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基于遥感时序物候特征的耕地非粮化多模式监测方法

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农业工程学报 2024年第2期40卷 283-294页

作者：杨悦杨贵军龙慧灵张静陈伟男高美玲杨耘长安大学土地工程学院西安710054 长安大学地质工程与测绘学院西安710054 农业农村部农业遥感机理与定量遥感重点实验室北京市农林科学院信息技术研究中心北京100097

耕地非粮化对粮食生产和农业可持续发展构成潜在威胁,精准监测不同的耕地非粮化类型对制定针对性的农业管理政策至关重要。该研究以河北省石家庄市藁城区为研究区,首先采用最大类间方差算法(OTSU)提取果园和耕地范围,然后利用Google Ear... 详细信息

耕地非粮化对粮食生产和农业可持续发展构成潜在威胁,精准监测不同的耕地非粮化类型对制定针对性的农业管理政策至关重要。该研究以河北省石家庄市藁城区为研究区,首先采用最大类间方差算法(OTSU)提取果园和耕地范围,然后利用Google Earth Engine(GEE)云计算平台构建了基于Sentinel-2遥感数据的特征集,包括光谱特征、物候特征和NDVI(normalized difference vegetation index)时序特征。结合面向对象分割和随机森林(radom forest, RF)、时间加权的动态时间规整(time-weighted dynamic time warping, TW-DTW)算法,构建了4种不同的分类模式用于提取粮食作物和露天蔬菜、大棚种植等非粮食作物。通过选择最优模式,提取了研究区2019-2022年间不同非粮化类型的空间分布信息,并探讨了不同模式的优点和局限性。结果表明:1)采用面向对象的机器学习模式进行耕地内作物分类的精度最佳,两个生长季内总体精度分别达到93.23%和90.10%,Kappa系数分别达到0.91和0.88;2)基于时间序列匹配的模式在区分粮食作物和其他地类方面表现出较高的准确性,冬小麦、玉米和大豆的用户精度分别高于95.60%、74.70%、82.70%,制图精度分别高于97.70%、86.40%、93.10%;3)利用面向对象的机器学习模式进行耕地非粮化信息提取,在两个作物生长季的总体精度为87.00%和81.00%。分析耕地非粮化结果发现,藁城区2019-2022年的年际性非粮化面积为2 753.09 hm^(2),其中果园占比最高;而季节性非粮化结果显示,秋粮非粮化面积(3 174.86 hm^(2))明显高于夏粮非粮化面积(1 060.27 hm^(2))。该研究利用Sentinel-2时序遥感数据,为一年两熟区耕地非粮化监测提供一种新的思路,可以为制定差异化农业管理政策提供依据。

关键词：遥感时间序列耕地非粮化机器学习时间加权的动态时间规整

基于中红外光谱特征增强和集成学习的土壤有机碳含量估算

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农业机械学报 2024年

作者：唐澳华杨贵军杨悦陈伟男徐新刚徐波高美玲张静北京农业信息技术研究中心农业农村部农业遥感机理与定量遥感重点实验室长安大学地质工程与测绘学院长安大学土地工程学院

中红外光谱数据在实现土壤有机碳含量的准确、低成本快速预测方面具有巨大潜力。为提高光谱数据估算模型的普适性，本研究利用光谱特征增强策略，并基于Stacking算法结合多种机器学习方法构建了一种高鲁棒性的土壤有机碳含量估算模型。... 详细信息

