(shuō)反射的電磁波能量基本集中在一個(gè)方向，在其他各個(gè)方向都有不同大小的分布；輻射強(qiáng)度和輻射亮度具有方向性；而反射率、吸收率、透射率反映的都是比值，根據(jù)能量守恒定律，滿足關(guān)系式：反射率+吸收率+透射率=1。2、關(guān)于輻射和反射的一些基本概念7.1.1輻射標(biāo)題由表8.4可得，位于可見(jiàn)光（visible）、近紅外（NIR）、中紅外（MIR）波段的太陽(yáng)輻射能量所占比例比較大，相對(duì)其他波段比較穩(wěn)定，故主要應(yīng)用在遙感中。大地作為輻射源，可以分為長(zhǎng)波部分和短波部分。大地的長(zhǎng)波輻射主要是大地自身的熱輻射；而短波輻射是地球表面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射。3.太陽(yáng)輻射和大地輻射太陽(yáng)是遙感的主要電磁波能源,其輻射光譜為連續(xù)光譜。7.1.2大氣窗口標(biāo)題內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字大氣窗口（atmosphericwindow）是指天體輻射中能穿透大氣的一些波段。因?yàn)樘?yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí),受到大氣的吸收、散射和反射作用，使部分波段的能量到達(dá)地面時(shí)已經(jīng)變得微弱，只有某些波段的透過(guò)率較高。表7.5列舉了大氣窗口的分類(lèi)。7.1.3地物波譜特性標(biāo)題內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字1.地物波譜特性的概念地物波譜特性是指地面物體具有的輻射、反射、發(fā)射和透射一定波長(zhǎng)范圍電磁波的特性。因此,地物波譜特性一般可分為地物的反射光譜、透射光譜和特性發(fā)射光譜。自然界中任何地物都有其自身的波譜特性，由于各種物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)的差異，它們的波譜特性自然就不相同。物質(zhì)在光、熱等作用下都將會(huì)產(chǎn)生與其固有特性有關(guān)的特定波長(zhǎng)的電磁波輻射。物體對(duì)電磁波的輻射和反射能力隨波長(zhǎng)變化而變化，構(gòu)成了各種物體在不同情況下具有不同的波譜特性。根據(jù)波譜特性的差異性，可以揭示不同地物代表的歸屬。因此,地物的波譜特性是農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的重要理論依據(jù)，也是遙感波譜段選擇和遙感儀器設(shè)計(jì)的重要參考因素，也是對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行研究的理論基礎(chǔ)（何勇和趙春江,2010;王紀(jì)華等,2008)。7.1.3地物波譜特性標(biāo)題內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字2.地物反射波譜特性當(dāng)太陽(yáng)輻射到達(dá)地物表面后,通常會(huì)出現(xiàn)三種現(xiàn)象:一部分輻射被物質(zhì)透射，一部分輻射被物質(zhì)吸收，還有一部分輻射被物體所反射。也就是說(shuō):到達(dá)地物的太陽(yáng)輻射能量=反射能量+吸收能量+透射能量若上式兩邊都除以到達(dá)地物的輻射能量，則1=反射率十吸收率+透射率7.1.3地物波譜特性標(biāo)題內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字1）地物反射波譜實(shí)例地物反射波譜用來(lái)研究電磁波譜范圍內(nèi)地物反射或透射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律。地物反射或透射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線被稱(chēng)為地物反射波譜曲線。曲線中，縱坐標(biāo)為反射率值，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)值。不同地物的反射光譜曲線有明顯的差異，如圖所示為濕地、沙漠、小麥、雪的反射波譜曲線。7.1.3地物波譜特性標(biāo)題內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字濕地:在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率均較低。并且隨著含水量的增加，反射率下降。沙漠:在0.6um附近有一個(gè)強(qiáng)反射峰值。在波長(zhǎng)大于0.8um的長(zhǎng)波范圍內(nèi)，其反射率較強(qiáng)。小麥:小麥葉片的反射率，在0.45um和0.65um附近有兩個(gè)葉綠素的吸收帶，使得這兩處的反射率很低。