《智慧农业关键技术与装备》课件-第07章 农业遥感技术

《智慧农业关键技术与装备》第七章农业遥感技术机电工程学院目录Content概述作物长势遥感监测作物水分和养分遥感监测作物产量遥感监测010203043第七章农业遥感技术7.1概述7.1概述标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字遥感（RemoteSensing，RS）是远距离获取图像信息的重要手段，由于农业生产地城广、季节性强、品种各异,在宏观尺度上采用遥感技术是实现对农业资源、农情（旱涝、病虫害、作物长势）进行实时监测的最有效的途径。因此，农业遥感是农业现场信息感知的重要手段之一，尤其是对农业大尺度信息的感知，具有得天独厚的优势。遥感是指以电磁波为媒介，非接触远程对地球或其他星体表面进行观测，以获取面状图像（影像）信息的技术手段。遥感是快速获取大面积农作物信息的有效技术手段，具有大面积同步观测、时效性强、综合性强的特点，在农业物联网中逐渐得到广泛应用，主要用于大面积农作物长势监测、水分监测、养分监测和农作物产量估算。7.1概述标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字近30多年来，通感技术在大面积作物产量预测、农情宏观预报等方面做出了重要贡献（周清波等，2010）。遥感技术领域积累起来的农田和作物多光谱图像信息处理及成像技术、传感技术和作物生产管理需求密切相关。遥感获得的时间序列图像，可显示出由于农田土壤和作物特性的空间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息，在同一季节中不同时间采集的图像，可用于确定作物长势和条件的变化；同化遥感影像与农作物模型，如DSSAT农作物生长模型、WOFOST模型等，从而对农作物产量进行估测。7.1.1辐射标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字大多数农业遥感测量的基本原理是通过测量单一实体的不同能量水平从而定性定量地分析物体，其基本单元是电磁（electromagnetism，EM）力场中的光子。下面主要从辐射、大气窗口、地物波谱特征三个方面来具体介绍。7.1.1辐射通常来说,任何温度只要高于绝对零度的物体都在连续地向外辐射电磁波，所以任何一个物体（太阳、地球、动物、植物等）都可以被认为是辐射源。辐射的电磁波在传播的过程中遇到任一物体时，会发生吸收和反射等现象。反射又可以分为镜面反射和漫反射，大多数地物表面的反射介于镜面反射和漫反射之间，然而一些物体（如湖泊、江河等）又能发生透射。遥感就是利用物体的这些特性记录所需要的信息。7.1.1辐射标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字1.电磁波电磁波（electromagneticwave，EMW）以波动的形式向外传播电磁场，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波。一般来说，对于能产生向外辐射电磁波的物体，随着温度的升高，电磁波波长变短。通过测量目标物的不同能量水平可以定性定量分析目标物，而光子的能量变化取决于它的波长或频率。当物体受内部或外部电磁辐射的相互作用处于激发态时，它将根据波长发射或反射不同数量的光子。探测器可以探测这些光子，探测器接收到的光子能量通常用功率单位表示。物质能量在特定波长或范围内随被感知的物质或物质特性的变化而变化。7.1.1辐射大多数地物表面的反射介于镜面反射和漫反射之间，也就是说反射的电磁波能量基本集中在一个方向，在其他各个方向都有不同大小的分布；辐射强度和辐射亮度具有方向性；而反射率、吸收率、透射率反映的都是比值，根据能量守恒定律，满足关系式：反射率+吸收率+透射率=1。2、关于辐射和反射的一些基本概念7.1.1辐射标题由表8.4可得，位于可见光（visible）、近红外（NIR）、中红外（MIR）波段的太阳辐射能量所占比例比较大，相对其他波段比较稳定，故主要应用在遥感中。大地作为辐射源，可以分为长波部分和短波部分。大地的长波辐射主要是大地自身的热辐射；而短波辐射是地球表面对太阳辐射的反射。