干旱等農業(yè)災害遙感監(jiān)測

干旱等農業(yè)災害遙感監(jiān)測第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一干旱是一種潛在的自然現(xiàn)象，它的發(fā)生過程復雜，通常表現(xiàn)為一種緩慢的自然災害。干旱發(fā)生于全球所有的氣候帶，但其在不同氣候帶的表現(xiàn)形式不同，因而導致了至今還沒有一個適用于任何條件下的定義。干旱的定義劃分為4種基本的定義類型，即氣象干旱、農業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱。從農業(yè)生產(chǎn)考慮，干旱是在水分脅迫下，作物及其生存環(huán)境相互作用構成的一種旱生生態(tài)環(huán)境。應用遙感技術監(jiān)測干旱則屬于面上的監(jiān)測，并且充分地利用了地物表面的光譜、時間、空間和方向信息。干旱及監(jiān)測第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一由于從植被指數(shù)反演出的地表綠度與植物的生長狀態(tài)及其密度密切相關，因此，被植指數(shù)可用于監(jiān)測對作物生長不利的環(huán)境條件，尤其是對在干旱環(huán)境的監(jiān)測。干旱監(jiān)測理論基礎第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一干旱監(jiān)測理論基礎植物冠層溫度升高是植物受到水分脅迫和干旱發(fā)生的最初表征。因此，土地表面溫度可用于干旱監(jiān)測。第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一干旱監(jiān)測（植被指數(shù)）距平植被指數(shù)（AnomalyVegetationIndex,AVI）AVI作為監(jiān)測干旱的一種方法，它以某一地點某一時期多年的NDVI平均值為背景值，用當年該時期的NDVI值減去背景值，即可計算出AVI的變化范圍，即NDVI的正、負距平值。正距平反映植被生長較一般年份好，負距平表示植被生長較一般年份差。一般而言，距平植被指數(shù)為-0.1~-0.2表示旱情出現(xiàn)，-0.3~-0.6表示旱情嚴重。分析NDVI的變化與短期的氣候變化之間的關系第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一干旱監(jiān)測（植被指數(shù)）條件植被指數(shù)（VegetationConditionIndex，VCI）第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一干旱監(jiān)測（地表溫度）條件溫度指數(shù)（TemperatureConditionIndex,TCI）強調了溫度與植物生長的關系，即高溫對植物生長不利（Kogan，1995）VCI的缺點是未考慮白天的氣象條件如凈輻射、風速、濕度等對熱紅外遙感的影響及土地表面溫度的季節(jié)性變化。第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一干旱監(jiān)測（地表溫度）歸一化溫度指數(shù)（NormalizedDifferenceTemperatureIndex,NDTI）McVicar等（1992）第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一干旱監(jiān)測（植被指數(shù)-地表溫度結合）條件植被溫度指數(shù)（VegetationTemperatureConditionIndex,VTCI）（王鵬新等，2001，……，2007，……）式中第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一干旱監(jiān)測（植被指數(shù)-地表溫度）條件植被溫度指數(shù)（VTCI）

物理意義第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一對比分析干旱監(jiān)測VTCI：多時段AVIVCITCIVTCI2005年第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一微波遙感土壤水分監(jiān)測12第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一雷達土壤水探測的物理機理水的介電常數(shù)和干土介電常數(shù)有很大的差別，水的介電常數(shù)大約為80，而干土介電常數(shù)僅為3左右。一般土壤可以看成是水和干土的混合，因而土壤的介電常數(shù)會隨著土壤含水量的增大而增大。并且，電磁波散射模型已表明雷達回波的后向散射系數(shù)直接受土壤介電常數(shù)的影響。這就構成了微波遙感探測土壤濕度的物理基礎。

