新疆棉花估產遙感的應用研究進展

閆豫疆，李 佩，陳冬花，李 虎， 黃新利

(1.新疆維吾爾自治區衛星應用中心，新疆烏魯木齊 830000；2.河南省地質礦產勘查開發局第四地質勘查院，河南鄭州 450001)

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新疆棉花估產遙感的應用研究進展

閆豫疆1，李 佩2，陳冬花1，李 虎1， 黃新利1

(1.新疆維吾爾自治區衛星應用中心，新疆烏魯木齊 830000；2.河南省地質礦產勘查開發局第四地質勘查院，河南鄭州 450001)

闡述了遙感估產的基本原理及方法，對棉花遙感估產研究進行了重點分析，并總結了新疆棉花遙感估產中存在的問題，最后展望了今后的研究方向和發展前景。

遙感；棉花；估產

新疆地處我國西北部，總面積約166萬km2，為溫帶大陸性氣候，年日照時數在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，其種植面積占全國棉花種植總面積的1/4左右，產量占全國棉花總產量的1/3以上[1]。棉花產業作為新疆的支柱產業，其發展與新疆經濟發展和國家穩定有密切關系，在國民經濟中也起著決定性作用[2]。近年來，由于土壤肥力差，災害天氣和病蟲害頻發，導致新疆棉花的種植總面積持續減少，實際產量和預測產量之間存在較大的誤差。因此，實現快速動態和準確預測棉花產量，不僅有助于棉農制定生產計劃和紡織業安排生產，而且可為國家經濟的宏觀調控和總體規劃提供重要的科學依據。

目前，我國不同行業對棉花產量的預測方法各不相同[3]。鐵路運輸部門根據棉花的累計運出量來粗略計算棉花產量，精度較差；金融單位采用現場調研法，先估算棉花的種植面積，再推算棉花產量，誤差較大；政府部門采用自下而上的統計方法，時效性差且費用高；氣象部門采用的估產方法在單一時相預測精度較高，但在農業災害突發時會產生較大誤差；農學估產由于工作量大、估產速度慢等原因，預測時間和收獲時間過于接近，實用價值有限。

隨著空間技術的發展，遙感憑借其時效性高、覆蓋范圍廣、成本低等優點，在各行業中均得到廣泛應用[4]。利用遙感監測技術手段對棉花進行產量估算研究，其優點是能排除人為干擾，兼具客觀性和科學性，為大區域棉花監測提供了新的科學技術手段。筆者闡述了遙感估產的基本原理和方法，對棉花遙感估產研究進行了重點分析，并總結了新疆棉花遙感估產中存在的問題，最后展望了今后的研究方向和發展前景。

1 新疆棉花種植區域與監測時相劃分

1.1 種植區域的劃分 新疆棉花種植主要分布在三大區域：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噶爾盆地西南部地區，約占新疆棉花總面積的1/3，是我國高品質棉花生產基地之一。北疆4—10月的平均溫度為18～19 ℃，無霜期為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 最佳監測時相區的劃分 新疆不同棉花種植區內的棉花種植期差異可能會超過10 d。加之其他作物的物候效應影響，在進行棉花遙感監測時，首先要對不同地區棉花遙感識別的最佳時相進行研究。由表1可知，新疆三大棉區內種植的棉花在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，影響棉花產量的關鍵時期是6月和9月。從不同分區來看，9月中上旬是識別南疆棉花的最佳時相，9月中旬可作為識別北疆棉花的最佳時相。在氣候上，東疆棉區的吐魯番與哈密差異較大，吐魯番地區春季早、夏季炎熱、積溫高、棉花生長期較短，而哈密地區的氣候條件與北疆棉區大體一致，棉花生長期也與北疆棉區一致。因此，8月下旬可作為識別吐魯番棉花的最佳時相；9月中旬可作為識別哈密棉花的最佳時相。總而言之，除吐魯番地區外，新疆三大棉區進行棉花遙感識別最佳時相是9月，其次為6月。

2 棉花遙感估產的基本原理和方法

遙感估產的基本原理是基于衛星傳感器記錄的不同作物在不同生長階段的光譜反射率差異，根據統計數據、野外試驗數據與植被指數之間的相關關系校正從遙感影像中提取出的植被指數，通過建立、檢驗最佳估產模型等流程，最終實現對某一研究區域棉花產量的預測[5]。

表1 新疆三大棉區棉花的物候歷

目前，常用的棉花產量遙感估算方法主要有光譜估產法、衛星遙感估產法、光譜與衛星遙感估產復合法[6]。其中，光譜估產法通過對棉花光譜特征值與長勢、產量進行相關性分析，可綜合、直觀地反映棉花長勢。衛星遙感估產法基于棉花生長過程中對紅波段具有強吸收，而對近紅外波段具有強反射的特點，對紅波段和近紅波段進行不同組合來建立多種植被指數，進而預測棉花產量。光譜與衛星遙感復合法是結合實地測量和衛星遙感的優點，建立多元復合回歸模型進行估產。棉花的遙感估產具體流程如圖1所示。

