一種棗樹冠層氮含量的衛星遙感監測方法與流程
2023-07-21 19:14:16
本發明屬於衛星遙感監測技術領域，具體涉及一種棗樹冠層氮含量的衛星遙感監測方法。
背景技術：
氮素是棗樹生長必不可少的營養元素，快速獲取氮素含量信息是監測棗樹生長發育及品質保證的前提，也是棗樹氮肥施用量最可靠的數字依據。現有的棗樹冠層氮含量測定方法大致可以分為光譜測量和室內化學分析測定兩種技術，其中光譜測定雖然具有環保、快速、無損的優點，但是只適用于田塊尺度，而針對於區域尺度的棗樹冠層氮含量的監測來講，其工作量相較於衛星遙感監測要大很多，導致其在時效性方面具有滯後於農業生產實際需求的弱勢，室內化學分析測定方法需要配製化學試劑，測定過程中化學尾液排放對環境造成汙染和對人體造成傷害，而且存在操作步驟繁瑣，監測時間長的缺陷。而衛星遙感可以快速、經濟、環保、無損的監測大面積(縣域尺度及以上或1萬畝及以上)棗樹冠層的氮素含量。但目前關於利用衛星遙感數據應用於棗樹冠層氮素含量的研究甚少，尤其是缺乏相應的棗樹氮素含量反演模型。
因此，目前急需一種利用衛星遙感數據應用於大面積棗樹冠層氮素含量的監測方法，為棗園的氮肥精準施用提供可靠的數字依據，該方法可提高氮肥利用率，降低生產成本，提高棗農的收益。
技術實現要素：
為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種無汙染、操作簡便、快速精確的棗樹冠層氮含量的監測方法，該方法實現了大面積棗樹冠層氮含量的快速準確檢測，不需要配製任何化學試劑，避免了測定過程中化學尾液排放對環境的汙染和對人體的傷害，同時也大大簡化了操作步驟，縮短了監測時間，能滿足農業生產中區域尺度的棗園短時間內要求獲取冠層氮含量數據的需求，為棗樹田間管理中氮肥的精準施用提供了快速獲取施肥量依據的手段。
具體的，本發明提供的棗樹冠層氮含量的衛星遙感監測方法，其包括如下步驟：
S1：確定待監測區域；
S2：下載待監測區域的衛星遙感影像；
S3：對下載的衛星遙感影像進行幾何精校正；
S4：對幾何精校正後的衛星遙感影像進行輻射校正；
S5：對輻射校正後的衛星遙感影像進行大氣校正；
S6：對大氣校正後的衛星遙感影像進行裁剪，得到監測區域影像；
S7：計算監測區域影像中每個像元的NG、MSAVI2、GSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI共6個植被指數；
S8：將與每個像元對應的6個植被指數NG、MSAVI2、GSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI通過ENVI5.1軟體的波段運算功能代入棗樹冠層氮含量的模型，Y＝8.00112NG-6295.884MSAVI2-88.38575GSAVI+6412.2GMSAVI2-12832.69GDVI+12833.54DVI-55.3405，計算出監測區域中對應像元的棗樹冠層氮含量；
其中，Y為棗樹冠層的氮含量，單位為％。
優選地，S2中，所述衛星遙感影像來源於Landsat8衛星，其空間解析度為30米。
更優選地，S7中，所述NG的計算公式為：NG＝G/(NIR+R+G)；所述MSAVI2的計算公式為：MSAVI2＝0.5*[2*(NIR+1)-SQRT((2*NIR+1)2-8*(NIR-R))]；所述GSAVI的計算公式為：GSAVI＝1.5*[(NIR-G)/(NIR+G+0.5)]；所述GMSAVI2的計算公式為：GMSAVI2＝0.5*[2*(NIR+1)-SQRT((2*NIR+1)2-8*(NIR-G))]；所述GDVI的計算公式為：GDVI＝NIR-G；所述DVI的計算公式為：DVI＝NIR-R；
其中，G代表Landsat8衛星遙感影像大氣校正後的TM3波段的反射率，其波段區間為0.525-0.600μm；R代表Landsat8衛星遙感影像大氣校正後的TM4波段的反射率，其波段區間為0.630-0.680μm；NIR代表Landsat8衛星遙感影像大氣校正後的TM5波段的反射率，其波段區間為0.845-0.885μm。
