新疆棉花估產(chǎn)遙感的應(yīng)用研究進(jìn)展

閆豫疆，李 佩，陳冬花，李 虎， 黃新利

(1.新疆維吾爾自治區(qū)衛(wèi)星應(yīng)用中心，新疆烏魯木齊 830000；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)勘查院，河南鄭州 450001)

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新疆棉花估產(chǎn)遙感的應(yīng)用研究進(jìn)展

閆豫疆1，李 佩2，陳冬花1，李 虎1， 黃新利1

(1.新疆維吾爾自治區(qū)衛(wèi)星應(yīng)用中心，新疆烏魯木齊 830000；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)勘查院，河南鄭州 450001)

闡述了遙感估產(chǎn)的基本原理及方法，對(duì)棉花遙感估產(chǎn)研究進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并總結(jié)了新疆棉花遙感估產(chǎn)中存在的問(wèn)題，最后展望了今后的研究方向和發(fā)展前景。

遙感；棉花；估產(chǎn)

新疆地處我國(guó)西北部，總面積約166萬(wàn)km2，為溫帶大陸性氣候，年日照時(shí)數(shù)在2 000 h以上，晝夜間溫差較大，非常適合棉花種植。新疆棉花種植歷史悠久，其種植面積占全國(guó)棉花種植總面積的1/4左右，產(chǎn)量占全國(guó)棉花總產(chǎn)量的1/3以上[1]。棉花產(chǎn)業(yè)作為新疆的支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展與新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家穩(wěn)定有密切關(guān)系，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中也起著決定性作用[2]。近年來(lái)，由于土壤肥力差，災(zāi)害天氣和病蟲(chóng)害頻發(fā)，導(dǎo)致新疆棉花的種植總面積持續(xù)減少，實(shí)際產(chǎn)量和預(yù)測(cè)產(chǎn)量之間存在較大的誤差。因此，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)棉花產(chǎn)量，不僅有助于棉農(nóng)制定生產(chǎn)計(jì)劃和紡織業(yè)安排生產(chǎn)，而且可為國(guó)家經(jīng)濟(jì)的宏觀調(diào)控和總體規(guī)劃提供重要的科學(xué)依據(jù)。

目前，我國(guó)不同行業(yè)對(duì)棉花產(chǎn)量的預(yù)測(cè)方法各不相同[3]。鐵路運(yùn)輸部門根據(jù)棉花的累計(jì)運(yùn)出量來(lái)粗略計(jì)算棉花產(chǎn)量，精度較差；金融單位采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研法，先估算棉花的種植面積，再推算棉花產(chǎn)量，誤差較大；政府部門采用自下而上的統(tǒng)計(jì)方法，時(shí)效性差且費(fèi)用高；氣象部門采用的估產(chǎn)方法在單一時(shí)相預(yù)測(cè)精度較高，但在農(nóng)業(yè)災(zāi)害突發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差；農(nóng)學(xué)估產(chǎn)由于工作量大、估產(chǎn)速度慢等原因，預(yù)測(cè)時(shí)間和收獲時(shí)間過(guò)于接近，實(shí)用價(jià)值有限。

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，遙感憑借其時(shí)效性高、覆蓋范圍廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)中均得到廣泛應(yīng)用[4]。利用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)手段對(duì)棉花進(jìn)行產(chǎn)量估算研究，其優(yōu)點(diǎn)是能排除人為干擾，兼具客觀性和科學(xué)性，為大區(qū)域棉花監(jiān)測(cè)提供了新的科學(xué)技術(shù)手段。筆者闡述了遙感估產(chǎn)的基本原理和方法，對(duì)棉花遙感估產(chǎn)研究進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并總結(jié)了新疆棉花遙感估產(chǎn)中存在的問(wèn)題，最后展望了今后的研究方向和發(fā)展前景。

1 新疆棉花種植區(qū)域與監(jiān)測(cè)時(shí)相劃分

1.1 種植區(qū)域的劃分 新疆棉花種植主要分布在三大區(qū)域：東疆、南疆和北疆。其中，南疆棉花種植主要分布在天山南部，毗鄰塔里木盆地邊緣區(qū)域，約占新疆棉花總面積的2/3，具有非常豐富的水土資源。南疆4—10月的平均氣溫為19～21 ℃，無(wú)霜期為185～230 d，適于成熟、早熟山地棉花品種和早熟海島棉品種的培育。北疆棉花種植集中分布于準(zhǔn)噶爾盆地西南部地區(qū)，約占新疆棉花總面積的1/3，是我國(guó)高品質(zhì)棉花生產(chǎn)基地之一。北疆4—10月的平均溫度為18～19 ℃，無(wú)霜期為160～190 d，適于早熟陸地棉品種的培育。東疆棉花種植集中在吐魯番盆地一帶，東疆具有極好的光熱資源，4—10月的平均氣溫為23～25 ℃，無(wú)霜期為190～220 d，適于早熟海島棉和中古陸地棉的培育。