圖1 棉花遙感估產技術流程Fig.1 Technical flow of cotton yield estimation by remote sensing

3 棉花遙感估產的應用

3.1 國外棉花遙感估產的應用 美國于19世紀70年代開展的“大面積作物估產試驗”(LACIE計劃)對棉花估產精度超過90%。Ray等[7]基于衛星遙感數據，通過建立線性時間序列、實際蒸發模型和土壤濕度平衡模型，預測印度主要棉花種植區的棉花產量。Plant等[8]利用棉花含水量、含氮量和植被指數間的關系，對加利福尼亞棉花種植區的棉花產量進行遙感預測研究。Maas等[9]使用TM多光譜影像數據建立線性混合模型來評估棉花冠層特征，其比較分析了紅光、近紅外波段與地面測量的數據，得到了與早期其他研究者相似的研究結果，并認為線性混合模型比經驗曲線模式應用范圍更廣。Dalezios等[10]使用時間分辨率較高的NOAA/AVHRR衛星數據建立棉花生長季內時間序列的NDVI，發現NDVI與棉花產量的相關性較高，可用于研究棉花產量隨時間的變化特征。Yang等[11]分別使用QuickBird衛星圖像和機載紅外圖像來計算NDVI，其研究發現2個圖像對棉花產量的預測結果相似，且非監督分類可以有效區分不同地區的棉花產量。Liu等[12]為了提高作物產量估測的精度，獲取了覆蓋美國加州圣華金谷的棉花種植區的時序高空間分辨率、高光譜影像建立產量預測模型，使用面向對象分割，通過降低圖像和產量數據中的噪聲來提高田間尺度棉花產量預測的準確性。

3.2 新疆棉花遙感估產的應用 我國使用衛星遙感技術進行農作物產量預測研究始于“六五”規劃期間，并在局部地區開展產量估算試驗。我國農作物遙感估產的研究工作始于20世紀80年代。目前，我國對多種農作物遙感估產系統的研究日趨完善，其中，水稻、小麥遙感估產方法已比較成熟，棉花遙感正在被廣泛研究[13-15]。李明霞等[16]在選擇我國棉花遙感估產最佳時相時，同時考慮棉花遙感識別與遙感估產的需求，對棉花遙感估產最佳時相的選擇依據和方法進行分析，并根據全國各地棉花遙感估產最佳時相制作了新疆三大棉區的最佳時相分區圖。楊邦杰等[17]利用中巴資源一號(CBERS-1)衛星數據，最先建立了新疆棉花種植面積遙感監測運行系統的技術體系，為后續衛星在棉花遙感估產領域的大規模應用打下了基礎。柏軍華等[18]根據棉花的不同生育期對棉花產量與LAI進行了相關性分析，建立了棉花產量估算監測模型，認為7月下旬至8月上旬是利用LAI指數預測棉花產量的最佳時相。劉嬌娣等[19]利用新疆南北疆棉花生育期植被指數與對應時期的農學參數建立回歸模型，得到葉面積指數最佳遙感反演模型。同時，劉玫芩[20]還基于ETM數據采用最大似然法對棉花種植區進行監督分類，分析得到9月中下旬是新疆南疆棉花估產最佳時相，其對棉花產量等級及預測也有研究。白麗等[21]結合棉花生長發育規律，對新疆石河子植棉區內的棉花在不同時期的冠層進行高光譜反射率測定研究，首先根據棉花的光譜曲線特征構建高光譜植被指數，然后利用相關性分析，分析并對比棉花產量與不同植被指數之間的相關系數，從而建立棉花高光譜估產模型對研究區內的棉花產量進行估測。結果表明，研究區內的棉花在各生育期可見光波段、近紅外波段及短波紅外波段光譜反射率與產量間的正負相關性都非常顯著。趙良斌等[22]報道了新疆南疆、東疆棉花遙感識別的最佳時相。李紅[23]基于TM影像數據提取多種植被指數，通過深入分析棉花實際產量和植被指數的相關性，建立新疆棉花遙感估產模型，結果表明植被指數與產量間相關性較高。程乙峰等[24]以位于北疆烏蘭烏蘇棉花種植區內的棉花為研究對象，利用棉花實際產量數據與NDVI值，建立棉花遙感估產模型，結果表明基于NDVI的新疆北疆棉花估產模型在棉花生育期的蕾期、花鈴期的擬合系數均達到了極顯著水平，并且在花鈴期擬合度最好。

4 結論與討論

筆者總結了國內外棉花遙感估產的研究與應用情況，特別是對新疆棉花遙感估產的技術和相關研究進行了概述。雖然有關棉花遙感估產的研究已取得了較大進展，但其模型精度仍會受到遙感數據不確定性的影響，如植被指數飽和、大氣校正失敗、云覆蓋量過大等。目前，針對新疆地區的棉花估產遙感監測方法和技術成熟度不高，其研究區域多集中于南疆和東疆，對北疆棉花的估產研究不夠深入。在以往傳統種植方式下，北疆棉花的正常生長受外界干預較少，但隨著北疆近年來棉花大范圍采用機械化種植方式，棉花吐絮期前噴灑脫葉劑會干擾棉花發育，因此有必要將人為影響因子納入北疆棉區棉花遙感估產模型進行研究。此外，新疆棉區現有估產方法的普適性不足，現有模型一般僅適用于特定的研究區域，生產管理條件、品種均相同的作物。由于全疆每年都會有各類新品種推出，棉花種植品種難以進行統籌規劃，如何基于單一模型對多品種棉花進行估產，還需要進行深入的論證和研究。

總而言之，棉花作物作為新疆農業經濟發展的重要支柱產業，在新疆的整體國民經濟活動中具有舉足輕重的作用。利用遙感監測技術對棉花產量進行定量預測，可以讓農業管理和生產部門及時、快速、動態和準確把握棉花生產情況，指導棉農種植計劃，并為相關決策部門提供理論依據。今后關于新疆地區棉花的遙感估產研究與應用，應側重于克服氣候突變、病蟲害和遙感圖像混合像元等不確定因素的影響，提高棉花估產模型的時效性和精度，針對三大棉區的特點，構建適用性較強的棉花遙感估產系統。

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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戰略性新興產業專項。

閆豫疆(1986- )，男，河南信陽人，碩士，從事GIS與地統計學、農業遙感方面的研究。

2016-11-16

S 127

A

0517-6611(2016)36-0236-02