基于Landsat的小麥估產(chǎn)模型及其應(yīng)用

王海君，許捍衛(wèi)，金文韜

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

基于Landsat的小麥估產(chǎn)模型及其應(yīng)用

王海君1，許捍衛(wèi)1，金文韜1

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

針對華北地區(qū)旱情導(dǎo)致小麥減產(chǎn)的問題，提出了利用Landsat遙感影像信息，結(jié)合小麥生長關(guān)鍵時(shí)期的降雨量以及種植區(qū)距離灌溉水源的位置關(guān)系，建立小麥估產(chǎn)模型，通過降雨預(yù)報(bào)信息估算小麥單產(chǎn)產(chǎn)量，并將其應(yīng)用在作物種植選擇方面，以提高農(nóng)田的產(chǎn)值與農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益。

Landsat影像信息；降雨量；灌溉水源；小麥估產(chǎn)模型；效益

針對華北平原旱情的特點(diǎn)，選擇具有對比性、層次性的研究區(qū)域[1]，建立小麥估產(chǎn)模型，實(shí)現(xiàn)對小麥來年生長狀況和產(chǎn)量評估，以便選擇適合種植的農(nóng)作物[2]。

1 小麥估產(chǎn)模型建立

本次實(shí)驗(yàn)的目的是建立簡捷的小麥單產(chǎn)估算模型，具體的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 小麥單產(chǎn)估算模型技術(shù)路線圖

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究區(qū)采用2010～2014年5期Landsat7的遙感影像。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取之前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括大氣校正、輻射校正、影像條帶消除以及數(shù)據(jù)的剪裁操作[3]。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對影像進(jìn)行糾正，盡可能消除干擾因素對信息提取的影響，使得提取的結(jié)果更加精確。本次主要提取的是實(shí)驗(yàn)區(qū)小麥的NDVI值。

其中，TM4為近紅外波段，該波段主要用于測量生物量和作物長勢，區(qū)分植被類型；TM3為紅光波段，該波段可用于測量植被葉綠素的吸收率，并以此進(jìn)行植被的分類。

1.2 估產(chǎn)模型的建立

本次小麥估產(chǎn)模型的建立主要考慮4個(gè)方面的因素：小麥抽穗前期的NDVI值、小麥抽穗灌漿期的降雨量、小麥成熟期的降雨量、小麥所在地的區(qū)位條件（距離灌溉水源的位置）。綜合4方面的條件建立小麥的估產(chǎn)模型。

NDVI值的確定。小麥的NDVI值代表的是小麥的長勢，小麥抽穗前期的長勢與小麥麥穗的大小有正相關(guān)的關(guān)系，本次實(shí)驗(yàn)提取的是小麥抽穗前期的NDVI值。根據(jù)健康植被的波譜反射率曲線可以對提取區(qū)域的小麥的NDVI值進(jìn)行評估判斷[3]，NDVI值的大小反映了小麥返青期之后的長勢。該過程的實(shí)現(xiàn)主要是用Transform工具集中的NDVI計(jì)算工具實(shí)現(xiàn)的。

小麥抽穗灌漿期的降雨量值主要是從4月份到6月份3個(gè)月內(nèi)的降雨量值，抽穗期間的降雨量決定了麥穗的生長狀況以及麥粒的飽滿與否[4]。所以這個(gè)時(shí)期的降雨量對小麥的產(chǎn)量會產(chǎn)生直接的影響。成熟期的降雨量決定了麥粒的成熟度，如果降雨量偏大，小麥就容易倒伏，小麥籽粒就容易發(fā)芽，直接導(dǎo)致小麥減產(chǎn)。因此要將該時(shí)段的雨量值分2個(gè)時(shí)段來統(tǒng)計(jì)，4、5兩個(gè)月份統(tǒng)計(jì)一次，6月份統(tǒng)計(jì)一次。

