湖北省农业遥感估产信息系统

[湖北省农业遥感估产信息系统]详细设计说明书(报名编号K20090241)项目书拟制人______柳菲____________指导老师__________梅新____________所在学校_______湖北大学_____________[二00九年十月十日][湖北省农业遥感估产系统]——详细设计说明书1详细设计说明书1.引言1.1编写目的湖北省农业遥感估产系统是基于MapGIS7.0平台进行的二次开发，该软件主要是利用湖北省的卫星影像中农作物生长期的光谱特征信息，借助相关算法，完成对相关农作物的估产监测。本详细设计说明书就是对该项目进行详细设计，进一步明确系统结构，划分各个功能模块，实现农作物产量监测的自动化，效率化。1.2背景a.[待开发系统的名称：湖北省农业遥感估产系统]b.任务提出者：梅新老师开发者：柳菲，董康，黄奎，陈津晶，郑培蓓用户：农业监测相关部门1.3理论基础a：孕穗期b：抽穗期c：乳熟期d：成熟期图水稻穗期不同生育期光谱特征由上图可分析出，在水稻四个生育时期，孕穗期、抽穗期、乳熟期、成熟期，光谱特征区别最明显的为第一个反射峰附近，在第一个反射峰区，孕穗期与抽穗期光谱特征最为相似，反射率也最低，乳熟期次之，成熟期最高；在反射谷区，反射率与反射峰区相似。分析原因，孕穗期，水稻剑叶全部露出叶鞘，抽穗期，20%穗子顶端从剑叶叶鞘中露出，这两个时期水稻茎叶发育最茂盛，故对太阳辐射吸收最多，反射的较少，乳熟期，穗子顶部的子粒达到正常谷粒的大小，颖壳充满乳浆状内物，茎叶由盛转衰，对太阳辐射的吸收开始减少，成熟期，穗上有80%以上的谷粒呈现该品种固有的颜色，叶片开发变黄，对太阳辐射的反射更多，反射率更高。基于灰色系统理论的水稻产量监测，在水稻移栽时期，水稻种植区的水深一般在2-15cm，影像中的水稻种植区是表层水体和秧苗的混合光谱特征，在移植的50-60天后，即孕穗期，水稻冠层几乎覆盖整个水稻种植区，影像中的水稻种植区是茂密的植被。选取水稻[湖北省农业遥感估产系统]——详细设计说明书2秧苗移栽时期，对土壤湿度和植被水分含量较敏感的短波红外波段计算得到的陆表水指数（LSWI），以及水稻孕穗期对植被敏感的归一化植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)，从水田中提取水稻种植面积。利用MODIS影像的时效性强，能很好的监测农作物的长势，得到农作物各时期的NDVI和EVI影像，一般选用每年6月到9月的MODIS影像；利用TM影像的精度高，进行监督分类，配合耕地分布利用图，能很好的提取估产区域农作物的种植面积。2.系统的结构湖北省农业遥感估产系统的结构序号模块名称子模块1子模块21文件打开打开地图打开影像关闭保存另存为版面视图打印输出打印设置打印退出2基本操作Shp文件上载放大缩小移动复位获取AOI动态投影重采用影像格式转换矢量转栅格栅格转矢量3影像显示原图显示反转显示湖北省农业遥感估产信息系统文件基本操作影像显示影像处理影像分类影像运算遥感估产关于帮助[湖北省农业遥感估产系统]——详细设计说明书3均衡化显示透明显示卷帘显示闪烁显示鹰眼显示漫游显示4影像处理投影变换几何校正太阳高度角校正影像裁剪薄云去除噪声去除5影像分类监督分类监督最小距离分类监督广义最小距离分类监督平行六面体分类最大似然法BP神经网络分类RBF神经网络分类LVQ2神经网络分类高阶神经网络分类非监督分类ISODATA法分类非监督最小距离分类非监督广义最小距离分类非监督平行六面体分类ART神经网络分类FuzzyART神经网络分类Konhonen非监督分类分类后处理精度评价聚类评价去除分析过滤分析分类后比较法作物面积提取6影像光谱信息影像合成波段运算快速计算7遥感估产单产模型一元线性回归模型拉格朗日插值模型牛顿插值模型曲线拟合模型总产模型8关于帮助关于操作手册[湖北省农业遥感估产系统]——详细设计说明书43．