3.太阳辐射和大地辐射太阳是遥感的主要电磁波能源,其辐射光谱为连续光谱。7.1.2大气窗口标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字大气窗口（atmosphericwindow）是指天体辐射中能穿透大气的一些波段。因为太阳辐射通过大气层时,受到大气的吸收、散射和反射作用，使部分波段的能量到达地面时已经变得微弱，只有某些波段的透过率较高。表7.5列举了大气窗口的分类。7.1.3地物波谱特性标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字1.地物波谱特性的概念地物波谱特性是指地面物体具有的辐射、反射、发射和透射一定波长范围电磁波的特性。因此,地物波谱特性一般可分为地物的反射光谱、透射光谱和特性发射光谱。自然界中任何地物都有其自身的波谱特性，由于各种物质组成结构的差异，它们的波谱特性自然就不相同。物质在光、热等作用下都将会产生与其固有特性有关的特定波长的电磁波辐射。物体对电磁波的辐射和反射能力随波长变化而变化，构成了各种物体在不同情况下具有不同的波谱特性。根据波谱特性的差异性，可以揭示不同地物代表的归属。因此,地物的波谱特性是农业遥感技术的重要理论依据，也是遥感波谱段选择和遥感仪器设计的重要参考因素，也是对遥感数据进行研究的理论基础（何勇和赵春江,2010;王纪华等,2008)。7.1.3地物波谱特性标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字2.地物反射波谱特性当太阳辐射到达地物表面后,通常会出现三种现象:一部分辐射被物质透射，一部分辐射被物质吸收，还有一部分辐射被物体所反射。也就是说:到达地物的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量若上式两边都除以到达地物的辐射能量，则1=反射率十吸收率+透射率7.1.3地物波谱特性标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字1）地物反射波谱实例地物反射波谱用来研究电磁波谱范围内地物反射或透射率随波长变化的规律。地物反射或透射率与波长之间的关系曲线被称为地物反射波谱曲线。曲线中，纵坐标为反射率值，横坐标为波长值。不同地物的反射光谱曲线有明显的差异，如图所示为湿地、沙漠、小麦、雪的反射波谱曲线。7.1.3地物波谱特性标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字湿地:在整个波长范围内的反射率均较低。并且随着含水量的增加，反射率下降。沙漠:在0.6um附近有一个强反射峰值。在波长大于0.8um的长波范围内，其反射率较强。小麦:小麦叶片的反射率，在0.45um和0.65um附近有两个叶绿素的吸收带，使得这两处的反射率很低。在两个吸收带之间的0.55μum附近形成一个反射峰，该峰的位置位于可见光的绿光波段，所以其色调呈绿色。大约在0.7um附近，反射率迅速增加，至近红外波段（0.7～1.1μum）范围反射率达峰值，这主要受叶片内部构造的影响，也是含有叶绿素植物的一个特征。雪:反射光谱在0.4～0.6um波段存在近100%的强反射峰值。随着波长的增加,反射率逐渐降低。在近红外波段吸收较强。雪的这种特殊反射特性使得其容易识别。根据以上分析，不同的地物类型会产生不同反射光谱曲线，而且同种地物在不同内部结构和外部条件下其反射光谱曲线也有差异。地物反射率随波长变化的这种规律性变化,是遥感影像分析的前提。15第七章农业遥感技术7.2作物长势遥感监测7.2作物长势遥感监测标题内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字内容文字农作物长势遥感监测原理是建立在绿色植物光谱理论基础上的。绿色植物对不同波长光谱的反射、吸收和散射均有不同的特征反映。绿色植被的反射波谱特征不仅由它们的性质和类型所决定，而且还受季节和农作物健康状况的影响。因为农作物对外来电磁波的反射、吸收和透射特征受植被的叶绿素、叶内结构及水分含量等因素决定。因而，不同的作物和不同的生长条件以及不同的生育阶段，其光谱特征的变化也是不同的。