小麥所在的區(qū)位條件即小麥所在地距離灌溉水源的距離，是一個(gè)很重要的區(qū)位因素。一般情況下，小麥所在地距離水源近的情況下即使雨量不足，小麥正常生長所需的水量也可以利用灌溉水源得到補(bǔ)給，保證作物的需水需求，從而保證作物的產(chǎn)量。據(jù)調(diào)查顯示，由于條件的限制，在距離水源2 000 m之內(nèi)的區(qū)域，屬于可灌溉的區(qū)位，因此在該范圍內(nèi)的區(qū)域均可保證作物的需水量。在ArcGIS中采用緩沖分析來區(qū)分可灌溉區(qū)與不可灌溉區(qū)。研究區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不可灌溉區(qū)農(nóng)田實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 可灌溉區(qū)農(nóng)田實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)的誤差允許范圍為10 kg /畝(根據(jù)黑龍江農(nóng)墾統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)，誤差不超過2%為有代表性)，由于本次實(shí)驗(yàn)的目的是建立簡捷的小麥單產(chǎn)估算模型，而且在誤差允許的范圍內(nèi)線性模型是最符合條件的，因此根據(jù)上述分析以及所獲取的數(shù)據(jù)建立快速的小麥單產(chǎn)估算模型[5]：

WY=a×NDVI+b×Rain1+c×Rain2+d×M+e (2)式中，WY為小麥的單產(chǎn)值；Rain1為4、5月份的降雨量；Rain2為6月份的降雨量，M為是否可以灌溉，若可灌溉，則M值為1，否則為0；a、b、c、d、e為常數(shù)項(xiàng)，經(jīng)計(jì)算并經(jīng)過最小二乘法修改得到各項(xiàng)的值分別為2 360．73、0．50、-0．08、54．70、292．43。

2 估產(chǎn)模型評價(jià)與分析

將2014年的數(shù)據(jù)代入估算模型中進(jìn)行檢驗(yàn)，可以得出在不可灌溉區(qū)的小麥單產(chǎn)值估算值和實(shí)際值分別為460．7 kg /畝、467．4 kg /畝，誤差為6．7 kg /畝；可灌溉區(qū)的小麥單產(chǎn)估算值和實(shí)際值分別為506．6 kg /畝、515．7 kg /畝，誤差為9．1 kg /畝。根據(jù)小麥單產(chǎn)預(yù)測數(shù)據(jù)與實(shí)際的單產(chǎn)值之間的差值可以看出，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的差值均在誤差允許范圍（10 kg /畝）之內(nèi)，但是可灌溉區(qū)的誤差要大于不可灌溉區(qū)的誤差。之所以把灌溉作為影響因素主要是因?yàn)樵谌A北地區(qū)降雨量不大的情況下，小麥的灌溉與否直接決定了小麥抽穗灌漿期的水量是否充足。因此，雖然光照強(qiáng)度、土壤濕度、風(fēng)力大小等條件也會對小麥的單產(chǎn)量造成影響[6]，但建立一個(gè)簡捷的模型需要分清影像因素的主次，所以此次將影響最重要的灌溉作為模型的一個(gè)因子。值得注意的是，在可灌溉區(qū)的實(shí)際影響因素中還有一個(gè)很重要的因素就是降雨較少而造成灌溉水源水量不足的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也會導(dǎo)致小麥單產(chǎn)減少[7]，這會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大的影響。

從該小麥估產(chǎn)模型的因子可以看出，此模型適合的區(qū)域是降雨量與灌溉水源占很重要地位的地區(qū)，因此該模型在滿足此條件的華北地區(qū)具有普適性，而且華北地區(qū)作為我國小麥的主要產(chǎn)地之一，小麥的產(chǎn)量將會在很大程度上影響該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)狀況，所以該小麥單產(chǎn)估產(chǎn)模型具有現(xiàn)實(shí)意義。

