唐俊 趙成萍 周新志 李博

摘要：近年來，農(nóng)作物長勢監(jiān)測和產(chǎn)量預(yù)測研究大多是通過建立復(fù)雜的生長模型來實現(xiàn)的，而這往往不具有較強的推廣性。本研究建立了一種基于植被指數(shù)和產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的玉米長勢監(jiān)測及產(chǎn)量預(yù)測方法。以玉米為研究對象，利用MODIS09A1數(shù)據(jù)建立其2000-2018年的增強型植被指數(shù)（EVI）時間序列，并將該序列作為徑向基（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，下一階段的EVI值或玉米產(chǎn)量作為網(wǎng)絡(luò)的輸出參數(shù)，完成玉米的長勢監(jiān)測及產(chǎn)量預(yù)測。該方法被成功應(yīng)用到黑龍江省哈爾濱市賓縣的玉米研究中，對玉米EVI值的預(yù)測精度達到了90.0%以上，產(chǎn)量預(yù)測相較于傳統(tǒng)的線性回歸模型也有明顯提高，預(yù)測精度達到了98.6%。依賴植被指數(shù)和產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的長勢監(jiān)測及產(chǎn)量預(yù)測方法有較大的應(yīng)用推廣前景。

關(guān)鍵詞：MODIS09A1;EVI-RBF;玉米;長勢;產(chǎn)量

中圖分類號：S127;S513文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1000-4440（2020）03-0577-07

Maize growth monitoring and yield prediction based on EVI-RBF

TANG Jun1，ZHAO Cheng-ping1，ZHOU Xin-zhi1，LI Bo2

（1.Electronic Information School， Sichuan University， Chengdu 610065， China;2.Joint Laboratory of Water Conservancy Informatization， Sichuan University， Chengdu 610065， China）

Abstract：In recent years， the research of maize growth monitoring and yield prediction is mostly achieved by building complex growth models， but these methods are not easy to be popularized. To overcome the problem， a method of maize growth monitoring and yield prediction was established based on vegetation index and statistical yield data. Taking maize as the research object， the enhanced vegetation index（EVI） time sequence from 2000 to 2018 of the maize was established by using MODIS09A1 data. Moreover， this time sequence was taken as the input parameter of radial basis function （RBF） neural network， and the values of EVI or maize yield in the next stage were taken as the output parameters. This method has been successfully applied to the research on maize in Binxian County， Harbin City， Heilongjiang province， with the prediction accuracy of over 90% for the value of EVI. Compared with the results based on conventional linear regression forecasting method， the prediction accuracy of yield based on the proposed method in this study was significantly improved. In conclusion， the method of growth monitoring and yield prediction based on vegetation index and statistical yield data has a great application prospect.

Key words：MODIS09A1;EVI-RBF;maize;growth;yield

監(jiān)測作物生長狀況，預(yù)測作物產(chǎn)量對國家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1]。遙感技術(shù)已被廣泛用于作物生長狀況監(jiān)測以及產(chǎn)量預(yù)測研究[2]，特別是植被指數(shù)，如歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）已被廣泛用于產(chǎn)量預(yù)測[3-4]。此外，葉面積指數(shù)（LAI）[5]、增強型植被指數(shù)（EVI）[6-7]、標(biāo)準(zhǔn)化差異水指數(shù)（NDWI）[2]等也用于預(yù)測作物產(chǎn)量。長期以來，作物生長狀況的信息是通過實地調(diào)查獲得的，雖然這種方法調(diào)查的信息準(zhǔn)確，但耗費了大量的時間、人力、物力，調(diào)查效率較低，而且其調(diào)查領(lǐng)域受到限制。隨著地理空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)越來越多地應(yīng)用于作物生長狀況監(jiān)測[8-10]。基于遙感技術(shù)的長勢監(jiān)測方法發(fā)展迅速，主要包括影像分類法、同期對比法、作物生長過程監(jiān)測法、作物生長過程模型法等。同期對比法通過建立與作物生長密切相關(guān)的植被指數(shù)序列，結(jié)合輔助統(tǒng)計數(shù)據(jù)，比較歷年間的差異，以達到監(jiān)測長勢的目的，該法簡單易行，在一定時間內(nèi)得到了較為廣泛的應(yīng)用。近年來，更多研究考慮將植被指數(shù)以外的輔助環(huán)境變量（如太陽輻射、溫度、土壤濕度等）融入作物生長過程模型。Seo等[11]通過NDVI及作物生長過程模型模擬生物量，監(jiān)測作物長勢。