1.2 最佳監(jiān)測(cè)時(shí)相區(qū)的劃分 新疆不同棉花種植區(qū)內(nèi)的棉花種植期差異可能會(huì)超過(guò)10 d。加之其他作物的物候效應(yīng)影響，在進(jìn)行棉花遙感監(jiān)測(cè)時(shí)，首先要對(duì)不同地區(qū)棉花遙感識(shí)別的最佳時(shí)相進(jìn)行研究。由表1可知，新疆三大棉區(qū)內(nèi)種植的棉花在6月大多處于苗期后期與蕾期之間，9月則多處于花鈴期后期與吐絮期初期之間。由此可見(jiàn)，影響棉花產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期是6月和9月。從不同分區(qū)來(lái)看，9月中上旬是識(shí)別南疆棉花的最佳時(shí)相，9月中旬可作為識(shí)別北疆棉花的最佳時(shí)相。在氣候上，東疆棉區(qū)的吐魯番與哈密差異較大，吐魯番地區(qū)春季早、夏季炎熱、積溫高、棉花生長(zhǎng)期較短，而哈密地區(qū)的氣候條件與北疆棉區(qū)大體一致，棉花生長(zhǎng)期也與北疆棉區(qū)一致。因此，8月下旬可作為識(shí)別吐魯番棉花的最佳時(shí)相；9月中旬可作為識(shí)別哈密棉花的最佳時(shí)相。總而言之，除吐魯番地區(qū)外，新疆三大棉區(qū)進(jìn)行棉花遙感識(shí)別最佳時(shí)相是9月，其次為6月。

2 棉花遙感估產(chǎn)的基本原理和方法

遙感估產(chǎn)的基本原理是基于衛(wèi)星傳感器記錄的不同作物在不同生長(zhǎng)階段的光譜反射率差異，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)與植被指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系校正從遙感影像中提取出的植被指數(shù)，通過(guò)建立、檢驗(yàn)最佳估產(chǎn)模型等流程，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)某一研究區(qū)域棉花產(chǎn)量的預(yù)測(cè)[5]。

表1 新疆三大棉區(qū)棉花的物候歷

目前，常用的棉花產(chǎn)量遙感估算方法主要有光譜估產(chǎn)法、衛(wèi)星遙感估產(chǎn)法、光譜與衛(wèi)星遙感估產(chǎn)復(fù)合法[6]。其中，光譜估產(chǎn)法通過(guò)對(duì)棉花光譜特征值與長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，可綜合、直觀地反映棉花長(zhǎng)勢(shì)。衛(wèi)星遙感估產(chǎn)法基于棉花生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)紅波段具有強(qiáng)吸收，而對(duì)近紅外波段具有強(qiáng)反射的特點(diǎn)，對(duì)紅波段和近紅波段進(jìn)行不同組合來(lái)建立多種植被指數(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)棉花產(chǎn)量。光譜與衛(wèi)星遙感復(fù)合法是結(jié)合實(shí)地測(cè)量和衛(wèi)星遙感的優(yōu)點(diǎn)，建立多元復(fù)合回歸模型進(jìn)行估產(chǎn)。棉花的遙感估產(chǎn)具體流程如圖1所示。

圖1 棉花遙感估產(chǎn)技術(shù)流程Fig.1 Technical flow of cotton yield estimation by remote sensing

