基于多时相影像植被指数变化特征的作物遥感分类

高分一号GF1/WFV遥感影像具有较高的时间和空间分辨率,利用多时相影像开展农作物分类调查具有明显优势。以安徽省颍上县为研究区域,利用2017年5月至9月共6景多时相GF-1/WFV卫星遥感影像数据对主要农作物的分类识别提取。首先,通过分析研究区主要农作物的典型植被指数NDVI、EVI和WDRVI时序变化特征,明析了不同作物在各时相对不同VI的响应特征;其次,基于作物在不同时相的敏感VI变化响应,构建了决策树分层分类模型,成功提取了研究区玉米、水稻、大豆和甘薯四种主要作物种植空间分布情况。结果表明:总体精度达到90.9%,Kappa系数为0.895。同时,采用最大似然法、支持向量机对研究区作物进行分类,通过分类效果对比发现,最大似然法最差,支持向量机次之,决策树分类方法最佳。研究表明:利用多时相时间序列的遥感影像数据,结合作物植被指数特征,采用决策树分类方法可以有效提高作物分类的精度。     

基于GF-1/WFV EVI时间序列数据的水稻种植面积提取

随着国产高分系列卫星的发射,国产高分辨率遥感影像在作物种植面积提取方面逐渐得到了应用,但目前仅有少量基于高分一号(GF-1)卫星影像归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)进行作物分类或遥感估产的研究。本文针对NDVI指数在南方多植被覆盖区域易饱和及不敏感的缺陷,利用在NDVI基础上改进的增强型植被指数(Enhanced Vegetation Index,EVI),首次提出基于GF-1卫星16m宽覆盖影像(Wide Field of View,WFV)EVI时间序列的水稻种植面积提取方法。选取四川省乐至县为研究区域,获取覆盖整个水稻生长周期的GF-1/WFV影像数据,构建EVI时间序列,并分析水稻不同生长期的EVI曲线特征。利用时间序列谐波分析法(Harmonic Analysis of Time Series,HANTS)对EVI时间序列进行平滑处理,尽可能减少噪声影响,使EVI时间序列能够更好地反应水稻及其他植被或非植被随时间的变化规律;根据水稻和其他植被及非植被的EVI曲线特征差异构建水稻种植面积提取决策树模型,对水稻种植面积进行准确提取。通过与同期地理国情监测成果的对比,本研究方法提取的水稻种植面积和精度都较高,表明该方法对于提取水稻种植面积效果良好。研究表明,相对于以往用中低分辨率卫星影像进行作物种植结构提取,GF1/WFV影像在南方较破碎的水稻种植面积提取方面应用效果良好,GF-1卫星影像在农业遥感领域具备很大的应用潜力。     

基于无人机多光谱影像的地物识别

【目的】利用2018年5和6月获取的无人机多光谱影像对北京市大兴试验基地的部分农田进行地物类型提取研究。【方法】确定感兴趣地物种类,对影像进行时相与光谱特征分析,然后确定归一化植被指数NDVI、归一化绿蓝差异指数NGBDI、修正型比值植被指数MSR和红边波段反射率可以作为最优分类特征,通过基于光谱变量阈值分割的决策树分类法,实现地物分类,并提取种植面积,选取基于目视解译的地面调查数据进行方法验证。【结果】基于时相与光谱特征的决策树分类方法有较好效果,该方法用于小麦、果树和大棚的提取,误差值分别为10.68%、6.06%和16.48%,面积提取误差在17%以内,对无人机多光谱遥感影像进行地物识别具有一定的适用性。【结论】无人机低成本、高效率的优势为农田信息及时获取提供参考。     

