CN115775354B - 一种基于融合遥感指数的灌浆期水稻绝收提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于融合遥感指数的灌浆期水稻绝收提取方法,采用植被水分指数区分绝收水稻与非绝收水稻,通过构建表征灌浆期水稻生长状态的多种遥感指数,提出融合多种植被指数的灌浆期水稻绝收提取决策树模型,能够直接基于水稻灌浆期的Sentinel‑2多光谱遥感影像提取绝收水稻面积,实现了大范围水稻绝收信息高效监测,为农业生产管理、水稻绝收理赔提供准确的基础信息。

Description

一种基于融合遥感指数的灌浆期水稻绝收提取方法
技术领域
本发明涉及农业灾害遥感监测技术领域,尤其涉及灌浆期水稻绝收面积提取方法。
背景技术
水稻生长过程中需要足够的水热条件,受干旱气候影响,在水稻灌浆期易发生绝收现象,尤其在华中等水稻大规模种植区域。水稻绝收主要表现为水稻灌浆期受高温少雨天气影响,水稻亩产降低,甚至颗粒无收情况。水稻绝收面积监测对于农业生产管理、农业灾害保险、国家粮食安全等具有重要意义。
传统水稻绝收面积监测多采用人工实地调查等方式,近年来随着遥感技术的发展,使得基于卫星遥感数据的作物监测成为可能。遥感通过远距离探测地表光谱信息,能够有效识别作物生长状况及生长环境。水稻灌浆期天气高温少雨会导致土壤含水量低,进而导致水稻生长相较于同期其他水稻的冠层和光谱特征发生较大的变化,这也为大面积灌浆期水稻绝收遥感监测提供了可能。
当前对于水稻种植信息提取的研究较多,但是对于干旱条件下水稻绝收情况的研究相对较少,现有研究中作物长势多采用叶面积指数进行分析,但是难以利用单一指数完成水稻绝收信息提取。
发明内容
针对现有技术对于水稻绝收遥感监测的技术空缺,本发明提供一种融合多种遥感指数的灌浆期水稻绝收提取方法。
一种基于融合遥感指数的灌浆期水稻绝收提取方法,构建灌浆期水稻绝收提取模型,通过该模型实现遥感影像的灌浆期水稻绝收提取,模型构建包括以下步骤:
步骤1,获取研究区域内发生灌浆期水稻绝收的Sentinel-2多光谱遥感影像并进行预处理,预处理包括辐射定标、大气校正、正射校正、几何配准、镶嵌、裁剪;
步骤2,计算Sentinel-2多光谱遥感影像的 NDVI、LSWI、GVMI、CIr植被指数;
其中,,是归一化植被指数,用于区分植被与非植被,其中为近红外波段的地表反射率,为红外波段的地表反射率;
,是植被水分含量指数,用于识别植被干旱区域,以区分绝收水稻与非绝收水稻,其中为近红外波段的地表反射率,为短波红外波段的地表反射率;
,是全球植被水分指数,用于进一步识别受干旱影像的绝收水稻,其中为近红外波段的地表反射率,为短波红外波段的地表反射率;
是叶绿素红边指数,用于进一步区分水稻和非水稻区域,为红边波段1的地表反射率,为红边波段3的地表反射率;
步骤3,构建决策树模型,提取灌浆期水稻绝收空间分布信息,决策树模型经过如下判断:
S1,设置条件 T1NDVIT0,若条件不满足,则像元标记为其他地物,跳出决策树模型,若条件满足,则进入S2判断;
S2,设置条件 LSWIT2,若条件不满足,则进入S3判断,若条件满足,则判定为非绝收水稻,跳出决策树模型;
S3,设置条件 GVMIT3,若条件不满足,则进入S4判断;若条件满足,则判定为非绝收水稻,跳出决策树模型;
S4,设置条件 T5CIrT4,若条件满足,则像元标记为绝收水稻;若条件不满足,则判定为非绝收水稻;
其中, T0、T1、T2、T3、T4、T5均为经验阈值;
步骤4,对灌浆期水稻绝收空间分布信息进行后处理,后处理包括滤波、腐蚀膨胀、耕地矢量掩膜。
进一步的, T0、T1、T2、T3、T4、T5根据绝收水稻样本数据正态分布统计得到,取值域的95%。
进一步的,对构建好的模型进行精度验证和参数调整,具体操作为:利用研究区域灌浆期水稻绝收野外考察样本与模型提取结果进行对比,计算混淆矩阵,计算分类精度,若总体分类精度达到设定阈值,则满足要求;若低于设定阈值,则调整模型参数阈值,直到满足要求为止。
本发明创造性地提出了采用植被水分指数区分绝收水稻与非绝收水稻,通过构建表征灌浆期水稻生长状态的多种遥感指数,提出融合多种植被指数的灌浆期水稻绝收提取决策树模型,能够直接基于水稻灌浆期的Sentinel-2多光谱遥感影像提取绝收水稻面积,实现了大范围水稻绝收信息高效监测,为农业生产管理、水稻绝收理赔提供准确的基础信息。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本发明提出的灌浆期水稻绝收提取模型构建示意图;
图2是安徽宣城市宣州区水稻灌浆期Sentinel-2多光谱遥感影像;
图3是图2的LSWI植被水分含量指数图像;
图4是决策树判断流程图;
图5是图2的灌浆期绝收水稻初步提取结果示意图;
图6为局部地区原始Sentinel-2多光谱遥感影像;
图7为图6对应的水稻绝收提取结果示意图。
具体实施方式
 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的,而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用,并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