作物產(chǎn)量可采用多種模型進行估算，如基于半物理遙感的作物產(chǎn)量模型，基于衛(wèi)星指數(shù)的作物產(chǎn)量模型，基于相關(guān)加權(quán)的農(nóng)業(yè)氣象模型以及作物模擬模型。很多研究使用作物生長模型在不同尺度上進行作物長勢監(jiān)測和產(chǎn)量預(yù)測[12-16]。Parida等[17]通過建立種植面積與產(chǎn)量的線性回歸模型，完成了產(chǎn)量預(yù)測。Guo等[18]通過提高樣本集的精度，更準(zhǔn)確地預(yù)測小麥生長指標(biāo)和產(chǎn)量。Pede等[19]利用衛(wèi)星衍生的地表溫度推導(dǎo)生長度日，進而預(yù)測玉米的平均產(chǎn)量。Jha等[20]使用氣象數(shù)據(jù)完成了水稻產(chǎn)量的預(yù)測。Nevavuori等[21]利用無人機獲取的多光譜數(shù)據(jù)，開發(fā)了一個基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的深度學(xué)習(xí)框架，完成了玉米產(chǎn)量的預(yù)測。Niedbala等[22]基于氣象數(shù)據(jù)和化肥效應(yīng)完成了冬小麥產(chǎn)量的預(yù)測。Li等[23]結(jié)合積溫、EVI及氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立模型，完成了玉米產(chǎn)量的預(yù)測。Skakun等[24]利用Landsat 8和Sentinel-2數(shù)據(jù)建立冬小麥產(chǎn)量評估經(jīng)驗?zāi)Ｐ停芯糠瓷渎屎透髦脖恢笖?shù)與產(chǎn)量的關(guān)系。農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測研究方法大致可分為改進模型、改進數(shù)據(jù)質(zhì)量以及應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或機器學(xué)習(xí)等。

在每個區(qū)域建立作物生長模型是不切實際的，因為該模型需要除遙感數(shù)據(jù)以外的大量輔助數(shù)據(jù)，而這些輔助數(shù)據(jù)一般獲取困難，使得該法的推廣性不強。本研究擬基于EVI時間序列和產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立EVI-RBF模型及產(chǎn)量-RBF模型，其中EVI-RBF模型用于預(yù)測EVI值，進而預(yù)測長勢，而產(chǎn)量-RBF模型則用于預(yù)測產(chǎn)量，以期完成作物長勢及產(chǎn)量的高精度預(yù)測，協(xié)助有關(guān)部門提前調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，實現(xiàn)增產(chǎn)增收。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

圖1顯示，研究區(qū)域位于黑龍江省中部的賓縣。賓縣地處松花江南岸，地跨東經(jīng)126°55′41″～128°19′17″，北緯45°30′37″～46°01′20″，總面積3 844.6 km2，主要作物有水稻、大豆、玉米等，其中玉米是典型的一年一熟制，4月底至5月初為玉米的播種期，9月底至10月初為玉米的收割期。

1.2數(shù)據(jù)源

本研究以Terra/Aqua上的MODIS陸地三級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品-地表反射率產(chǎn)品（MODIS09A1）為主要數(shù)據(jù)源。此數(shù)據(jù)源的特點是空間分辨率適中，可免費獲取，時間間隔為8 d，包含7個反射率波段，其中波段1～2的空間分辨率為250 m，波段3～7空間分辨率為500 m。整個賓縣的研究區(qū)域需要h26v04和h27v04共2景MODIS影像實現(xiàn)全覆蓋。從美國USGS EROS數(shù)據(jù)中心下載了黑龍江省哈爾濱市賓縣2000-2018年玉米所有生長階段（4月23日到10月16日）的圖像，并基于Google Earth Engine平臺對MODIS數(shù)據(jù)進行批量拼接和裁剪工作。

