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SELECTION OF THE OPTIMUM TEMPORAL FOR CROP ESTIMATION USING REMOTE SENSING DATA—— MAIN FOOD CROPS IN CHINA

农作物遥感估产最佳时相的选择研究——以中国主要粮食作物为例



全 文 : 一 0 f
第 l 8卷 第 1期
l 9 9 8年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SIN1CA

V0l 18,N0.1
Ja ., 1 997
农作物遥感估产最佳时相的选择研究
以中国主要粮食作物为例
俑 大 笔,47501 (河南学地理学系·开封 )/,7母
摘要 最佳I{相遥感图象的选择是农作蜘疆感怙产的关键耶节之 .岜必须兼顾作蜘 剐相单产模拟耐遥
感时相选择的要求,综台考虑多 面的影响固素 根据农作物遥感估产中各项工作的具体要求一 提高遥感
图象中目标作物信息及其与怍物单产关系的显著程度为主要 目的.分析了农作物遥感估产撮佳时丰I{的选择
饭据 .认为它主要包括作物光谱的种间差异、怍物物候 的种间差异 、^ 阳高度角的变化、怍物产量形成的关
键期、作物面积对收获面积的代表性 盟土壤光谱噪岩的变化。此升·还分别选择丁我国各地水稻、小麦和玉
米遥感估产的最佳时帽.作出丁它们的最佳时相分区图,供生国范日内主要粮食作物遥感怙产参号
关键调 :农作蜘,遥感估产.最佳时相
SELECT10N 0F THE 0PTIM UM TEM P0RAL F0R CR0P
ESTIM AT10N USING REM 0TE SENSING DATA— —
M AIN F00D CR0PS IN CHINA
Qian Huaisui
“k d什 f GeograpRy,H ⋯ Uni~eT sit5,K4 ng,zl?500t,fliaa)
Abstract One of the key links in crop estimation using remote sensing data is the selec
tion of the optimum temporal images,in which the selection of the optimum temporal for i—
dentification of a certain target crop must be combined with that for unit yield simulation
of the target crop.Its main aims are both tO enlarge the differences of spectral information
between the target crop and other objects on remote sensing images and tO improve signifi
cance of the corre[ation between unit yield and spectral information of the target crop
In this study,according to the demands of crop estimation using remote sensing data,
the selection bases and methods of the optimum temporal are discussed.The results indi~
cate that the selection bases include the differences of reflectance spectrums between crop
species,differences of phenological calendars between crop species,changes of solar alti
rude,key periods of crop production of the target crop in total growing period,changes of
本丈是“八·五 科技攻关课题 重点 粮区主要农作物遥感估 中“垒国主要农作物盈感估 医划研宽”f专题
的部丹成果 中国科学院孙九林 张福春、顾连蜜 王群力、李泽辉、岳燕珍等同志蛤于^力帮助,谨此孰蹴
收穑日期:1995 01 Os.修改稿收到Et期 :1997 02 20
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千吓连-农忙窃遥感估产最 时柏的选择研jE
the spectral noise{rom soil and possible reduction of the area。{a certain target crop in its
tolal growing period [he optimum tempor.qls for crop estimates of rice—wheat and maize m
China using remote sensing data are selected and regionalizated besides.
Key words: crop.crop estimates using remote sensing datat—optimum tempora1
农l作物的 £长过程足 种物质积祟过程.它包括多个生育期。‘懈遥感图 芷对某 一时刻垃物种类及
其组台力式的反毗.其中目标作物的反射率爱其光谱分布星中日庖作物遥感估 的目标信息.其它地物的反
射率及l且光谱分布为背景情息.后昔对前者有明显的干扰作埘 在 目标作物全‘f 期内不 时柏的遥感
象中,目标信息及其与作枷 产关系的显著性有截太差别、其中 目标信息最显著的时相对作物识j;_l和面积
估算最有利 .为作物识别最佳时期;作物单产与遥感光潜信 包关系品硅著的时相对 屯光谱模型的建立最
_耵刊 为单产横拟蛀佳时相。
航 遥感技术具有倒刺睫重复成象的特点.它叮 为农作物监谢和估产提供多时相遁感到象。在
作物生长发 育的问时, 它地物(如其它农佧物、森林、苴被 土壤等)、夫气条件和太 高度也在不断变化.