在兩個(gè)吸收帶之間的0.55μum附近形成一個(gè)反射峰，該峰的位置位于可見(jiàn)光的綠光波段，所以其色調(diào)呈綠色。大約在0.7um附近，反射率迅速增加，至近紅外波段（0.7～1.1μum）范圍反射率達(dá)峰值，這主要受葉片內(nèi)部構(gòu)造的影響，也是含有葉綠素植物的一個(gè)特征。雪:反射光譜在0.4～0.6um波段存在近100%的強(qiáng)反射峰值。隨著波長(zhǎng)的增加,反射率逐漸降低。在近紅外波段吸收較強(qiáng)。雪的這種特殊反射特性使得其容易識(shí)別。根據(jù)以上分析，不同的地物類(lèi)型會(huì)產(chǎn)生不同反射光譜曲線，而且同種地物在不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件下其反射光譜曲線也有差異。地物反射率隨波長(zhǎng)變化的這種規(guī)律性變化,是遙感影像分析的前提。15第七章農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)7.2作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)7.2作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)標(biāo)題內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字內(nèi)容文字農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)原理是建立在綠色植物光譜理論基礎(chǔ)上的。綠色植物對(duì)不同波長(zhǎng)光譜的反射、吸收和散射均有不同的特征反映。綠色植被的反射波譜特征不僅由它們的性質(zhì)和類(lèi)型所決定，而且還受季節(jié)和農(nóng)作物健康狀況的影響。因?yàn)檗r(nóng)作物對(duì)外來(lái)電磁波的反射、吸收和透射特征受植被的葉綠素、葉內(nèi)結(jié)構(gòu)及水分含量等因素決定。因而，不同的作物和不同的生長(zhǎng)條件以及不同的生育階段，其光譜特征的變化也是不同的。一般作物的光譜特征是指隨著葉子的成熟，在可見(jiàn)光區(qū)的反射率降低，而紅外區(qū)升高;衰老的病態(tài)葉子由于損失了葉綠素，可見(jiàn)光區(qū)的反射率顯著升高，而近紅外區(qū)下降。因而，用測(cè)定光譜輻射數(shù)據(jù)的遙感方法來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及其生物指標(biāo)是非常有效的。7.2作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)圖7.1顯示了綠色植物的主要光譜響應(yīng)特征。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)（0.4~0.7μm）有兩個(gè)吸收谷和一個(gè)反射峰，即0.45um的藍(lán)光、0.65um的紅光和0.55μm的綠光。在近紅外區(qū)（0.7~1.3um）強(qiáng)烈反射，因?yàn)槿~肉內(nèi)的海綿組織結(jié)構(gòu)內(nèi)有很多、很大的反射表面空腔，并且細(xì)胞內(nèi)的葉綠素呈水溶膠狀態(tài)，輻射能量大都被散射掉，形成高反射率，表現(xiàn)在反射曲線上從0.7μm處反射率迅速增大，至1.1μm附近有一峰值，形成綠色植被的獨(dú)有特征。利用植被近紅外高反射和紅波段強(qiáng)吸收的差異，極大地突出了植被區(qū)別于其他地物的信息，能夠更好地區(qū)分綠色植物、土壤、水體等，也是植被生物量和長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)研究的重要基礎(chǔ)。7.2作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)圖7.3為黑龍江八五二農(nóng)場(chǎng)三種農(nóng)作物的長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI曲線，其中（a）為全生育期水稻NDVI時(shí)間序列曲線不同小波基的濾波結(jié)果；從圖中可以看出移動(dòng)平均法所擬合的曲線較為滯后,一次指數(shù)法和dbl小波變換法較好，其他小波變換濾波的后半部分較不理想，有向上的突變轉(zhuǎn)折點(diǎn)。（b）、(c）、（d)分別為水稻、玉米、大豆三種農(nóng)作物的長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI分析結(jié)果、從該圖中可以很容易地判斷農(nóng)作物的關(guān)鍵生育期。