中红外光谱数据在实现土壤有机碳含量的准确、低成本快速预测方面具有巨大潜力。为提高光谱数据估算模型的普适性，本研究利用光谱特征增强策略，并基于Stacking算法结合多种机器学习方法构建了一种高鲁棒性的土壤有机碳含量估算模型。采用多种光谱特征增强方法及其组合对土壤中红外光谱进行特征增强，筛选最佳策略；通过应用Stacking算法结合多种机器学习方法构建集成模型，以提高模型的泛化能力；将集成模型的估算性能与偏最小二乘回归模型(PLSR)、梯度提升树(GBT)和一维卷积神经网络(1D-CNN)模型进行比较分析。研究结果表明，最佳光谱特征增强策略可以显著提高土壤光谱数据与土壤有机碳含量的相关性，最佳Pearson相关系数达到-0.82；相较于PLSR、GBT和1D-CNN等模型，集成模型在各光谱数据下均表现出较高的估算精度，特别是在一阶导变换结合多元散射校正的光谱特征增强策略下，集成模型展现出卓越的估算性能(决定系数R2= 0.92，均方根误差为1.18 g/kg，相对分析误差为3.52)。本研究方法能够快速、准确地估算土壤有机碳含量，为现代农业管理提供科学依据。

关键词：土壤有机碳集成学习光谱特征增强中红外光谱

SAR数据在土壤盐渍化监测中的应用研究进展

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地球信息科学学报 2024年第8期26卷 1893-1910页

作者：刘康怡赵振宇李俐中国农业大学土地科学与技术学院北京100083 农业农村部农业灾害遥感重点实验室北京100083

土壤盐渍化不仅会造成土地荒漠化等生态问题,而且可能减低耕地数量和质量,对粮食安全构成威胁。快速、准确地获取土壤盐渍化信息对及时有效的土壤治理具有重要意义。近些年来,微波遥感的发展为大面积快速实现土壤盐渍化监测提供了新的思... 详细信息

土壤盐渍化不仅会造成土地荒漠化等生态问题,而且可能减低耕地数量和质量,对粮食安全构成威胁。快速、准确地获取土壤盐渍化信息对及时有效的土壤治理具有重要意义。近些年来,微波遥感的发展为大面积快速实现土壤盐渍化监测提供了新的思路,基于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)数据的土壤盐渍化监测成为当前遥感土壤盐渍化研究领域的热点之一。本文从盐渍化土壤微波散射机理、盐渍化土壤特征参数的构建与提取、盐渍化土壤分类、土壤含盐量反演4个方面总结国内外土壤盐渍化SAR遥感监测的主要进展与标志性成果:(1)盐渍化土壤微波散射机理的研究明确了土壤含盐量与雷达后向散射系数的相关关系;(2)盐渍化土壤特征参数的构建与提取呈现多元化、综合化变化趋势;(3)盐渍化土壤分类方法从机器学习向深度学习方法转移;(4)土壤含盐量反演从回归分析向结合散射机理的反演方法转化。同时,本文提出现有研究存在的问题和挑战:土壤含盐量与后向散射系数关系受到多种因素的影响,实现高精度的土壤盐渍化SAR遥感技术监测,还需更深入的机理解析、特征构建和多源数据的融合利用。

关键词：合成孔径雷达土壤盐渍化后向散射系数土壤介电常数监测研究进展土壤含盐量反演

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中国耕地种植制度遥感探测及其时空特征

中国农业科学 2024年第8期57卷 1469-1489页

作者：张素心申格余强毅吴文斌中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室/农业农村部农业遥感重点实验室浙江财经大学土地与城乡发展研究院

【目的】耕地种植制度是农业生产方式的具体体现，其形成受自然资源要素与人类土地利用行为综合影响，反映了“人类-自然”的耦合关系。本研究旨在科学掌握全国耕地种植制度格局，为优化农业生产布局、提高农业生产能力、推动农业可持... 详细信息