基于多时相 Sentinel-2 卫星数据的农作物分类研究

【目的】探究研究区农作物分类最佳时相;结合遥感指数探究一种有效的多时相分类方法,提取主要农作物种植分布情况。【方法】基于多时相Sentinel-2卫星数据,采用支持向量机的分类方法对不同时相进行分类,对比分类精度;融合时间序列的NDVI、MNDWI指数之后采用支持向量机的方法进行分类,之后分别利用MNDWI和CI指数结合决策树的分类方法提取水域和田埂。【结果】7月份的分类效果最好,总体精度达到91.05%,Kappa系数达到0.8518;通过时相数据不同组合的分类精度比较,采用3—10月NDVI数据叠加后分类的效果较好,总体精度达到92.25%,Kappa系数达到0.8736;对比3种不同分类方法,以支持向量机的分类结果精度最高,总体精度达到94.19%,Kappa系数达到0.9024。【结论】7月份是研究区农作物分类的最佳时相;多时相分类精度明显高于单景数据分类;结合多时相NDVI、MNDWI、CI 3种遥感指数进行分类可以有效提取研究区主要农作物的种植分布情况。     

多时相高分一号影像在丘陵地区大宗农作物提取中的应用

【目的】基于多时相的高分一号(GF-1)影像,利用面向地块对象分类法提取广西崇左市江州区大宗农作物种植面积,为南方多云雨丘陵地区提取作物信息提供参考。【方法】以2 m分辨率的GF-1影像为数据源,采用人机交互的方式准确识别地表覆盖的地块信息,基于对多时相GF-1影像进行云影检测,并处理生成影像的光谱、归一化植被指数(NDVI)、亮度等特征,采用面向地块对象的分类方法提取甘蔗、水稻和香蕉的作物信息。【结果】根据混淆矩阵评价分类的结果可知,提取大宗农作物的总体精度为90.08%,Kappa系数达0.85,满足农业成果应用的精度要求。【结论】利用有效影像数据,结合地块数据完成作物信息提取,该技术方法能够准确提取丘陵地区大宗农作物信息,为解决南方多云雨丘陵地区提取作物信息难题提供了有效途径。     

基于GF-2影像对恰西国家森林公园的遥感分类

【目的】 选用面向对象的监督分类法,对研究区域的天山云杉林进行遥感分类,选取一种分类效果最佳的方法,为该区域的林地资源调查、动态监测评价提供依据。【方法】 基于高分二号(GF-2)遥感影像数据,借助ESP 尺度评价工具和目视解译相结合,筛选研究区各地物最优分割尺度,利用3种不同分类方法在此基础上进行遥感分类。【结果】 研究区内的水体、道路、其他用地、林地和草地的最优分割尺度,分别为390、372、316、296、246;其次在各地物最优分割尺度下,比较最邻近分类、结合矢量数据分类和阈值分类3种方法,经过精度评估发现,3种分类方法的 Kappa 系数和总体精度值分别为0.760 7、0.782 0、0.840 6和0.814 8、0.830 5、0.876 5。【结论】 阈值分类方法优于其他2种方法,选用更为优良的阈值分类方法引入解决该地区林地资源调查是可行的。     

基于GF-1/WFV时间序列的葡萄遥感识别

为研究GF-1时间序列影像的识别技术对大尺度葡萄信息识别提取的可行性,探索大尺度葡萄快速精确提取的新思路。基于GF-1/WFV时间序列影像数据分析试验区主要植被类型的归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)、增强型植被指数(Enhanced vegetation index,EVI)的时序变化特征,结合葡萄物候期构建决策树,提取宁夏贺兰山东麓葡萄的空间分布信息。结果表明,该方法可以有效提取贺兰山东麓葡萄分布信息,分类总体精度为95%,Kappa系数为0.91。葡萄提取的生产精度为93%,用户精度为96%。在时间序列数据中,葡萄提取的窗口期为3—5月掩埋期和7—9月生长旺盛期。NDVI时间序列能够较好地区分作物和防护林,EVI时间序列能够区分葡萄地和防护林。     