数据处理3.1所需数据描述影像数据：湖北省2002年161天到241天MODIS影像和TM影像矢量数据：湖北省行政区边界，估产采样区域，湖北省行政区耕地利用分布图文本数据：估产样本区域的时间信息和产量信息Excel数据3.2数据采集影像数据可以在网上下载或者购买获取矢量数据需要利用GPS等仪器实地测量获取文本数据咨询当地相关农业部门，例如统计年鉴等官方文本3.2数据处理1.影像数据需要做影像校正使相关光谱信息能很好的显示，例如：太阳高度角校正，几何校正，薄云去除，噪声去除等，然后对MODIS影像进行NDVI，EVI或者LSWI处理，对TM影像进行分类提取估产区域的处理；2.对影像数据和矢量数据做投影变换，使之在同一投影系下重叠显示，用湖北省行政区边界和TM影像提取估产区域的影像图，用估产采样区域和TM影像提取样本区域影像，配合湖北省耕地利用分布图进行人工修正，获取实际的估产区域；3.比对MODIS影像和TM影像进行像元值赋值，参照文本数据，利用样本区域像元值，选择模型建模，计算整个估产区域各个像元值对应的产量，最后累加获得总产量。注：本项目采用的估产方法特点，利用MODIS影像的时效性强，能很好的监测农作物的长势；利用TM影像的精度高，能很好的提取估产区域的面积。先求出单产，再利用单产*面积累加求得总产，方法主要是利用样本区域的像元值和对应的单产值，选择单产模型来计算其他区域像元值对应的单产值，最后农作物总产量=单产1*种植面积*修正系数+…+单产n*种植面积*修正系数（不到一个像元的修正系数取0.5，以后可以修正），其中单产模型有一元线性回归模型，拉格朗日插值模型，牛顿插值模型，曲线拟合模型。具体方法可参见以下所示的估产流程图：[湖北省农业遥感估产系统]——详细设计说明书54．模块设计说明4.1文件模块文件模块包括了打开，关闭，保存，另存为，打印输出，退出等功能子模块，该模块实现了对文件的基本管理操作。4.2基本操作模块基本操作模块功能对影像的基本管理，可以进行放大，缩小，移动，复位等操作，影像格式转换使影像能转换成本系统可处理的格式，获取AOI功能方面后面对于影像裁剪，监督分类的操作，重采样处理使影像特征显示的更为明显。如图4-2所示。4.3影像显示模块基本操作矢量转栅格栅格转矢量影像格式转换重采样影像融合AOI编辑文件打开关闭保存打印输出另存为退出打开地图打开影像打印设置打印版面视图[湖北省农业遥感估产系统]——详细设计说明书6原图显示：原始图像的显示反转显示：为了突出感兴趣目标所在的灰度区间，相对抑制不感兴趣的灰度区间均衡化显示：使各灰度级上的像元分布均匀，增强影像上地物间的反差卷帘显示：使叠加的影像中一幅成可设置值的透明度显示透明显示：将一幅影像设置透明度，与第二幅影像进行对比显示闪烁显示：将一幅影像进行闪烁显示，与第二幅影像进行对比显示鹰眼显示：对影像的局部区域进行放大显示漫游显示：将一幅影像以一定的视角和形式进行显示4.4影像处理模块投影变换：对影像进行转投影，使两幅影像能在同一投影系下显示几何校正：通过计算机对离散结构的数字图像中的每个像元进行校正太阳高度角校正：消除太阳高度角导致辐射亮度失真的过程影像裁剪：获取影像中需要的处理的部分薄云去除：消除影像拍摄时云层带来的影像光谱信息失真过程噪声去除：利用傅立叶变换法、小波变换法和插值法等去除影像上的噪声影响4.5影像分类模块影像显示原图显示鹰眼显示反转显示卷帘显示均衡化显示透明显示闪烁显示漫游显示影像处理投影变换几何校正太阳高度角校正影像裁剪薄云去除噪声去除[湖北省农业遥感估产系统]——详细设计说明书7该模块功能通过对影像进行特定方式分类，配合耕地利用分布图来提取估产面积区域，然后通过分类后的分析，评价判断该分类方法的拟合度，并利用重编码功能提取估产信息。