它们不但使 标作物信息的提取精度州不f 时相遥感情包的可 性明显 1、降.而H也增训r遥感情息处
和订正的难度 最佳时l卡目的选择 忸可以强化I=1标作物情息及其与作物 精戈系的显著性.弱化其它
于的干扰 ,而且还 叮 降低遥感信 邑巾的不确定 I:,减小信息处理 订正的难世.冈此它是农作物监测和
估产中的关键环节之一=
戈于植被遥感最佳时柑的选择.邹肖蛑 。根据植蜘光谱鹄钟 变化及均候变化干u太 高虔角对植物
光谱的影州 .珊宠了徊北省及』七亚热带情被分类的最住a4fl选择闸题;黄敬峰壬兀王秀珍 =根据多年植物物
候观测资料及绿渣和褐漉的季 节推穆.确定了新疆植被遥感的最佳时相 汪逢熙和黎泽文等^ ⋯ 枉棉花
遥感识别的试验研究 、根据各棉花生育期-1I不同农作物的光谱差别一道择了河南省北、中部棉花遥感
别的鼎佳时柑 这 研究基本 卜都是区域 陛耍验研究.f 仅讨论 植被识别罪佳时相的选择问题+击考
虑作物 单 模拟的要求 在谖项碲工究中一笔苦艰据农作物遥感估产中各项j二作的要求.对最佳时相时硅择
依据进行 厂探讨.井选择 找吲荇地主要粮食作物遥感估产的最佳时柑.供垒国土要柏食作物遥感估产参
考。
I 农作物遥感估产最佳时相的选择依据
与植物莲感分娄相比,农怍物遥感估产最佳时相韵选择必顽兼唾作物识别最佳时捐和盟产模拟最佳
时相两方面, 选择依据比较复杂 根据遥感信息提取和处理及作物面积和单产估算的要求 ,最佳时十日的
选择依姑应包括作物光谱的种问差异、作物物候厨的种问差异、太阳高度角的变化、作物产爵形成的关键
期、作物面积对收获面积的代表性及土壤光谱 噪占的变化
1.1 作物光谱的种问差异
在不1司作物之间,反射光潜特祉(或髓被指数)固作釉叶子结构、口f绿索古量、古水量和 I1 产取向等『乍
物群体特征量的不同而有很大摹异 如果作物物候期不同,作物覆盖度和叶面积系数必然肓很大差别,其
尤嘴特征的种间差异尤其明显 围此、 多学瞢根据植物光谱的种问差异,确定植物分类(或作物识别)是
佳时相。例如.邹尚衅 在建择植物分类最佳时相时、根据植物光谱的季节变化秆种问差异.认为誊、秋季
是植物红外光谱 变率最夫的时期,只要植物种阿的光谱变率稍有差异,它们的光营反射率就会形成心 的
盯=E,阿此春 、秋季的植物种问光谱差异最大。对于农作物束说,春、秋季往 往为播种期和成熟期,由于各种
作物对温度条件的要求不同,其播种期和成熟期也先后 一,在春、秋季遥感图象上,早播怍物和晚 一一【
的影象信息比较突出一田此可把这些时相作为识别这些作物的最佳时捌
汪逢熙和黎泽文等^ 在棉花遥感识别研究中,通过观删和坩 比分析备棉花生肯期小同作物的光谱
特征,把棉花光谱与其它作物光潜差别最大的蕾期和吐絮初中期作为棉花识别的最佳时相。此外}E连熙等
人还采用烈lXl于方差分析的方法,精确地确定Z。根据他们的结果,这 选择依据和疗法是行之有效的。
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生 态 学 报 I8卷
我国幅员辽阔,自然条件和农业生产园地而异.农作物组台类型繁多。如果用作物光谱的种间差异来
选择全国昏地农作物遥感估产的最佳时相 ,则必须在各种农作物组台类型区(必要时还必须考虑 自然植被
组 类型)设立观测站,对各种作物各生育期的作物反射光谱作系统的、规范化的观剐。日前我国还小具备
这种条件,圆此这 依据仪能应剧于区域性实验研究,对于全国农作物遥感估产来说,必须用其它依据取
之。
1.2 作钧物候历的种问差异
农作物的状态和群体结构是影响作物光谱特征的主要因子。对于禾车科作物来说, 播种到成熟变黄
以前.随着作物物候期的更替,红光渡段反射率因作物覆盖度和叶面积系数的增大而减小.近红外设段反
射率逐渐增加,而且在其一时间断面上,符种作物的状态和结构固物候期的不同而有明显差别 因此.同一
砷作物在 同物候期的遥感图象上有不同的色调,不同作物在同 ‘张I圭『象上的色调也 相同。由此可见,
就作l蜘识荆最佳时相的选择而言,作物光谱的种问差异和作锡物慷历的种间差异在一定程度上是等价的,
可以用后者代替前者。
我国的物候观测资料非常丰富.作物物候历的种间差异是选择作物识别最佳时相的常用依据。在选择
最佳时相时,首先必须了解各种作物植被指数与物候期的对应关系.然后通过对比同一地 不同作物的物
候所.即可确定该地识别各种作物的最佳时相 例如,表1是山东省章丘 县主要农作物的物候历,由表可见.