土壤水分土壤介電常數(shù)雷達后向散射系數(shù)13第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一雷達土壤水探測的優(yōu)勢（1）雷達土壤水探測的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在微波遙感不受光照、云霧等天氣條件的影響，具有全天時、全天候工作的特點。（2）特別是長波段微波能夠穿透植被，并對土壤具有一定的穿透能力。14第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一ASAR數(shù)據(jù)處理與土壤水分監(jiān)測后向散射數(shù)據(jù)預處理gamma濾波后向散射系數(shù)的計算幾何糾正探討后向散射系數(shù)與土壤水之間關系GPS點位數(shù)據(jù)地面實測土壤水數(shù)據(jù)土壤水分監(jiān)測流程圖15第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一試驗數(shù)據(jù)簡介研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于北京市昌平、順義和通縣三個區(qū)。地處東經(jīng)115o58′－116o50′北緯39o30′－40o33′，海拔高度在30－60米。區(qū)內主要土地類型有農田、林地、果園及水體等，農田的主要類型有小麥地、苜蓿地和裸地。研究區(qū)農田地勢平坦，起伏較小。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)概況

采用的雷達數(shù)據(jù)為ENVISAT-ASAR。衛(wèi)星軌道高度為800公里，過境周期為35天。根據(jù)試驗目的選擇了分辨率為30米、極化方式為HH/VV、觀測角為IS7(42.5°～45.2°)的AlternatingPolarisation工作模式

地面試驗安排在3月24日上午，冬小麥正處于返青初期，覆蓋度較低，大約為0.2左右。試驗內容包括土壤含水量測量、小麥覆蓋度測量及測點GPS定位、數(shù)字照片的拍攝。試驗時天氣晴朗，獲取的數(shù)據(jù)精度較高。16第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一采用的雷達數(shù)據(jù)介紹EnviSat-1衛(wèi)星是歐空局對地觀測衛(wèi)星系列之一，于2002年3月1日發(fā)射升空。衛(wèi)星軌道高度為800公里，過境周期為35天。ASAR是EnviSat-1上最重要的一個傳感器，其目的是用SAR進行對地觀測，提供有關海浪、海冰范圍及運動情況、陸地冰雪的分布范圍、地表地形及陸地表面特征、土壤濕度及濕地范圍等觀測信息。ASAR工作在C波段，可為每個軌道連續(xù)獲取30分鐘圖像。ASAR傳感器于2004年3月23日當?shù)貢r間22點16分對試驗區(qū)進行掃描成像，獲取的圖像幅寬為56Km，長度為112Km，覆蓋了研究區(qū)的三個縣（如圖）。17第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一數(shù)據(jù)介紹18第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一ASAR數(shù)據(jù)預處理1）濾波處理

使用gamma濾波對影像進行濾波處理

雷達遙感數(shù)據(jù)有別于光學遙感數(shù)據(jù)的一個重要特征是影像上存在著更明顯的斑點噪聲，其主要表現(xiàn)為圖像灰度的劇烈變化,即在同一片均勻區(qū)域,有的分辨單元呈亮點,而有的單元呈暗點。斑點噪聲降低了圖像的空間分辨率和信噪比,嚴重影響圖像的判讀性和可解譯性,甚至可能導致地物特征的消失。因此，斑點噪聲的消除對ASAR圖像的應用是十分重要的。由于Gamma自適應濾波同時考慮了斑點的特點和地物目標散射特征的統(tǒng)計規(guī)律，在平滑斑點的同時能很好保持圖像紋理19第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一濾波前濾波后20第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一ASAR數(shù)據(jù)預處理2）向散射系數(shù)的計算后向散射系數(shù)的計算公式為：是I行J列的入射角K是absolutecalibrationconstant21第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一3）幾何糾正

ASAR數(shù)據(jù)預處理選取了150個控制點，對后向散射系數(shù)影像進行幾何糾正。

22第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一4）土壤水反演ASAR數(shù)據(jù)處理通過統(tǒng)計后向散射系數(shù)與土壤水分之間的關系，確定土壤水分預測的經(jīng)驗方程。23第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一裸土采樣點后向散射系數(shù)和土壤重量含水量24第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一水平、垂直同極化后向散射系數(shù)有很高的相關性，相關系數(shù)達到0.904；同時，從兩個極化數(shù)據(jù)的回歸線來看，整體上裸土的水平同極化后向散射系數(shù)略小于垂直同極化后向散射系數(shù)。25第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一20cm深土壤含水量和后向散射系數(shù)的散點圖，裸土后向散射系數(shù)與土壤含水量正相關，后向散射系數(shù)對土壤含水量較敏感。和水平同極化相比，垂直同極化后向散射系數(shù)對土壤含水量更為敏感。由于兩種同極化后向散射系數(shù)和土壤含水量的相關性都沒有達到顯著性，因而，其它因素(如土壤粗糙度、土壤質地等)對后向散射系數(shù)的影響不可忽略。26第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一裸土后向散射系數(shù)和地表粗糙度關系分析