一般作物的光谱特征是指随着叶子的成熟，在可见光区的反射率降低，而红外区升高;衰老的病态叶子由于损失了叶绿素，可见光区的反射率显著升高，而近红外区下降。因而，用测定光谱辐射数据的遥感方法来监测农作物的生长发育及其生物指标是非常有效的。7.2作物长势遥感监测图7.1显示了绿色植物的主要光谱响应特征。在可见光范围内（0.4~0.7μm）有两个吸收谷和一个反射峰，即0.45um的蓝光、0.65um的红光和0.55μm的绿光。在近红外区（0.7~1.3um）强烈反射，因为叶肉内的海绵组织结构内有很多、很大的反射表面空腔，并且细胞内的叶绿素呈水溶胶状态，辐射能量大都被散射掉，形成高反射率，表现在反射曲线上从0.7μm处反射率迅速增大，至1.1μm附近有一峰值，形成绿色植被的独有特征。利用植被近红外高反射和红波段强吸收的差异，极大地突出了植被区别于其他地物的信息，能够更好地区分绿色植物、土壤、水体等，也是植被生物量和长势监测研究的重要基础。7.2作物长势遥感监测图7.3为黑龙江八五二农场三种农作物的长时间序列NDVI曲线，其中（a）为全生育期水稻NDVI时间序列曲线不同小波基的滤波结果；从图中可以看出移动平均法所拟合的曲线较为滞后,一次指数法和dbl小波变换法较好，其他小波变换滤波的后半部分较不理想，有向上的突变转折点。（b）、(c）、（d)分别为水稻、玉米、大豆三种农作物的长时间序列NDVI分析结果、从该图中可以很容易地判断农作物的关键生育期。19第七章农业遥感技术7.3作物水分和养分遥感监测7.3.1作物水分遥感监测作物的水分状况是影响作物长势和产量的重要因素。遥感方法具有监测速度快、监测范围大等优点，利用遥感方法监测作物水分状况，是开展作物长势监测和产量估算的重要基础。植物在不同水分条件下，会有不同的反射光谱。通过研究不同水分状态下植物的光谱曲线，找出敏感的光谱波段，则可以利用遥感技术实时监测大范围内的作物水分状况，进而对区城干旱状况做出估计。7.3.1作物水分遥感监测图7.4中的裸土区，A、B分别表示干燥裸土（NDVI小，LST高）和湿润裸土（NDVI和LST都最小）。随着地表植被覆盖度的增加，地表温度开始下降。C点表示植被完全覆盖，土壤水分充足，这时的蒸散阻抗小（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，被认为是"热边"，B~C表示土壤水分充足，不是植物生长的限制因素，地表蒸散等于潜在蒸散，被认为是"冷边"。图中的A-C三个点代表了NDVI-LST特征空间中的三种极端情况。在植被生长的某一特定时期,各种地表类型对应的NDVI-LST关系都分布在ABC这个多边形的区域内。7.3.2作物养分遥感监测1.作物叶绿素遥感反演作物冠层生化参量是田间作物长势和营养状况的重要指标，是定位、定量肥水管理的决策依据，是信息化、智能化田间管理决策的重要信息源，获取这一数据是目前精确农业亟待解决的瓶颈问题。图7.7为"北京精准农业示范工程"项目中利用航空成像光谱数据在大田条件下反演冬小麦冠层生化参量的研究结果，所使用的数据源为OMIS高光谱影像，以国产运五飞机为航空平台获取。图7.7的研究区叶绿素预测反演结果，直观地显示整个种植区域小麦长势的时空变异，用颜色表示的对应数值越大，表明该地区域养分胁迫越小,即施肥量就应相应越小。7.3.2作物养分遥感监测1.农作物糖氮比含量遥感反演正常营养代谢及平衡是作物高产、优质的物质基础，其中糖、氦是两个最重要的组分，根据糖氮比可以进行作物营养评价，高糖氮比表示作物氮素营养缺乏，不利于氮的营养积累，从而影响将来作物的产量和品质。利用二维映射分析法，可以直观地展示各个像素所代表的作物糖氮相关关系，从而进行分类及作物长势判断。7.3.2作物养分遥感监测1.农作物糖氮比含量遥感反演图7.9为以可溶性糖和全氮作为两个坐标轴的散点图，横坐标为全氮含量，纵坐标为可溶性糖含量，虚线表示糖氮比的等值线，根据这若干条等值线可以将像素的二维映射散点分级，表示作物不同的营养状况，并在左图给出对应的作物不同糖氮比的空间分布。散点分布为一左高右低的纺锤形状，整体上表明了糖、氮之间的负相关关系。7.3.2作物养分遥感监测1.农作物糖氮比含量遥感反演该图由小汤山试验基