基于Bi-LSTM模型的时间序列遥感作物分类研究

【目的】及时、准确地作物分类制图是农情监测的重要依据。本研究基于双向长短期记忆网络模型探究深度学习技术在时间序列遥感作物分类与早期识别中的应用潜力。【方法】本文以黄河三角洲地区为例，以哨兵2号全年可用卫星影像为数据源，构建年时间序列NDVI数据集;采用循环神经网络构架，搭建针对结构化时序数据的双向长短期记忆网络模型（bidirectional long short-term memory，Bi-LSTM），开展遥感作物分类，并评估模型的泛化能力;通过输入不同长度时间序列遥感数据，探究满足一定制图精度条件下的作物最早可识别时间。【结果】作物年生长时序特征对于大多数作物遥感分类识别都具有较好的区分能力，基于年时间序列NDVI数据的Bi-LSTM模型作物分类总体准确率达90.9%，Kappa系数达到0.892。通过测试不同时间序列长度对作物分类的影响发现，对大多数作物来说，其分类精度随着数据时间序列长度增加而不断提高，冬小麦、水稻等作物在生长季早期即具有较为独特的分类特征，因而利用生长季早期的时间序列影像即可获得较高的制图精度，而棉花、春玉米等作物需要完整生长序列影像才能更好地保证分类精度。【结论】卫星影像时间序列蕴含的结构化特征信息可以有效地降低特定时段的作物光谱混淆;双向循环神经网络模型能够同时考虑前向和后向的时间状态信息，可以学习作物不同阶段的光谱变化特征，在水稻、棉花、春玉米等易混淆作物的识别上表现优异;模型能够有效地把握样本总体上的变化趋势，在农作物多分类任务中表现出较好的泛化能力和鲁棒性。本研究通过集成深度学习和遥感时间序列，为及时、快速的区域作物高精度制图提供了可行的思路。     

遥感监测适用性分析

【目的】验证GF-1 WFV(16 m分辨率)在不食草马先蒿遥感监测的适用性,了解巴音布鲁克草原不食草马先蒿的分布。【方法】利用校正后的GF-1 WFV遥感卫星影像,结合实测光谱数据,采用目视解译结合监督分类的方法,对研究区的不食草马先蒿进行识别,验证其分类精度,并对研究区马先蒿的分类精度和分布情况进行分析。【结果】影像解译整体精度为80.91%,Kappa系数为0.71,分类结果较好;得到了巴音布鲁克草原不食草马先蒿分布范围和影响分类精度的主要原因。【结论】利用16 m分辨率GF-1 WFV多光谱遥感数据对巴音布鲁克草原不食草马先蒿进行遥感监测是可行的。通过对研究区遥感解译的分类结果和实地踏查发现,不食草马先蒿危害面积较大,且多为连片分布、顺河流分布;危害较为严重的区域为巴音布鲁克总场巴音布鲁克分场、巴音郭楞乡哈尔萨拉村、巴音布鲁克镇巴西里克村。     

协同多源国产高分影像和面向对象方法的南方农作物遥感识别

【目的】中国南方地区云雨频繁且农业景观破碎，是我国农作物遥感监测最具挑战的区域之一。我国自主研发的高分系列卫星具有高时空分辨率和高质量成像的特点。本研究挖掘多源高分系列卫星的时间和空间双重优势，实现多云雨及景观异质区作物精细化识别。【方法】基于国产高空间分辨率高分二号（GF-2）影像表征农田空间几何特征，协同中空间分辨率高分一号（GF-1）和高分六号（GF-6）加密影像观测时间序列，充分表征农作物光谱季相节律。通过构建光谱-时相-空间三维分类特征，基于随机森林进行农作物分类并计算不同特征的重要性。同时，设置不同影像组合和不同分类单元下的多种分类场景，进一步分析不同高分数据协同利用在农作物识别上的表现差异。【结果】基于GF-1、GF-2和GF-6影像和面向对象的农作物分类在湖北省潜江市研究区的总体精度为95.49%,Kappa系数为0.94；在枣阳市的总体精度为93.78%,Kappa系数为0.92。协同GF-2和GF-6进行农作物分类精度优于协同GF-2和GF-1。此外，基于GF-2进行面向对象的农作物分类效果优于面向像元，其中潜江总体精度提升了1.4%，枣阳提升了1.32%。相比GF...     