在4月下旬至j月中旬,水稻、春玉米和棉花刚刚播种,油菜已近成熟期,农田中只有冬小麦处于旺盛生 艮
期,其光诺信息最 著 ,因此,可把这 ‘段时闻定为冬小麦 别是佳时相。同理,也可用此方法确定其 它作
物的最佳时相。
表I 山东省章丘县主要农作物的物候历
Table 1 The phenological calenders of main crops in Zhangqiu County of Shandong Province
月 4 5 6 7 8 10
Month
旬 1 z 1。 1 2 3 1 1 2 3 1 j J。 Dekad
水稻 播种 移教 j 蘸 抽穗 艘熟
Rice Sowing Transp Ti1 er Lr Heading Maturing
冬小麦 拨节 抽穗 乳熟 收获 播种
Jolntlng Heading Matur1ng Harvesting Sowing
春 圣 播 三叶 援节 抽穗 蜡熟
~prmg cOrn Sowing Tri[o Jointing Heading Wax Maturin8
夏 正求 播种 拔节 抽穗 乳熟 收获
So wing Jointing Heading Maturing Harvesting
棉花 播种 出 理蕾 花锌 裂铃
Cotton So wmg Emerging Boll growing 13011 rending
油葵 开花 收获 播种
Rape Flowering Harvesting Sowing
1 3 太阳高度向的变化
太阳高度角具有明显的年变化和 日变化.井因纬度 异.它通过多种途径间接地影响地物光谱差异及
植被指数对生物学变量的敏感度.第一,太阳高度在一定程度上决定了地物得到的太阳辐射量、光线凡射
角和大气削弱作用的强度 ,对地物反射光强度、反射率和反射光谱有明显的影响;第二,l太阳高度决定了光
线在作物群落中的穿行路径,植被指数及其对表征作物群体的参数(如作物覆盖度 高度和叶面积系数等)
的敏感度固走陌高度的不同而有明显差异;第 ,植物阴影和地形阴影是影响地钧反射率和反射光谱的重
要嘲予-它们芏璺取决十太阳高度,太阳高度越低 ,阴影效应越明显,这往,往在遥感图 造成 同物异色”的
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1期 f吓连:农作物遥感情产最dz~,t相的选择研究
现象 。
山丁太 高虞 植被反射率的影啊非常复杂.所 =:者之l可有明 的非线吐关系。根据时在林和堇原
的观测嗍,当^Ill高废们小于1 0:时.反射率随太阳高度堵的增加而增加;当^l硐高度柏凡于1 0 ,反射率
随走 高度角的上1t而破小。
晴天上气对太附辐射的选择 .散射使悄被奇勺 I见光反射率明显减小,而且凡气散射作用再太 高度
的不 而青叫显差异,幽此 l^阳高度对植被反射光谱世有明显膨:向 根据 Gilabert和 Melid的研究 -植被
l_乏射率随太阳高度的降低而遥肴li蜡大的特点扯红外披段(硒 TM一 TM 和 TM 塘£明显;在可见危渡段(如
17M 、 IM 和 TM.).夫 L散射盯这一觇 有f明显的 f扰.当敬射辐射 与总辐射的比值小于0 2时,r,f见光反
射率随散射辐射比蕾的增加而迅速 f一升. 该 [值 尢于0 时,可 光反射率对散射辐射比疆很不敏感。lj=1
此.当走m高度较高时.散射辐射妁比萤较小(在晴天磬件 l j.植被匣射兜潜对太阳高度较敏感。
植被指数 与太阳高度角有明显的非线一 关系.但它固作物叶面积系数的不 而有显著差异。据 P Jnter
的研究 .植被指数 NDVt随盘阳高度舟的撒小而增大,对于裸露上壤和十草地米说,这 。跫系的非线性
不 明 ;在怍物生长初期,=__者的戈采类似f娱 十和 1 地 ,但植被指数的增加速度明硅加快;在作物牛
长盛期,NDVI与太 高度的关系有非常叫显的非线性.当太陌高度角为3j 时-NDVI龋大 t井由此向太阳
高度丁卜高和降低的方向减小。根据作物和稞土植被指数与太阳高l咂肟关系.可确定 者植被指数之差随太
阳每懂的变化规律。山文献-r]所提供的资料, 太阳高崖角为j0‘~j5 时 .作物 裸 i-植被指数之差最大,
太阳高度的升高和降低均可使其减小=
此外,Middleton刮 Goward等人还通过案倒实验研究 ,探讨在不同u』面积系数条件 F,植被指数对