【目的】耕地种植制度是农业生产方式的具体体现，其形成受自然资源要素与人类土地利用行为综合影响，反映了“人类-自然”的耦合关系。本研究旨在科学掌握全国耕地种植制度格局，为优化农业生产布局、提高农业生产能力、推动农业可持续性发展提供依据。【方法】结合遥感监测与空间决策树模型等手段，构建适合我国农情的跨年度种植制度探测方法体系，并开展空间格局分析。首先，通过辨析种植强度、复种指数等概念，从长期性、周期性、稳定性等方面，定义种植制度的内涵；其次，构建连续度、频度指标，并利用基于时序遥感的2001—2018年中国复种指数监测结果，结合时间滑动窗口方法，在像元尺度分别计算两个指标的具体值；最后，评估耕地的种植强度与种植制度特征的显著性，利用决策树方法确定种植制度类型，从区域差异、动态规律等方面分析不同区域种植制度的时空异质特征。【结果】（1）面积上看，一年一熟所占面积最大，占53.52%，超过耕地总面积的一半；其次是一年两熟，占23.28%，季节性休耕（如两年三熟）与年度休耕分别占12.80%和6.94%。（2）空间上看，一年一熟、一年两熟、季节性休耕与年度休耕的集中分布区分别为东北地区、华北地区、长江以南地区与“镰刀弯”地区。（3）时间上看，动态稳定的种植制度从时间维度上揭示了静态复种指数背后的异质性，例如，2018年复种指数为1的区域，其中75.18%属于一年一熟、6.60%属于一年两熟、8.92%属于季节性休耕、8.02%属于年度休耕。【结论】本研究提出了一种结合时序遥感监测与空间决策树模型的跨年度分类体系，揭示了中国耕地种植制度分区聚集、种植强度南高北低的空间格局，直观展现了松嫩平原、“镰刀弯”等空间聚集区；分析了耕地复种与种植制度的时空差异特征，主要表现在种植制度与年度复种指数的空间不一致性，以及种植制度特有的周期性。研究结果可为合理提高耕地复种强度、推动实施“藏粮于地”战略提供案例支撑。

关键词：耕地种植制度复种休耕轮作跨年度时空格局

基于合成孔径雷达数据的农作物长势监测研究进展

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智慧农业（中英文） 2024年第1期6卷 46-62页

作者：洪玉娇张硕李俐中国农业大学土地科学与技术学院北京100083 农业农村部农业灾害遥感重点实验室北京100083

[目的/意义]农作物长势监测能及时提供农作物的生长状态信息,对于加强中国作物生产管理、确保国家粮食安全具有重要的意义。卫星遥感技术的发展为大面积的作物长势监测提供了契机。然而,在雨热同期的作物生长旺季,光学遥感数据的获取经... 详细信息

[目的/意义]农作物长势监测能及时提供农作物的生长状态信息,对于加强中国作物生产管理、确保国家粮食安全具有重要的意义。卫星遥感技术的发展为大面积的作物长势监测提供了契机。然而,在雨热同期的作物生长旺季,光学遥感数据的获取经常受到天气的限制。因此,近年微波雷达遥感技术受到了广泛重视。[进展]梳理了利用合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)数据进行农作物长势监测的国内外研究现状,从农作物长势SAR遥感监测指标、农作物长势SAR遥感监测数据和农作物长势SAR遥感监测方法3个方面对基于SAR数据农作物长势监测研究进展与标志性成果进行总结。在分析常用于农作物长势监测的方法及其适用性的基础上,对它们在长势监测中应用情况进行分析。[结论/展望]提出了4个国内外SAR监测农作物长势所存在的问题:1)基于SAR数据的农作物长势监测方法研究整体较少;2)微波散射特征挖掘不够,特别是对极化分解参数的长势监测应用研究还有待深入;3)针对农作物长势监测中的雷达植被指数相对较少,其应用尚未得到充分发挥;4)基于SAR散射强度的农作物长势监测主要采用经验模型,难以推广到不同地区和类型的农作物上。最后,展望未来的研究应聚焦于挖掘微波散射特征、利用SAR极化分解参数、发展和优化雷达植被指数以及深化散射模型来监测农作物长势。