選擇土壤含水量相近而后向散射系數(shù)偏差較大的樣點對1和4、3和7，找出點1、3、4、7對應的數(shù)字照片。對照實驗圖片來看，點1、3對應的地表粗糙度較大，點4、7對應的地表粗糙度較小。因而，可以斷定：在土壤含水量一致的情況下，粗造度越大，、越大。比較地表粗造度對、的影響，粗糙度對影響小，對影響大。結合小擾動模型來分析后向散射系數(shù)對粗造度的敏感性。敏感性分析和對粗糙度的影響都表面，VV極化更適合土壤水份的反演。27第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一小麥地采樣點后向散射系數(shù)和實測數(shù)據(jù)28第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一和裸土的水平、垂直同極化后向散射系數(shù)之間的相關性相比，小麥地的水平、垂直同極化的相關性明顯降低。小麥冠層后向散射系數(shù)因極化方式不同有明顯的差異冬小麥水平和垂直同極化后向散射系數(shù)散點圖29第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一垂直極化后向散射系數(shù)與冬小麥土壤水分關系水平極化后向散射系數(shù)與冬小麥土壤水分關系及冬小麥覆蓋度之間的關系30第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一31第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一土壤含水量圖（通州區(qū)）小麥覆蓋度圖（通州區(qū)）32第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一裸土水平、垂直同極化后向散射有很高的線性相關性；與水平同極化相比，垂直同極化后向散射系數(shù)和20cm深土壤含水量有更好的相關性土壤含水量和地表粗糙度是裸土后向散射系數(shù)的重要影響因素冬小麥麥地水平、垂直同極化后向散射系數(shù)有較好的線性相關性，水平同極化后向散射與20cm深土壤含水量有較好的相關性；垂直同極化后向散射和10、20cm深土壤含水量都有很好的相關性，并且其相關性都達到顯著；冬小麥麥地后向散射系數(shù)受小麥覆蓋度和土壤含水量影響，水平同極化后向散射系數(shù)和覆蓋度、土壤含水量都有較好的相關性，并且和小麥覆蓋度的相關性已達到顯著。垂直同極化后向散射系數(shù)和土壤含水量相關性達到顯著。因而，可以用垂直同極化后向散射系數(shù)預測土壤含水量，用水平同極化后向散射預測小麥覆蓋度。

33第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一洪澇：洪澇災害可分為洪水、澇害、濕害。

洪水：大雨、暴雨引起山洪暴發(fā)、河水泛濫、淹沒農田、毀壞農業(yè)設施等。

澇害：雨水過多或過于集中或返漿水過多造成農田積水成災。

濕害：洪水、澇害過后排水不良，使土壤水分長期處于飽和狀態(tài)，作物根系缺氧而成災。

洪澇災害主要發(fā)生在長江、黃河、淮河、海河的中下游地區(qū)。洪澇遙感監(jiān)測第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一洪澇遙感監(jiān)測2023/4/2935第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一

洪澇監(jiān)測-研究區(qū)淮河流域地處我國心腹地帶，是氣候、海陸相過渡帶；地理位置優(yōu)越，自然資源豐富，交通便利，是我國重要的糧、棉、油產(chǎn)地和能源基地。流域內降水、徑流時空分布不均，流域地形、水系不對稱，加上黃河長期奪淮的影響，使得淮河流域成為我國典型的孕災地帶。自古以來，淮河流域洪澇災害頻發(fā)，例如，在1470年～1994年525年間就發(fā)生較大范圍洪澇災害350次，平均僅3年就發(fā)生2次。2000年以來，淮河流域就分別在2003年和2007發(fā)生了兩次大規(guī)模的流域性洪水。其中，2007年洪水為1954年以來的第二大洪水。防御洪澇災害、減少災害損失，關系到該區(qū)域乃至整個社會的安定、經(jīng)濟的發(fā)展。2023/4/2936第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一