19第七章農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)7.3作物水分和養(yǎng)分遙感監(jiān)測(cè)7.3.1作物水分遙感監(jiān)測(cè)作物的水分狀況是影響作物長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量的重要因素。遙感方法具有監(jiān)測(cè)速度快、監(jiān)測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，利用遙感方法監(jiān)測(cè)作物水分狀況，是開(kāi)展作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量估算的重要基礎(chǔ)。植物在不同水分條件下，會(huì)有不同的反射光譜。通過(guò)研究不同水分狀態(tài)下植物的光譜曲線，找出敏感的光譜波段，則可以利用遙感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大范圍內(nèi)的作物水分狀況，進(jìn)而對(duì)區(qū)城干旱狀況做出估計(jì)。7.3.1作物水分遙感監(jiān)測(cè)圖7.4中的裸土區(qū)，A、B分別表示干燥裸土（NDVI小，LST高）和濕潤(rùn)裸土（NDVI和LST都最小）。隨著地表植被覆蓋度的增加，地表溫度開(kāi)始下降。C點(diǎn)表示植被完全覆蓋，土壤水分充足，這時(shí)的蒸散阻抗小（NDVI大，LST低)。所以A～C表示土壤水分的有效性很低，地表蒸散小，被認(rèn)為是"熱邊"，B~C表示土壤水分充足，不是植物生長(zhǎng)的限制因素，地表蒸散等于潛在蒸散，被認(rèn)為是"冷邊"。圖中的A-C三個(gè)點(diǎn)代表了NDVI-LST特征空間中的三種極端情況。在植被生長(zhǎng)的某一特定時(shí)期,各種地表類(lèi)型對(duì)應(yīng)的NDVI-LST關(guān)系都分布在ABC這個(gè)多邊形的區(qū)域內(nèi)。7.3.2作物養(yǎng)分遙感監(jiān)測(cè)1.作物葉綠素遙感反演作物冠層生化參量是田間作物長(zhǎng)勢(shì)和營(yíng)養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)，是定位、定量肥水管理的決策依據(jù)，是信息化、智能化田間管理決策的重要信息源，獲取這一數(shù)據(jù)是目前精確農(nóng)業(yè)亟待解決的瓶頸問(wèn)題。圖7.7為"北京精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范工程"項(xiàng)目中利用航空成像光譜數(shù)據(jù)在大田條件下反演冬小麥冠層生化參量的研究結(jié)果，所使用的數(shù)據(jù)源為OMIS高光譜影像，以國(guó)產(chǎn)運(yùn)五飛機(jī)為航空平臺(tái)獲取。圖7.7的研究區(qū)葉綠素預(yù)測(cè)反演結(jié)果，直觀地顯示整個(gè)種植區(qū)域小麥長(zhǎng)勢(shì)的時(shí)空變異，用顏色表示的對(duì)應(yīng)數(shù)值越大，表明該地區(qū)域養(yǎng)分脅迫越小,即施肥量就應(yīng)相應(yīng)越小。7.3.2作物養(yǎng)分遙感監(jiān)測(cè)1.農(nóng)作物糖氮比含量遙感反演正常營(yíng)養(yǎng)代謝及平衡是作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其中糖、氦是兩個(gè)最重要的組分，根據(jù)糖氮比可以進(jìn)行作物營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)，高糖氮比表示作物氮素營(yíng)養(yǎng)缺乏，不利于氮的營(yíng)養(yǎng)積累，從而影響將來(lái)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。利用二維映射分析法，可以直觀地展示各個(gè)像素所代表的作物糖氮相關(guān)關(guān)系，從而進(jìn)行分類(lèi)及作物長(zhǎng)勢(shì)判斷。7.3.2作物養(yǎng)分遙感監(jiān)測(cè)1.農(nóng)作物糖氮比含量遙感反演圖7.9為以可溶性糖和全氮作為兩個(gè)坐標(biāo)軸的散點(diǎn)圖，橫坐標(biāo)為全氮含量，縱坐標(biāo)為可溶性糖含量，虛線表示糖氮比的等值線，根據(jù)這若干條等值線可以將像素的二維映射散點(diǎn)分級(jí)，表示作物不同的營(yíng)養(yǎng)狀況，并在左圖給出對(duì)應(yīng)的作物不同糖氮比的空間分布。散點(diǎn)分布為一左高右低的紡錘形狀，整體上表明了糖、氮之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。7.3.2作物養(yǎng)分遙感監(jiān)測(cè)1.農(nóng)作物糖氮比含量遙感反演該圖由小湯山試驗(yàn)基