关键词：长势监测合成孔径雷达雷达植被指数机理模型法

基于中红外光谱特征增强和集成学习的土壤有机碳含量估算模型研究

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农业机械学报 2024年第8期 382-390页

作者：唐澳华杨贵军杨悦陈伟男徐新刚徐波高美玲张静长安大学地质工程与测绘学院农业农村部农业遥感机理与定量遥感重点实验室长安大学土地工程学院

中红外光谱数据在实现土壤有机碳含量的准确、低成本快速预测方面具有巨大潜力。为提高光谱数据估算模型的普适性，本研究利用光谱特征增强策略，并基于Stacking算法结合多种机器学习方法构建了一种高鲁棒性的土壤有机碳含量估算模型。采用多种光谱特征增强方法及其组合对土壤中红外光谱进行特征增强，筛选最佳策略；通过应用Stacking算法结合多种机器学习方法构建集成模型，以提高模型泛化能力；将集成模型估算性能与偏最小二乘回归模型（PLSR）、梯度提升树（GBT）和一维卷积神经网络（1D-CNN）模型进行比较分析。研究结果表明，最佳光谱特征增强策略可以显著提高土壤光谱数据与土壤有机碳含量的相关性，最佳Pearson相关系数达到-0.82;相较于PLSR、GBT和1D-CNN等模型，集成模型在各光谱数据下均表现出较高的估算精度，特别是在一阶导变换结合多元散射校正的光谱特征增强策略下，集成模型展现出优良的估算性能（决定系数R2=0.92,均方根误差为1.18 g/kg,相对分析误差为3.52）。本研究方法能够快速、准确地估算土壤有机碳含量，可为现代农业管理提供科学依据。

关键词：土壤有机碳估算模型集成学习光谱特征增强中红外光谱

以粪污水热资源化为核心的高效种养结合系统分析与展望

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农业工程学报 2024年第12期40卷 1-12页

作者：徐永洞刘志丹中国农业大学水利与土木工程学院农业农村部设施农业工程重点实验室环境增值能源实验室北京100083

种养结合系统是实现养殖业和种植业可持续发展的重要途径。水热技术可以将畜禽粪污快速直接转化生产生物原油、水热炭、水相产物和气体产物,生成物分别具有燃料、土壤改良、农用杀菌剂和气体肥料应用潜力,以粪污水热资源化为核心构建的... 详细信息

种养结合系统是实现养殖业和种植业可持续发展的重要途径。水热技术可以将畜禽粪污快速直接转化生产生物原油、水热炭、水相产物和气体产物,生成物分别具有燃料、土壤改良、农用杀菌剂和气体肥料应用潜力,以粪污水热资源化为核心构建的高效种养结合系统有助于提升畜禽粪污的无害化资源化水平和消纳能力、构建生态可持续的绿色循环农业,实现畜禽粪污资源化利用、种植业和养殖的协同高效发展。该研究基于国内外近十余年的研究,系统综述了粪污水热资源化产物在种养结合生态循环农业模式中的作用和应用潜力,论述了畜禽粪污水热转化生物原油在农业内燃机中作为燃料的研究现状,阐述了水相产物作为潜在的农用杀菌剂在作物病害防控中的作用,梳理了畜禽粪污源水热炭在转化机理、理化特性和还田应用中的研究进展,分析了气相产物中的组分和用于温室种植的潜力。在此基础上总结了以粪污水热资源化为核心的高效种养结合系统面临的主要挑战,并对水热资源化产物农业循环应用的研究方向进行展望。研究为畜禽粪污水热资源化和高效种养结合系统研究提供理论参考。

关键词：畜禽粪污水热炭生物炭水热转化生物原油种养结合系统农作物病害防控

蔬菜育苗高压静电吸附播种机理及系统参数优化

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农业工程学报 2024年第9期40卷 26-38页

作者：孙胜胡斌马金虎吴芯茗罗昕徐晓赟徐洛川石河子大学机械电气工程学院石河子832003 农业农村部西北农业装备重点实验室石河子832003 现代农业机械兵团重点实验室石河子832003