Crop Identification Based on TWDTW Method and Time Series GF-1 WFV

【Objective】 Yanqi Basin is an important production base of characteristic agricultural products in Xinjiang, and the planting structure of crops is complicated. In this study, the time series remote sensing data were used to classify and identify crops in the study area, so as to obtain the spatial distribution of different crops and their planting areas, which were the important basis for government sectors to formulate grain policies and economic plans. At the same time, the applicability of time-weighted dynamic time warping (TWDTW ) method in crop classification and the application potential of GF-1 WFV in agriculture were also discussed.【Method】 The normalized vegetation index (NDVI), calculated from the 2018 time series GF-1 WFV data set in Yanqi Basin, Xinjiang, was used to study the crops recognition based on TWDTW method. Sample points of different crops were collected to form standard sequence of NDVI for each crop. The TWDTW similarity matching algorithm was used to calculate the similarity distance between each pixel to be classified and the standard sequence of different crops. The smaller the distance was, the higher the similarity was. The similarity was used to determine the crop type of the pixel, and the final classification result was obtained. At the same time, the classification rules of decision tree were established according to the NDVI curve of time series, and the classification result was obtained by manually setting the classification threshold, and compared with that of the TWDTW method. 【Result】 The classification results of the two methods were very consistent. Peppers were the most widely planted and the wheat was mainly distributed in the northern part of the Yanqi Basin and the 21st Division of the Second Agricultural Division. The distributions of tomato and sugar beet were relatively sporadic. Among the results of planting area, pepper had the largest planting area, followed by tomato, wheat and sugar beet. The accuracy of the classification results of the TWDTW and decision tree methods was verified by the field sample points: The overall accuracy of them were 89.58% and 90.97%, respectively, and the kappa index of them were 0.804 and 0.830, respectively. The classification accuracy of the TWDTW method was slightly higher than that of the decision tree method. 【Conclusion】 Compared with the decision tree classification method, the classification accuracy of the TWDTW method was slightly improved, the classification result was more objective and reliable. The algorithm of TWDTW method was not limited by geographical factors and had strong flexibility and applicability. The experimental results showed that using TWDTW algorithm to identify crops based on the GF-1 WFV data set of dense temporal phase could get better classification results, and it had great application and popularization value in agricultural field.     

基于机器视觉的核桃仁动态分级研究

【目的】基于机器视觉技术研究出一种适合新疆核桃仁动态分级处理的方法。【方法】利用实时采集且已经完成图像预处理的样品核桃图像得到核桃仁特征集合,运用mRMR特征选择算法筛选原始特征集并对特征的重要性进行排列,通过对支持向量机、决策树和朴素贝叶斯三种机器学习算法进行模型训练和测试,得出最佳分级方法,设计核桃仁自动追踪方法和动态分级流程,构建的核桃仁自动分级系统。【结果】在使用特征bin19、K₁和bin15训练朴素贝叶斯分类器时,核桃仁的分级正确率达到最大为97.33%,在动态条件下运用构建的核桃仁自动分级系统对150个核桃仁进行分级测试,正确率为81.33%。【结论】基于机器视觉研究出的核桃仁特征提取与分级方法、核桃仁动态分级处理动作方法,可以有效完成对核桃颜色和完整度的分级。     

不同采收期对新疆焉耆盆地酿酒葡萄及葡萄酒品质的影响

【目的】研究不同采收期对新疆焉耆盆地酿酒葡萄及葡萄酒的影响,为确定酿酒葡萄最佳采收期提供依据。【方法】以葡萄转色期后、不同采收时段的5种红色酿酒葡萄果实和葡萄酒为研究对象,测定果实品质和葡萄酒理化指标,分析不同指标和葡萄最佳采收期之间的关系。【结果】果实品质:梅鹿辄和赤霞珠果实的纵径、横径以及单果重随着采收日期的推移总体均呈现先逐渐增大后减小的趋势,而黑比诺、北玫和北红果实的纵径、横径以及单果重随着采收日期的推移逐渐增大。葡萄果实pH、可溶性固形物含量、固酸比和糖酸比都呈逐渐增大趋势。可溶性固形物从高到低为梅鹿辄＞北红＞北玫＞赤霞珠＞黑比诺。酿造品质:各品种的pH和酒精度随着采收日期的推移,呈现缓慢上升的趋势;酿制的酒样中,黑比诺的总糖含量最高为5.48 g/L,赤霞珠的总糖含量最低为3.71 g/L,均符合GB/T15037-2006葡萄酒分类标准。【结论】在新疆焉耆盆地地区梅鹿辄和赤霞珠的最佳采收期在8月25日,黑比诺、北玫和北红的最佳采收期在8月28日。     