優選地，S3-S5中，所述幾何精校正、所述輻射校正、所述大氣校正均在軟體ENVI5.1中完成。
更優選地，所述大氣校正採用FLAASHAtmosphericCorrection方法。
本發明提供的棗樹冠層氮含量的衛星遙感監測方法，實現了待監測區域快速、準確、經濟、環保的獲取棗樹冠層氮含量數據，相較於傳統的室內化學分析測定方法來講，該發明不需要配製任何化學試劑，避免了測定過程中化學尾液排放對環境的汙染和對人體的傷害，同時也大大簡化了操作步驟，縮短了監測時間，而相對於光譜測定方法來講，該發明的優勢是在大面積棗園氮元素監測時更快速、更省力、更經濟。該發明能滿足農業生產中區域尺度的棗園能在短時間內獲取冠層氮含量數據的需求，為棗樹田間管理中氮肥的精準施用提供了快速獲取施肥量依據的手段，適合推廣應用於區域尺度(縣域尺度及以上或1萬畝及以上)的棗園氮素監測。
附圖說明
圖1為本發明實施例中提供的棗樹冠層氮含量實測值與衛星遙感監測值散點圖(n＝30)。
具體實施方式
為了使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案能予以實施，下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但所舉實施例不作為對本發明的限定。
一種棗樹冠層氮含量的衛星遙感監測方法，具體包括以下步驟：
查詢Landsat8衛星在該待監測區域的過境時間，該Landsat8衛星的解析度為30米，衛星過境時如果天氣晴朗無雲，下載Landsat8衛星在該待監測區域當日的遙感影像。本實施例的具體實施時間為2016年8月9日，待監測區域為新疆一師11團地域內的巴山公司的紅棗基地，當日天空晴朗無雲。本實施例共採集了60個棗樹冠層的樣品，其中30個樣品用於構建棗樹冠層氮含量的反演模型，另外30個用於檢驗模型的反演精度。
下載該監測區域的衛星遙感影像後，對衛星遙感影像進行幾何精校正，然後對幾何精校正後的衛星遙感影像進行輻射校正，接著對輻射校正後的衛星遙感影像進行大氣校正，最後對大氣校正後的衛星遙感影像進行裁剪，裁剪出監測區域影像。上述幾何精校正、輻射校正、大氣校正依次進行，且在軟體ENVI5.1中完成。
在監測區域影像內，以相對於實際地面面積為30m*30m且邊線的朝向為正南正北或正東正西方向的的正方形作為一個像元，隨機選取多個像元作為對應多個待監測的取樣單元，並以選取的取樣單元的對角線交叉點為中心，記錄該中心的地理坐標信息，以代表該取樣單元的位置信息，在所述取樣單元內採用5點法取樣，相鄰兩個取樣單元的中心點之間的距離不小於50米，本實例共採集60個取樣單元的信息。在裁剪後的Landsat8衛星影像上利用ArcGis軟體的Extraction功能提取每個取樣單元的棗樹冠層的TM3波段、TM4波段、TM5波段的反射率，然後通過TM3波段、TM4波段、TM5波段的反射率數據計算每個取樣單元的棗樹冠層的NG、NR、NNIR、RVI、GRVI、DVI、GDVI、NDVI、GNDVI、SAVI、GSAVI、OSAVI、GOSAVI、MSAVI2、GMSAVI2、RDVI、GRDVI共17個植被指數。
同時，採集對應取樣單元的葉片，具體為在與上述同一取樣單元內採用5點法取樣，然後混合成一個樣，取樣時需均勻的採集棗樹冠層上、中、下部位的葉片，採集好的樣品帶回實驗室後烘乾研磨成粉狀樣品，進行化學分析測定其氮含量。