3 棉花遙感估產(chǎn)的應(yīng)用

3.1 國(guó)外棉花遙感估產(chǎn)的應(yīng)用 美國(guó)于19世紀(jì)70年代開(kāi)展的“大面積作物估產(chǎn)試驗(yàn)”(LACIE計(jì)劃)對(duì)棉花估產(chǎn)精度超過(guò)90%。Ray等[7]基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)建立線性時(shí)間序列、實(shí)際蒸發(fā)模型和土壤濕度平衡模型，預(yù)測(cè)印度主要棉花種植區(qū)的棉花產(chǎn)量。Plant等[8]利用棉花含水量、含氮量和植被指數(shù)間的關(guān)系，對(duì)加利福尼亞棉花種植區(qū)的棉花產(chǎn)量進(jìn)行遙感預(yù)測(cè)研究。Maas等[9]使用TM多光譜影像數(shù)據(jù)建立線性混合模型來(lái)評(píng)估棉花冠層特征，其比較分析了紅光、近紅外波段與地面測(cè)量的數(shù)據(jù)，得到了與早期其他研究者相似的研究結(jié)果，并認(rèn)為線性混合模型比經(jīng)驗(yàn)曲線模式應(yīng)用范圍更廣。Dalezios等[10]使用時(shí)間分辨率較高的NOAA/AVHRR衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立棉花生長(zhǎng)季內(nèi)時(shí)間序列的NDVI，發(fā)現(xiàn)NDVI與棉花產(chǎn)量的相關(guān)性較高，可用于研究棉花產(chǎn)量隨時(shí)間的變化特征。Yang等[11]分別使用QuickBird衛(wèi)星圖像和機(jī)載紅外圖像來(lái)計(jì)算NDVI，其研究發(fā)現(xiàn)2個(gè)圖像對(duì)棉花產(chǎn)量的預(yù)測(cè)結(jié)果相似，且非監(jiān)督分類可以有效區(qū)分不同地區(qū)的棉花產(chǎn)量。Liu等[12]為了提高作物產(chǎn)量估測(cè)的精度，獲取了覆蓋美國(guó)加州圣華金谷的棉花種植區(qū)的時(shí)序高空間分辨率、高光譜影像建立產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，使用面向?qū)ο蠓指?，通過(guò)降低圖像和產(chǎn)量數(shù)據(jù)中的噪聲來(lái)提高田間尺度棉花產(chǎn)量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

3.2 新疆棉花遙感估產(chǎn)的應(yīng)用 我國(guó)使用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)研究始于“六五”規(guī)劃期間，并在局部地區(qū)開(kāi)展產(chǎn)量估算試驗(yàn)。我國(guó)農(nóng)作物遙感估產(chǎn)的研究工作始于20世紀(jì)80年代。目前，我國(guó)對(duì)多種農(nóng)作物遙感估產(chǎn)系統(tǒng)的研究日趨完善，其中，水稻、小麥遙感估產(chǎn)方法已比較成熟，棉花遙感正在被廣泛研究[13-15]。李明霞等[16]在選擇我國(guó)棉花遙感估產(chǎn)最佳時(shí)相時(shí)，同時(shí)考慮棉花遙感識(shí)別與遙感估產(chǎn)的需求，對(duì)棉花遙感估產(chǎn)最佳時(shí)相的選擇依據(jù)和方法進(jìn)行分析，并根據(jù)全國(guó)各地棉花遙感估產(chǎn)最佳時(shí)相制作了新疆三大棉區(qū)的最佳時(shí)相分區(qū)圖。楊邦杰等[17]利用中巴資源一號(hào)(CBERS-1)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，最先建立了新疆棉花種植面積遙感監(jiān)測(cè)運(yùn)行系統(tǒng)的技術(shù)體系，為后續(xù)衛(wèi)星在棉花遙感估產(chǎn)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。柏軍華等[18]根據(jù)棉花的不同生育期對(duì)棉花產(chǎn)量與LAI進(jìn)行了相關(guān)性分析，建立了棉花產(chǎn)量估算監(jiān)測(cè)模型，認(rèn)為7月下旬至8月上旬是利用LAI指數(shù)預(yù)測(cè)棉花產(chǎn)量的最佳時(shí)相。劉嬌娣等[19]利用新疆南北疆棉花生育期植被指數(shù)與對(duì)應(yīng)時(shí)期的農(nóng)學(xué)參數(shù)建立回歸模型，得到葉面積指數(shù)最佳遙感反演模型。同時(shí)，劉玫芩[20]還基于ETM數(shù)據(jù)采用最大似然法對(duì)棉花種植區(qū)進(jìn)行監(jiān)督分類，分析得到9月中下旬是新疆南疆棉花估產(chǎn)最佳時(shí)相，其對(duì)棉花產(chǎn)量等級(jí)及預(yù)測(cè)也有研究。白麗等[21]結(jié)合棉花生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，對(duì)新疆石河子植棉區(qū)內(nèi)的棉花在不同時(shí)期的冠層進(jìn)行高光譜反射率測(cè)定研究，首先根據(jù)棉花的光譜曲線特征構(gòu)建高光譜植被指數(shù)，然后利用相關(guān)性分析，分析并對(duì)比棉花產(chǎn)量與不同植被指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，從而建立棉花高光譜估產(chǎn)模型對(duì)研究區(qū)內(nèi)的棉花產(chǎn)量進(jìn)行估測(cè)。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)的棉花在各生育期可見(jiàn)光波段、近紅外波段及短波紅外波段光譜反射率與產(chǎn)量間的正負(fù)相關(guān)性都非常顯著。趙良斌等[22]報(bào)道了新疆南疆、東疆棉花遙感識(shí)別的最佳時(shí)相。李紅[23]基于TM影像數(shù)據(jù)提取多種植被指數(shù)，通過(guò)深入分析棉花實(shí)際產(chǎn)量和植被指數(shù)的相關(guān)性，建立新疆棉花遙感估產(chǎn)模型，結(jié)果表明植被指數(shù)與產(chǎn)量間相關(guān)性較高。程乙峰等[24]以位于北疆烏蘭烏蘇棉花種植區(qū)內(nèi)的棉花為研究對(duì)象，利用棉花實(shí)際產(chǎn)量數(shù)據(jù)與NDVI值，建立棉花遙感估產(chǎn)模型，結(jié)果表明基于NDVI的新疆北疆棉花估產(chǎn)模型在棉花生育期的蕾期、花鈴期的擬合系數(shù)均達(dá)到了極顯著水平，并且在花鈴期擬合度最好。