石竹叶斑病病原鉴定

【目的】 研究鉴定引起新疆石河子地区石竹叶斑病的病原,为石竹叶斑病的防治提供理论基础。【方法】 采集典型石竹叶斑病发病叶片利用常规组织法分离和纯化,选取8个代表性菌株,采用菌丝块贴接法和喷雾法测定致病性;应用病菌形态学和rDNA-ITS区、组蛋白3和β-微管蛋白序列进行比对和分析,建立多基因联合系统发育树,确定病原菌的分类地位。【结果】 经形态学鉴定其分生孢子与Alternaria nobilis相似;供试菌株rDNA-ITS区和β-微管蛋白序列与已报道的石竹链格孢(A. nobilis)同源性高达99.0%以上,rDNA-ITS区和β-微管蛋白序列联合构建的系统发育树显示,8个代表菌株均与A. dianthi处于同一分支上,与其它链格孢亲缘关系较远。【结论】 引起石河子地区石竹叶斑病的病原菌为石竹链格孢Alternaria nobilis。     

CRISPR/Cas9技术在园艺作物中的研究进展

【目的】 回顾近年来基因编辑技术在园艺作物中的研究进展,为园艺作物的基础研究与品种培育提供参考。【方法】 从国内外文献资料中收集查阅CRISPR/Cas9技术在园艺作物研究中的研究报道,对其分析汇总。【结果】 传统育种手段难以满足园艺作物对产量和品质日益增长的需求,CRISPR/Cas9技术为其品种改良开辟新的道路,改变园艺作物育种格局,促进其在抵御生物胁迫,响应非生物胁迫,提高果实品质和作物驯化。【结论】 CRISPR/Cas9技术在园艺作物研究中是育种工作不可或缺的关键性技术。     

基于高通量测序技术的酿酒葡萄产区土壤微生物多样性

【目的】研究新疆4大酿酒葡萄产区土壤中的微生物群落结构及多样性,为构建新疆酿酒葡萄主产区的微生物菌库奠定基础。【方法】分别从新疆酿酒葡萄主产区采集土壤样品,提取总DNA,通过Illumina MiSeq高通量测序结合生物信息学分析,得到新疆酿酒葡萄主产区的土壤微生物群落结构及多样性。【结果】在12份土壤样品中,伊犁河谷土壤中细菌的群落多样性最高,天山北麓土壤中细菌群落多样性最低;吐哈盆地中真菌群落多样性最低,焉耆盆地中真菌的群落多样性最高。节杆菌属细菌和耐冷酵母属真菌是吐哈盆地和天山北麓葡萄园土壤中的优势菌属;芽单胞菌属细菌和刚毛四枝孢属真菌是伊犁河谷葡萄园土壤中的优势菌属;节杆菌属细菌和赤霉菌属真菌是焉耆盆地葡萄园土壤中的优势菌属。土壤pH值对细菌群落组成的影响最显著,Mn元素含量对真菌群落组成的影响最显著。【结论】揭示了新疆酿酒葡萄主产区土壤中细菌和真菌群落组成,新疆酿酒葡萄产区的微生物多样性存在差异。     

基于无人机影像的天山云杉林单木树冠信息提取

【目的】 研究树冠信息估测出林分密度、生长量等森林调查指标,判断林木生长优良状况提供参考,【方法】 基于无人机遥感影像,以新疆农业大学实习林场主伐迹地下天山云杉林(Picea Schrenkiana var tianshanica)为研究对象,采用高斯-拉普拉斯算子(Laplacian of Gaussian,LOG)结合最大类间方差寻找最优阈值(Otsu)对影像进行处理,并利用标记控制分水岭分割方法分别提取疏、中、密3种不同郁闭度的天山云杉单木树冠信息。【结果】 利用优化后的标记控制分水岭分割方法较好的解决了过分割问题,对单木树冠信息提取的F测度在疏、中、密林区分别是98.26%、92.91%和87.57%。【结论】 使用的方法提取单木树冠信息精度较高,可以评价对天山云杉林的生长状况,可对主伐迹地下天山云杉林的更新和恢复提供可靠的技术支撑。