具體的，上述各植被指數的具體計算公式為：NG＝G/(NIR+R+G)；NR＝R/(NIR+R+G)；NNIR＝NIR/(NIR+R+G)；RVI＝NIR/R；GRVI＝NIR/G；DVI＝NIR-R；GDVI＝NIR–G；NDVI＝(NIR-R)/(NIR+R)；GNDVI＝(NIR-G)/(NIR+G)；SAVI＝1.5*[(NIR-R)/(NIR+R+0.5)]；GSAVI＝1.5*[(NIR-G)/(NIR+G+0.5)]；OSAVI＝(NIR-R)/(NIR+R+0.16)；GOSAVI＝(NIR-G)/(NIR+G+0.16)；MSAVI2＝0.5*[2*(NIR+1)-SQRT((2*NIR+1)2-8*(NIR-R))]；GMSAVI2＝0.5*[2*(NIR+1)-SQRT((2*NIR+1)2-8*(NIR-G))]；RDVI＝SQRT(NDVI*DVI)；GRDVI＝SQRT(GNDVI*GDVI)；其中，上述各計算公式中，G代表Landsat8衛星遙感影像大氣校正後的TM3波段的反射率，其波段區間為0.525-0.600μm；R代表Landsat8衛星遙感影像大氣校正後的TM4波段的反射率，其波段區間為0.630-0.680μm；NIR代表Landsat8衛星遙感影像大氣校正後的TM5波段的反射率，其波段區間為0.845-0.885μm。
將每個取樣單元內採集的棗樹冠層樣品採用傳統的室內分析方法獲得的氮含量標準結果與NG、NR、NNIR、RVI、GRVI、DVI、GDVI、NDVI、GNDVI、SAVI、GSAVI、OSAVI、GOSAVI、MSAVI2、GMSAVI2、RDVI、GRDVI數值進行相關性矩陣分析，選擇相關性達極顯著水平的植被指數作為建模入選因子，但如果入選的植被指數之間的自相關性達極顯著水平，則只選取其中與氮含量相關性最高的植被指數作為入選因子。
根據以上方法本次共選出NG、MSAVI2、GSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI共6個植被指數作為棗樹冠層氮含量的建模因子。
根據30個採用傳統的室內分析方法獲得的氮含量數據與其對應的取樣單元的NG、MSAVI2、GSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI數值，採用偏最小二乘法構建棗樹冠層氮含量的模型，其模型為：
Y＝8.00112NG-6295.884MSAVI2-88.38575GSAVI+6412.2GMSAVI2-12832.69GDVI+12833.54DVI-55.3405。
其中，Y為棗樹冠層的氮含量，單位為％。
將剩餘30個取樣單元的NG、MSAVI2、GSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI數值代入棗樹冠層氮含量的模型進行反演：
Y＝8.00112NG-6295.884MSAVI2-88.38575GSAVI+6412.2GMSAVI2-12832.69GDVI+12833.54DVI-55.3405，計算其對應的氮含量數據，並將其與傳統的室內化學分析方法的測定結果進行比較，檢驗該模型的反演精度。
表1是利用室內化學測定法獲取的棗樹冠層氮含量的真實值與利用上述棗樹冠層氮含量衛星遙感監測模型得到的監測值的統計數據。
表1棗樹冠層氮含量測定值與衛星遙感監測結果的對比(樣本數為30)
從表1可知，真實值與監測值二者的平均值、最大值、最小值非常相近。圖1是棗樹冠層氮含量檢測值與真實值的擬合程度。其中真實值的測定方法為國標法開氏-蒸餾法。真實值與檢測值之間的決定係數(R2)達到0.78，均方根誤差(RMSE)僅有0.19％，平均絕對誤差(MAE)只有0.14％，標準差與均方根誤差比(RPD)達到2.14，根據RPD評價標準，RPD>2.0，說明模型具有高精度預測的能力。該結果表明，本發明的方法可以準確、快速的監測棗樹冠層氮含量。
以上所述實施例僅是為充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，其保護範圍不限於此。本技術領域的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明的保護範圍之內，本發明的保護範圍以權利要求書為準。