太阳高度的敏感度。根据他 1_的结黑.当叶而 系数很低或很高时.植被指数对太阳高度根 瞄感 ; 叶面
l襁系数为0.j~2 0il.t,植被指数对 刚岛废非常敏感 另外,Goward等凡还特别强调, 』( 度角诅低
时l小于30。).一些表征植物群体结构的参数 值被指数韵关系炭现为非 明显的非线性 .用此关系钻算这
参数的误差 非常挂苦 .对这些时相的遥感信 必顽慎重对待。
般米随,植物叶而积系数与捕被指数的戈茬非常显著,它对植物群体结构特征的敏感度 太阳高度
而变化。据研究 ],植被指数 ⅣD , 叶面积系数的关系对植物丛半径的敏感度随太阳高度角的减小而
降低,而且当太阳高度有为9o。时,它对植物高度不敏感 ;出^阿J高度角为30。时.胡影的影响较碉 谈关系
对植物高度也 敏感;当^刚高度前为6D。时.它对植物岛度较敏感
总2.就农作钧遥感估产最佳时丰}1的选择而言.合适太阳高度的确定需要夫量实骑 究的支持.在 日
前现有的条件 r.私雌 具体确定之。根据 上分析,最佳时相的太 刚高度角应尽量接近50 ~55=.如果太阳
高度过高. 刚山 到达作物冠 的太阳辐射过强. 物层对辐射的选择性吸收和反射碱 .无选择埂舻
和敞射加强,强烈的反射雎光使地物颜色的彩度下降,地物反射光谱的差别臧小;:剐冈为太 散射辐射
的比重较小.在晴天条件 F.九气散射粒 f密度和太阳高度对可见光反射皋和植被指数的十扰较 啊显;=
则也由丁植被指数不能客观地反映作物高度.因此.不宜把太 l妇高度过高的时相作为最伟时相.我 南方
地区应特别往意这 - 。j _太嗣高度过低(小于30。). 则由于地物反射辐射弱.阴影效应明昂 ,地物之间
的亮崖对比小明显.不利丁目标作物识别;二则同为用植被指数估算作物群体特征量的误差较大;一划也
由于植被指数不能真实地反映作物覆盖度的大小。田此.也不宜把太阳高度过低的遥感时相作为最佳时
棚 我国北方地区和山区应 宽分重帆这 对lT秋播作物更应邓此 此外 最佳时相应尽黾避开植被指数
对赶阳高度敏感的作物生育期,即叶面租系数为0.5~2 0Lej盱 =
1.4 作物产量形成的关键期
作物产量是在 生长期各时段 境条件影啊 而形成的最终结果.之 1¨时段的环境条件有不同
的敏感磨,而且不同时段的环境要素变率也有叫显差别, 此不同I,r段的环境条件对作物产量有币吲的影
响,萁巾影响晶太的时段就是十H府作物的关键期 就某种作物而言,盖键期可能不 I1.一个.其甲耶境要素
(如水分和温度等j临界期往往都性比较重要的关键期 倒如, 多数农作物的水分临界期部位 J 花芽丹化
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l8卷
的旺盛生长期.其中小麦位于孕穗 抽穗期,水稻位丁
孕穗到开花期 ,玉米位于“大喇 口’期到乳熟期,这些 }
时期都是生殖生长过程的主要时期 坩经济学产量肯 一¨8; I/,,_—— \ 、.
决定性作用.作物生长发育时环境条件十分敏感 ,特
、l . 二 .
是比较 重的闩然灾离,往往可以使 量l^幅度下降, i / : .i \
所 它们都足相 作物的荧键期。 4i I I I \
根据各种作物植被指数的季节变化特 点.在生殖 ! , 连 青 I 拉 节 孕 穗 穗 ..柄花 植
生K过程 中的关键期,植被指数 .般都达全生 长期的 。‘ n &ea i ris。。!⋯ — M 川
最高值 ,而且取稳定趋势.即无 显的上升或 F降趋 l 百 i了 1可 赢 声 】 , 7『_it赢一 一
势,趋势水平的高低直接厦映了作物群体状态的优劣. ⋯ ⋯ ’ 。
间接反映 丁可能达到的产量水平,这 芙健期往 是
单产模拟者特别戈心的时期。例如 ,车项 日缎1992年春 巨 小麦 量 并个生育鞍r匕值植桂指趣
事曾在山东省禹城县进行冬小麦遥感估产试验研究, 旧i 及其 数 N 相 不l敏
选取其中1 5个佯方的光谱观测资料,应用1 5 函数形 whea~yield d R ,(RL1 d 1, w fR )
式一分 刹计算小麦单 与各十生 育蜡 比值植被指数 ⋯ h ⋯ h。h愀
(RVI)的相关系数( )。计算结 【图1)表明,小麦单产
与1/RVI的关 系摄密切,各种 数形式的丰H关系数均以拔节后期到抽穗期最高。因此 ,单产模拟最佳时柑
ln选择应重 这 关键期 .