洪澇監(jiān)測

-MODIS提取水體信息基本方法在可見光、近紅外波段云影與晴空區(qū)水體不易區(qū)分，利用云影對不同波段的影響差異，提出0.87μm與0.66μm波段比值方法，試驗結果表明該方法不但可以增大云影和水體差異，而且可以消除水體和云影反射率值的重疊現(xiàn)象，使水體和云影的區(qū)分成為可能。2023/4/2937第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一洪澇監(jiān)測－蒙洼蓄洪區(qū)監(jiān)測0710上午

0710下午

0711上午

0711下午

MODIS數(shù)據(jù)2023/4/2938第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一洪澇監(jiān)測-洪澇水體最大淹沒面積2023/4/2939第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一洪澇監(jiān)測－洪澇水體淹沒歷時

2023/4/2940第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一雷達遙感監(jiān)測洪澇災害合成孔徑雷達適合于洪澇災害監(jiān)測，淹沒與未淹沒地的影像差異很大。由于SAR的全天候的特點，適于洪水制圖，最大淹沒面積經(jīng)常發(fā)生在濃云密布的天氣，而其他遙感數(shù)據(jù)這種條件下不能發(fā)揮作用第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一遙感病蟲害監(jiān)測病蟲害對農業(yè)生產(chǎn)的影響及危害是相當驚人的。據(jù)統(tǒng)計,作物病蟲害可使世界農業(yè)收成減產(chǎn)1/3,世界玉米產(chǎn)量由于病蟲害造成的損失,估計大約可為收獲量的12%。我國是農業(yè)大國,農作物病蟲害對農業(yè)生產(chǎn)的影響也是相當嚴重的,每年由于病蟲害造成的損失大約在10%～15%。因此,我們如何能及早發(fā)現(xiàn)病蟲害,及早采取防治措施,盡可能減少損失,提高農作物產(chǎn)量,就成為當前農業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題。第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一在使用遙感技術以前,人們主要目視觀測農作物病蟲害,當病蟲的危害所造成的作物葉片變化能夠被人用肉眼觀察到時,農作物已經(jīng)受到了很嚴重的破壞,此時,盡管采取一些防治措施,也無法避免農作物減產(chǎn)的發(fā)生。遙感技術監(jiān)測農業(yè)病蟲害，主要依據(jù)是基于植物受到病蟲侵擾時生理變化所引起的綠葉中細胞活性、含水量、葉綠素含量等的變化,表現(xiàn)為農作物在反射光譜特性上的差異,特別是紅色區(qū)和紅外區(qū)的光譜特性差異。這樣,農作物在遭受病蟲危害早期就可以通過遙感技術探測到這一光譜特性差異,從而解決了農作物病蟲害早期發(fā)現(xiàn)和早期防治問題。目前已有利用遙感技術進行冬小麥條銹病、蝗蟲、蚜蟲以及林業(yè)病蟲害的監(jiān)測研究與應用。第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一植物的光譜特征健康綠色植物的反射光譜特征葉綠素的吸收波段水的吸收綠葉的反射率第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一植物的光譜特征影響植物光譜的因素葉子的顏色：植物葉子中含有多種色素，在可見光范圍內，其反射峰值落在相應的波長范圍內。葉子的組織構造葉子的含水量植物覆蓋程度第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一植物生長狀況的解譯

如前所述，健康的綠色植物具有典型的光譜特征。當植物生長狀況發(fā)生變化時，其波譜曲線的形態(tài)也會隨之改變。如植物因受到病蟲害，農作物因缺乏營養(yǎng)和水分而生長不良時，海綿組織受到破壞，葉子的色素比例也發(fā)生變化，使得可見光區(qū)的兩個吸收谷不明顯，0.55微米處的反射峰按植物葉子被損傷的程度而變低