4 結(jié)論與討論

筆者總結(jié)了國(guó)內(nèi)外棉花遙感估產(chǎn)的研究與應(yīng)用情況，特別是對(duì)新疆棉花遙感估產(chǎn)的技術(shù)和相關(guān)研究進(jìn)行了概述。雖然有關(guān)棉花遙感估產(chǎn)的研究已取得了較大進(jìn)展，但其模型精度仍會(huì)受到遙感數(shù)據(jù)不確定性的影響，如植被指數(shù)飽和、大氣校正失敗、云覆蓋量過(guò)大等。目前，針對(duì)新疆地區(qū)的棉花估產(chǎn)遙感監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)成熟度不高，其研究區(qū)域多集中于南疆和東疆，對(duì)北疆棉花的估產(chǎn)研究不夠深入。在以往傳統(tǒng)種植方式下，北疆棉花的正常生長(zhǎng)受外界干預(yù)較少，但隨著北疆近年來(lái)棉花大范圍采用機(jī)械化種植方式，棉花吐絮期前噴灑脫葉劑會(huì)干擾棉花發(fā)育，因此有必要將人為影響因子納入北疆棉區(qū)棉花遙感估產(chǎn)模型進(jìn)行研究。此外，新疆棉區(qū)現(xiàn)有估產(chǎn)方法的普適性不足，現(xiàn)有模型一般僅適用于特定的研究區(qū)域，生產(chǎn)管理?xiàng)l件、品種均相同的作物。由于全疆每年都會(huì)有各類新品種推出，棉花種植品種難以進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，如何基于單一模型對(duì)多品種棉花進(jìn)行估產(chǎn)，還需要進(jìn)行深入的論證和研究。

總而言之，棉花作物作為新疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在新疆的整體國(guó)民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中具有舉足輕重的作用。利用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)棉花產(chǎn)量進(jìn)行定量預(yù)測(cè)，可以讓農(nóng)業(yè)管理和生產(chǎn)部門及時(shí)、快速、動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)確把握棉花生產(chǎn)情況，指導(dǎo)棉農(nóng)種植計(jì)劃，并為相關(guān)決策部門提供理論依據(jù)。今后關(guān)于新疆地區(qū)棉花的遙感估產(chǎn)研究與應(yīng)用，應(yīng)側(cè)重于克服氣候突變、病蟲(chóng)害和遙感圖像混合像元等不確定因素的影響，提高棉花估產(chǎn)模型的時(shí)效性和精度，針對(duì)三大棉區(qū)的特點(diǎn)，構(gòu)建適用性較強(qiáng)的棉花遙感估產(chǎn)系統(tǒng)。

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Research Advances in the Application of Cotton Yield Estimation in Xinjiang by Using Remote Sensing

YAN Yu-jiang1, LI Pei2, CHEN Dong-hua1et al

(1.Xinjiang Satellite Application Center，Urumqi，Xinjiang 830000；2. The Fourth Geological Exploration Institute of Henan Geology and Mineral Bureau, Zhengzhou, Henan 450001)

The basic principle and methods were expounded, and estimating cotton yield by remote sensing was emphatically analyzed. The existing problems in cotton yield estimation by remote sensing were pointed out. Finally, future research direction and prospects of cotton estimation by remote sensing were predicted.

Remote sensing; Cotton; Yield estimation

2015年新疆維吾爾自治區(qū)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)。

閆豫疆(1986- )，男，河南信陽(yáng)人，碩士，從事GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)、農(nóng)業(yè)遙感方面的研究。

2016-11-16

S 127

A

0517-6611(2016)36-0236-02