针对现有气吸式穴盘育苗播种机对含杂较多且没有丸粒化的不规则小颗粒蔬菜种子存在吸孔堵塞而导致排种精度下降的技术难题,该研究摒弃小孔径、长导程吸孔,设计了一种基于高压静电吸附特性的蔬菜育苗播种机。通过理论分析及电势等值线分... 详细信息

针对现有气吸式穴盘育苗播种机对含杂较多且没有丸粒化的不规则小颗粒蔬菜种子存在吸孔堵塞而导致排种精度下降的技术难题,该研究摒弃小孔径、长导程吸孔,设计了一种基于高压静电吸附特性的蔬菜育苗播种机。通过理论分析及电势等值线分布仿真试验确定介电绝缘层材料;构建静电吸附力学模型,明确影响静电吸附力的主要因素及其相互关系,确定影响播种性能的电参数及范围;以型孔加工直径、正向高压静电发生器输出电压和种箱底面倾斜角度为试验因素,以播种合格指数、重播指数和漏播指数为响应指标进行三因素三水平Box-Behnken中心组合试验,得到各试验因素与响应指标间的数学模型,应用Design-Expert 10.0.4软件对数学模型进行多目标优化,得到最佳参数组合为:型孔加工直径5.91 mm、正向高压静电发生器输出电压17.67 kV、种箱底面倾斜角度14.69°,此时播种合格指数为91.13%、重播指数为3.02%、漏播指数为5.85%。播种性能验证试验的播种合格指数相较于优化结果降低了0.61个百分点、重播指数相较于优化结果降低了0.17个百分点、漏播指数相较于优化结果增加了0.78个百分点。试验误差在允许范围内,参数优化结果可靠,满足精量播种技术要求。研究结果可为不规则小颗粒蔬菜种子精量播种机械装备的研发提供参考,同时也可为不规则小颗粒物料定量吸附和快速分离方法研究及设备开发提供参考。

关键词：播种机蔬菜制干辣椒高压静电吸附特性

时-空-谱融合自动纯化生成样本的农作物遥感分类

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农业工程学报 2024年第10期40卷 157-167页

作者：刘修宇张锦水吴俊旭申克建北京师范大学遥感科学国家重点实验室北京100875 北京师范大学地理科学学部遥感科学与工程研究院北京100875 农业农村部大数据发展中心北京100125

准确及时地获取农作物种植面积是粮食估产的重要基础,对稳定市场和粮食安全至关重要。随着卫星遥感技术的发展和农作物识别算法的成熟,遥感在农业领域得到了广泛深入的应用,但农作物自动化识别普遍受到缺乏足够代表性训练样本数据的制... 详细信息

准确及时地获取农作物种植面积是粮食估产的重要基础,对稳定市场和粮食安全至关重要。随着卫星遥感技术的发展和农作物识别算法的成熟,遥感在农业领域得到了广泛深入的应用,但农作物自动化识别普遍受到缺乏足够代表性训练样本数据的制约。该研究提出了一种多阶段样本纯化策略,综合考虑时间、空间、光谱和物候信息,基于历史作物空间分布图和当季遥感影像自动生成高质量的训练样本,以支持农作物的自动化识别。利用谷歌地球引擎(google earth engine,GEE)云平台及Sentinel-2数据,采用随机森林算法对浙江省两个地区的水稻进行自动化识别。研究结果表明,该方法能够利用历史专题数据和当季遥感影像生成最新且充足的训练样本,样本点精度高达98.5%。样本点数量和影像特征对分类结果影响的定量分析结果表明,作物识别的精度超过96%,Kappa系数超过0.93。此外,所提算法对含有误差的历史分类数据表现出较好的鲁棒性。研究结果可为区域级农作物识别提供一种可靠的样本自动化生成方法,在大尺度自动化作物制图中具有广泛的应用潜力。

关键词：遥感农作物分类随机森林样本自动生成 Sentinel-2