3 小麥單產(chǎn)模型的應(yīng)用

3.1 小麥產(chǎn)量估算

利用模型對小麥進(jìn)行估產(chǎn)后，如果結(jié)果顯示小麥產(chǎn)值是低產(chǎn)現(xiàn)象，則需要進(jìn)一步分析造成低產(chǎn)的原因。主要分析在其他條件合理的范圍內(nèi)，造成產(chǎn)量降低的條件[8]。如果在4～6月份降雨量充足，由于小麥抽穗前期的NDVI值偏小（合理范圍內(nèi)），則可以繼續(xù)小麥的種植；如果4、5月份的降雨量嚴(yán)重減少，小麥在抽穗灌漿期會因?yàn)樗莶蛔阍斐勺蚜５臄?shù)量減少和不飽滿，產(chǎn)值就沒有保障，可以終止種植。

3.2 可種植作物的選擇

結(jié)合當(dāng)?shù)氐男←湻N植成本以及當(dāng)?shù)氐男←渻r(jià)格，計(jì)算種植小麥?zhǔn)欠襁_(dá)到所需要的經(jīng)濟(jì)要求。一般情況下，小麥的種植成本主要包括種植成本、播種成本、肥料成本、收割成本、農(nóng)藥成本以及人力成本。在4月份的前期成本只有種子成本、播種成本以及少量的農(nóng)藥成本和人力成本，所以花費(fèi)相對而言較小，在這個(gè)時(shí)候決定是否要繼續(xù)進(jìn)行小麥的種植是個(gè)合適的時(shí)間段。

當(dāng)運(yùn)用小麥單產(chǎn)估算模型估算出小麥的產(chǎn)量值，運(yùn)用成本計(jì)算方法計(jì)算出小麥種植的經(jīng)濟(jì)效益后，如果達(dá)不到預(yù)期的效果則需要選擇同時(shí)期可以種植的其他作物來代替小麥種植，比如說春季玉米以及棉花。但是在選擇之前還要估算一下種植其他作物帶來的經(jīng)濟(jì)效益，在合理的范圍內(nèi)選擇最適合種植的作物來達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益，比如玉米適合的條件是八、九月份降雨量要充分，以方便玉米籽粒的飽滿生成，而棉花則需要在此期間比較少雨的環(huán)境，否則就會造成棉花果爛掉而造成減產(chǎn)。通過多種作物的經(jīng)濟(jì)效益對比，選擇一種適合種植而且經(jīng)濟(jì)效益最好的作物種植。

4 結(jié) 語

小麥單產(chǎn)估算模型雖然估算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間存在一定的偏差，但其偏差在誤差可允許的范圍內(nèi)。在運(yùn)用小麥單產(chǎn)模型進(jìn)行作物的選擇時(shí)，必須注意以下幾點(diǎn)：

1）運(yùn)用單產(chǎn)模型進(jìn)行估產(chǎn)計(jì)算時(shí)注意區(qū)位條件，即是否在可灌溉范圍內(nèi)，如果忽略此條件會直接影響作物種植種類的判斷[9]。

2）當(dāng)小麥單產(chǎn)估算結(jié)果顯示出現(xiàn)嚴(yán)重減產(chǎn)時(shí)，要著重分析造成減產(chǎn)的因素，以便對選擇是否繼續(xù)種植作出合理的選擇。

3）在對作物種植品種進(jìn)行評估選擇時(shí)，不僅需要進(jìn)行小麥的單產(chǎn)估產(chǎn)，還需要對其他品種的產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行估產(chǎn)評估。

該模型主要適用地區(qū)為華北地區(qū)的丘陵、平地地區(qū)，較該地區(qū)的其他模型而言，該模型預(yù)測因子容易獲取，計(jì)算方法簡單，數(shù)據(jù)分析不需要專業(yè)人員，具有普適性，容易被大眾接受使用。因此該方法可以在小麥產(chǎn)值的估算結(jié)果以及作物的種植選擇時(shí)廣泛應(yīng)用。

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1672-4623（2016）12-0045-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.015

王海君，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。

2015-07-15。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41101374）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（20121025）。