一种基于融合遥感指数的灌浆期水稻绝收提取方法,构建灌浆期水稻绝收提取模型,通过该模型实现遥感影像的灌浆期水稻绝收提取,
本实施选取安徽省宣城市宣州区为研究区域,以Sentinel-2多光谱遥感影像为数据源,影像时间为2022年10月03日。
一、数据获取与预处理
下载Sentinel-2多光谱遥感影像,对影像数据进行辐射定标、大气校正(大气校正后将影像DN值转换为反射率数据)、正射校正、几何配准、镶嵌,再将影像所用波段均重采样为10m分辨率,最后根据研究区域范围对影像进行裁剪,裁剪区域如图2所示。由于这些预处理方式均为遥感数据处理基本流程,在此不展开赘述。
二、计算Sentinel-2多光谱遥感影像植被指数
其中, 分别为近红外波段、红外波段、短波红外波段、红边波段1、红边波段3的地表反射率 图3为LSWI植被水分含量指数图像。
三、构建决策树模型(参照图4)
决策树模型经过如下判断:
S1,设置条件 0.14NDVI0.55(即T0取0.55、T1取1.14),若条件不满足,则像元标记为其他地物,跳出决策树模型,若条件满足,则进入S2判断;
S2,设置条件 LSWI0.12(即T2取0.12),若条件不满足,则进入S3判断,若条件满足,则判定为非绝收水稻,跳出决策树模型;
S3,设置条件 GVMI0.25(即T3取0.25),若条件不满足,则进入S4判断;若条件满足,则判定为非绝收水稻,跳出决策树模型;
S4,设置条件 0.24CIr1.11(即T4取1.11、T5取0.24),若条件满足,则像元标记为绝收水稻;若条件不满足,则判定为非绝收水稻。
经过上述决策树,得到灌浆期水稻绝收空间分布信息,即灌浆期绝收水稻初步提取结果,如图5所示。
 然而,初步提取结果往往存在其他地物类型的影响,噪声较多,需要对初步提取结果进行后处理,包括小斑块剔除、孔洞融合、滤波、腐蚀膨胀等图像操作,并利用耕地矢量数据剔除非耕地的影响(即耕地矢量掩膜),得到最终的提取结果。
四、精度验证和参数调整
精度验证使用野外考察安徽省宣城市宣州区获得的102个灌浆期绝收水稻的位置信息,与提取结果进行对比,计算混淆矩阵及Kappa系数,获得提取精度。
通过调整提取模型中决策树的参数,并利用参数调整后的提取模型进行水稻绝收提取,经精度验证获得水稻绝收提取分类精度,选取最优精度模型参数;也可以设定精度阈值(例如85%),分类精度达到设定阈值,则满足要求;若低于设定阈值,则调整模型参数阈值,直到满足要求为止。
本实施例中,最优分类精度为89.01%,Kappa系数为0.81,分类精度较高,图6、图7分别为局部地区原始Sentinel-2多光谱遥感影像及其水稻绝收提取结果。
显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都应属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于融合遥感指数的灌浆期水稻绝收提取方法,其特征在于,构建灌浆期水稻绝收提取模型,通过该模型实现遥感影像的灌浆期水稻绝收提取,模型构建包括以下步骤:
步骤1,获取研究区域内发生灌浆期水稻绝收的Sentinel-2多光谱遥感影像并进行预处理,预处理包括辐射定标、大气校正、正射校正、几何配准、镶嵌、裁剪;
步骤2,计算Sentinel-2多光谱遥感影像的NDVI、LSWI、GVMI、CIr植被指数;
其中,,是归一化植被指数,用于区分植被与非植被,其中为近红外波段的地表反射率,为红外波段的地表反射率;
,是植被水分含量指数,用于识别植被干旱区域,以区分绝收水稻与非绝收水稻,其中为近红外波段的地表反射率,为短波红外波段的地表反射率;
,是全球植被水分指数,用于进一步识别受干旱影像的绝收水稻,其中为近红外波段的地表反射率,为短波红外波段的地表反射率;
是叶绿素红边指数,用于进一步区分水稻和非水稻区域,为红边波段1的地表反射率,为红边波段3的地表反射率;
步骤3,构建决策树模型,提取灌浆期水稻绝收空间分布信息,决策树模型经过如下判断:
S1,设置条件T1NDVIT0,若条件不满足,则像元标记为其他地物,跳出决策树模型,若条件满足,则进入S2判断;
S2,设置条件LSWIT2,若条件不满足,则进入S3判断,若条件满足,则判定为非绝收水稻,跳出决策树模型;
S3,设置条件GVMIT3,若条件不满足,则进入S4判断;若条件满足,则判定为非绝收水稻,跳出决策树模型;
S4,设置条件T5CIrT4,若条件满足,则像元标记为绝收水稻;若条件不满足,则判定为非绝收水稻;
其中,T0、T1、T2、T3、T4、T5均为经验阈值;
步骤4,对灌浆期水稻绝收空间分布信息进行后处理,后处理包括滤波、腐蚀膨胀、耕地矢量掩膜。
2.根据权利要求1所述基于融合遥感指数的灌浆期水稻绝收提取方法,其特征在于,T0、T1、T2、T3、T4、T5根据绝收水稻样本数据正态分布统计得到,取值域的95%。
3.根据权利要求1所述基于融合遥感指数的灌浆期水稻绝收提取方法,其特征在于,对构建好的模型进行精度验证和参数调整,具体操作为:利用研究区域灌浆期水稻绝收野外考察样本与模型提取结果进行对比,计算混淆矩阵,计算分类精度,若分类精度达到设定阈值,则满足要求;若低于设定阈值,则调整模型参数阈值,直到满足要求为止。
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