围2 中国水稻遥感估产最佳 时相分 医图
ng Reg[onahz*ation chart of optimum temporal for r Lc yield estimation
in China u sing⋯ 0te sensing data
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1期 干怀遂 :农作物遥感估产罱佳时相的选择研究
1.5 上壤光谱噪声的变化和作物面穰的代表性
上壤光谱信息是作物光谱信息的重要干扰源.其干扰强度在作物覆盖虞较小的时段内较强.而H园作
物覆盖度而变化 据研究 。 ,各种土壤都有一定的绿度值,只有寺植物覆盖度大于25 ~30 时.才能用
绿度 别植物;当植物覆盖度小于60 时.植被指数 NDVI的信噪比很小.土壤的影响非常明显=根据本项
fj组1992年在山东省禹城县观测和计算的 TM第4和第3通道比值植被指数.选取了3十单产水平明显不同
的典型样方.分别计算高、中、低产田小麦比值植被指数与裸地土壤植被指数的差值。计算结果(表2)表明+
在拔节到抽穗期,小麦与土壤植被指数之差最大.麦田植被指数的信噪比较高 ,土壤光谱噪声很弱:在援节
期 前.由于小麦覆盖度很低,土壤光潜噪吉较强,麦田与裸土植被指数之差很小,特别是中.低产 田。困
此 .不宜把作物遥感估产的最佳时相选在作物封行之前。
表2 麦田与裸土植被指数的差值
Table 2 The differences of VI between wheat fields and bare soil
囝3 中回小麦遥 感估产培佳 时相分 区图
Fig 3 RegionaIizatim~chart 0f optimum temporal for wheal yield s1 L tion n China
using t sensing data
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般来说,作物苗剖的作物面 井币等 j 收获面积,在作劫长势较差的地 E苗毁种 象较普迪,
此在选择这类地区作物遥感最佳时相时,必须考虑各时段作物面积对收获卣积的代表哇,把最佳时相定 于
E1标作物生长期内其它作物播种期之后。倒婀,冬小麦的最住时相应定f春播之后,春播作物的最佳时相
应定于夏播之后。
2 中国主要粮食作物遥感估产的最佳时相
在_车项研究中,搜集 r全 国100十县(市)的农业物候资料( 包括台湾省),畦点考虑作物物候1力的种
间差异 作物产量形成的关键期 .参考太阳高度和土壤光谱噪占的变化以及作物而积的代表性.以现有 醴
验研究所得到的主要农作物植被指数(或反射率)的季节变化曲线为参考标准.确定了全国各地水稻、小麦
和土米遥感估产的壤住时相 .在此基础上t还根据各种作物最佳时相的分布特点和大地形的走向.把每
种作物分布厦划分为若干个最佳时相 区(图2~图4)。
圈4 中国玉米遥感估产蛀佳时帮丹里瞬
Fig 1 ReRionalizating chart of optimum tempoTal for m l yield estlmalion
】n China using remote sensing data
3 结束语
最佳时幅遥感 象的选择是农作物遥感估产的关键环 节之一,它必须精颇作物识别最佳时十习和单产
模拟最佳时柑的选择,其选择依据主要包括作物 光谱的种『可差异、作物钧候 的种问蔗 、太 阳高度的变
化 作物产量形啦的关键期 ,作物面积对收获而积的代表性及上壤光谱噪声的变化。
我国幅员辽阔一自然条件、上地利用结构和作物纽台娄型复杂多样,农作物遥感估产最佳时棚的选抒
需要多方面实验研究的 芰持,如不同作物组合类型区的作钧光潜关系. 同上壤类跫区的土壤光谱噪吉强
度、 同太m高度条件下的作物光首差异及作物产量对不 叫生育期作物状态变化和环境条件变化的敏感
鹿等=Ⅲ此·布文仪足演领域的初步研究成 .其中的许多问题有待于进 一步研究。
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胡 干怀莲:农作物遥感估产最佳时相的选择研究
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~ 98
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