1.3技術(shù)路線

圖2顯示，本研究采用MODIS09A1數(shù)據(jù)，經(jīng)投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)重采樣和圖像裁剪后，獲取可用的反射率數(shù)據(jù)，再利用多時相閾值法篩選出僅包含玉米的區(qū)域，進而提取玉米的EVI值，并建立玉米2000-2018年的EVI時間序列，該序列不僅能夠用于監(jiān)測作物長勢，還可以應(yīng)用到預(yù)測模型中。在EVI-RBF模型中完成EVI值的預(yù)測，將預(yù)測的EVI值與同期EVI值進行差異比較并完成長勢劃分，進而實現(xiàn)長勢的預(yù)測。同時，也可以將EVI時間序列輸入到產(chǎn)量-RBF模型中，完成玉米產(chǎn)量的預(yù)測。

NDVI：歸一化差異植被指數(shù);LSWI：地表水分指數(shù);EVI：增強型植被指數(shù);RBF：徑向基。

1.3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理MODIS09A1數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過了云篩選、大氣校正及幾何校正[25]，但還需要對遙感圖像做如下處理：

（1）利用ENVI軟件將下載的圖像投影轉(zhuǎn)換至WGS84坐標(biāo)系。

（2）數(shù)據(jù)重采樣。采用重采樣精度最高的三次卷積法將500 m分辨率波段重采樣至250 m。

（3）圖像裁剪。以賓縣的行政邊界為基礎(chǔ)，利用ArcGIS軟件導(dǎo)出賓縣的SHP文件，利用此SHP文件對重采樣后的圖像進行裁剪。

（4）玉米區(qū)域篩選。利用裁剪的賓縣遙感圖像，結(jié)合賓縣當(dāng)?shù)氐姆N植模式，基于公式（1）、公式（2）提取的地表水分指數(shù)（LSWI）和NDVI，采用多時相閾值法進一步去除干擾區(qū)域。

（5）計算EVI值。通過公式（3）計算篩選出圖像的EVI值，以供后續(xù)研究使用。

其中，ρNIR、ρRED、ρBLUE、ρSWIR1分別表示近紅外波段、紅光波段、藍光波段及短波紅外1波段的反射率。

使用MODIS09A1數(shù)據(jù)簡化了預(yù)處理過程，對每副圖像數(shù)據(jù)的處理僅需要180 s，縮短了對縣級尺度農(nóng)作物長勢監(jiān)測的預(yù)處理時間。

1.3.2長勢監(jiān)測長勢監(jiān)測包含作物長勢過程監(jiān)測和作物實時監(jiān)測。作物長勢過程監(jiān)測通過建立植被指數(shù)時間序列，形成作物生長過程的動態(tài)曲線，對比曲線的差異，分析作物的整體長勢，同時結(jié)合產(chǎn)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行驗證。作物實時監(jiān)測則是通過比較歷史同時段植被指數(shù)，對差異值進行分級、統(tǒng)計，反映作物的實時生長狀況[26-27]。

本研究利用建立的EVI時間序列，通過對比研究當(dāng)年、前一年、豐產(chǎn)年的數(shù)據(jù)，完成作物長勢過程監(jiān)測。在作物實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，不再對實時的同期圖像進行差異等級劃分，而是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫同時段圖像的EVI均值對作物長勢進行劃分，可以更直觀地了解作物長勢的歷史差異，同時可增強后續(xù)研究工作中對EVI值預(yù)測的實際意義。

1.3.3預(yù)測模型徑向基（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計簡單，并且具有良好的局部逼近性能，所以常常用于解決非線性問題[28]。圖3顯示，EVI時間序列與作物長勢、產(chǎn)量均存在較大聯(lián)系，而這種聯(lián)系往往不是線性的，故可將EVI時間序列作為徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)，產(chǎn)量或者EVI值作為網(wǎng)絡(luò)輸出參數(shù)，得到產(chǎn)量-RBF模型和EVI-RBF模型。