4.6影像运算模块本模块根据农作物在影像上的特征，对影像进行处理，使该农作物的光谱信息更为明显，便于对相关区域进行信息提取和估产操作。NDVI：检测植被生长状态、植被覆盖度和消除部分辐射误差等。归一化植被指数=（近红外波段-红光波段）/（近红外波段+红光波段）EVI：提高对高生物量区的敏感度，通过削弱叶冠背景信号和降低大气的影响来改善对植被的监测。增强植被指数=G*（近红外波段-红光波段）/（近红外波段+C1*红光波段-C2*蓝光波段+L）其中G，C1，C2，L为相关系数LSWI：利用了对水体敏感的短波红外波段，对土壤湿度和植被水分含量较敏感。陆表水指数=（近红外波段-短波红外波段）/（近红外波段+短波红外波段）4.7遥感估产模块影像运算影像合成波段运算快速计算影像分类监督分类分类后处理分监督分类监督最小距离分类最大似然法……ISODATA分类非监督最小距离法精度评价过滤分析分类后比较法……聚类分析去除分析作物面积提取[湖北省农业遥感估产系统]——详细设计说明书8一元线性回归模型：yt=b0+b1xt+ut(4.7.1)上式表示变量yt和xt之间的真实关系。其中yt称作被解释变量（或相依变量、因变量），xt称作解释变量（或独立变量、自变量），ut称作随机误差项，b0称作常数项（截距项），b1称作回归系数。在模型(4.7.1)中，xt是影响yt变化的重要解释变量。b0和b1也称作回归参数。这两个量通常是未知的，需要估计。t表示序数。当t表示时间序数时，xt和yt称为时间序列数据。当t表示非时间序数时，xt和yt称为截面数据。ut则包括了除xt以外的影响yt变化的众多微小因素。ut的变化是不可控的。上述模型可以分为两部分。（1）b0+b1xt是非随机部分；（2）ut是随机部分。拉格朗日插值模型：n个节点的拉格朗日插值多项式公式为10)()()()(Pniiiixwxxyxwx，其中ixfyi，10)()(niixxxw，10nijjjiixxxw且牛顿插值模型：牛顿插值是基于下面这些的公式：f[x0,x1,...xk]=(f[x1,...xk]-f[x0,...xk-1])/(xk-x0)f[x]=f(x)f(x)=f[x0]+f[x0,x1](x-x0)+f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)+...f[x0,...xn](x-x0)...(x-xn-1)+Rn(x)前两个是均差的递推关系式，而后一个就是牛顿插值公式，其中N(x)=f(x)-Rn(x)，即目标多项式，Rn(x)是n阶插值余项，我们就是用N(x)去近似f(x)。曲线拟合模型：用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数遥感估产单产模型总产模型一元线性回归模型拉格朗日插值模型牛顿插值模型曲线拟合模型[湖北省农业遥感估产系统]——详细设计说明书9关系的一种数据处理方法。通过实验或观测得到量x与y的一组数据对(xi，yi)（i＝1，2，…m），其中各xi是彼此不同的。人们希望用一类与数据的背景材料规律相适应的解析表达式，y＝f(x，c）来反映量x与y之间的依赖关系，即在一定意义下“最佳”地逼近或拟合已知数据。总产模型：农作物总产量=单产1*种植面积*修正系数+…+单产n*种植面积*修正系数4.8关于帮助模块本模块主要是对系统各个功能块的简要介绍，以及对于估产流程的阐述，并对常见问题提出了解决方案，使用户能够更好的使用本系统。关于帮助关于操作手册