综合叶面积指数和条件植被温度指数的作物长势监测方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    41871336
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    58.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    D0113.遥感科学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Crop leaf area index (LAI) and water stress status are closely associated with crop growth and development and yield formation, and are two most important parameters for indicating crop growth condition and estimating crop yield. Based on the progress and findings of our former NSFC’s supported projects, this project focuses on the retrieval and assimilation of integrated crop growth monitoring indices during the main growth and development period (from the reviving stage to the dough stage) of winter wheat, using remotely sensed data and simulation results of the CERES-Wheat model. The main remotely sensed data used in this study are Terra/Aqua MODIS data, as well as data acquired by field campaigns. The study area is the Guanzhong Plain of Shaanxi province where winter wheat is commonly covered from middle October to middle June. On the basis of quantitative remote sensing techniques, data assimilation approaches and dynamic modelling methods, the following research activities will be carried out: (1) remotely sensed retrievals of a drought indicator called vegetation temperature condition index (VTCI) and LAI at ten-day intervals, and dynamically simulation of soil and crop (wheat) water balances and LAI; (2) developing crop growth monitoring indices at both a given stage and the main growth and development period of winter wheat by using subjective and objective weighting methods, and time series data analysis methods; (3) developing suitable assimilation approaches for the crop growth monitoring indices using the Ensemble Kalman filter, particle filter and variational assimilation methods; (4) field campaigns in the Guanzhong Plain for validating and evaluating the developed crop growth monitoring indices. The characteristics and innovation of this project are to develop integrated crop growth monitoring indices during the main growth and development period of wheat using retrieval and assimilation approaches. The achievements of this study will be very important and useful for crop growth monitoring at crop growth and development periods.
作物叶面积指数(LAI)和水分胁迫状况是表征作物长势和进行作物产量估测的2个最重要的参数。以陕西省关中平原为研究区域,以CERES-Wheat模型为动态模型,基于旬尺度的干旱监测结果—条件植被温度指数(VTCI)和LAI,以及动态模拟的土壤水分和LAI的结果,以即将研发的冬小麦长势监测指数与其产量间的相关性为依据,采用主、客观赋权法和时间序列数据分析法,研发某一生育时期、主要生育期(返青期至乳熟期)冬小麦长势综合监测指数的遥感定量反演研究方法;采用集合卡尔曼滤波、粒子滤波和变分同化等方法,研发适用于冬小麦长势综合监测指数的数据同化方法;开展地面调查实验,对相关反演与同化方法进行验证和评价。项目的特色和创新是基于前期主要生育期冬小麦水分胁迫信息反演与同化的研究成果,开展基于VTCI和LAI的主要生育期冬小麦长势综合监测指数的反演与同化研究,以期研发服务于区域农业生产的冬小麦长势遥感监测方法。

结项摘要

以关中平原为研究区域,利用定量遥感技术和动态模拟技术,采用时间序列分析和机器学习的方法重点对综合叶面积指数(LAI)和条件植被温度指数(VTCI)的作物长势监测模型及其时空尺度转换方法进行了研究,并以LAI和VTCI对冬小麦生产的影响为基准,对所研发的主要生育期(返青期至乳熟期)冬小麦长势综合监测指数和产量估测模型进行了解释。..在构建冬小麦长势综合监测指数与产量估测模型方面取得了突破。基于主成分分析-Copula函数(PCA-Copula)和小波分析(Morlet、Mexican Hat和Paul(m=4))等时间序列方法研发的冬小麦长势综合监测指数和单产估测模型不仅精度较高,而且可解释性强,即研发的模型能很好地解释不同生育时期的VTCI和LAI对冬小麦生产的影响。发现对于VTCI,在拔节期对产量的影响最大,其次为抽穗—灌浆期,最后为返青期和乳熟期;对于LAI,在抽穗—灌浆期和乳熟期对产量的影响要大于在返青期和拔节期的影响。..双参数同化与长势综合监测相结合的方式提高了模型的精度。分别采用四维变分、集合卡尔曼滤波和粒子滤波等算法对LAI和VTCI进行了同化,并应用同化参数构建了长势综合监测指数与产量估测模型,发现应用同化双参数构建的模型精度均优于未同化参数构建的模型,且基于粒子滤波同化参数构建的模型的精度最高。..基于空间尺度转换和时空数据融合的长势表征参数反演取得了进一步的成果。基于MODIS数据产品和Sentinel系列卫星遥感数据,将时空数据融合模型与地表温度降尺度技术相结合,提出了田块尺度VTCI和LAI等参数的时间序列重建架构和方法,并生成了相关数据产品,为深入开展田块尺度作物长势综合监测奠定了坚实的基础。..基于机器学习的长势综合监测指数的智能提取取得了初步成果。将机器学习,尤其是深度学习的方法引入作物长势综合监测指数的提取和产量估测,得出了所构建的长势综合监测指数和产量估测模型的精度一般要优于项目组已研发的基于客观赋权法的模型的精度,并在研究中强化了长势综合监测指数提取模型的可解释性,能够解释不同生育时期的VTCI和LAI对冬小麦生长的影响。这些初步研究成果有助于项目组继续开展基于多参数和深度学习的作物长势信息智能提取研究,促进我们系列研究成果的持续深化和迈向智能化应用,对促进深度学习和遥感大数据技术在农业领域的应用具有重要意义。

项目成果

期刊论文数量(20)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(5)
专利数量(0)
Integrating an attention-based deep learning framework and the SAFY-V model for winter wheat yield estimation using time series SAR and optical data
集成基于注意力的深度学习框架和 SAFY-V 模型,利用时间序列 SAR 和光学数据估算冬小麦产量
  • DOI:
    10.1016/j.compag.2022.107334
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Computers and Electronics in Agriculture
  • 影响因子:
    8.3
  • 作者:
    Han Dong;Wang Pengxin;Tansey Kevin;Liu Junming;Zhang Yue;Tian Huiren;Zhang Shuyu
  • 通讯作者:
    Zhang Shuyu
基于Sentinel-3条件植被温度指数的关中平原干旱监测
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    陕西气象
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    董磊;刘艳;周西嘉;王鹏新;张树誉
  • 通讯作者:
    张树誉
基于遥感多参数和门控循环单元网络的冬小麦单产估测
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    农业机械学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王鹏新;王婕;田惠仁;张树誉;刘峻明;李红梅
  • 通讯作者:
    李红梅
A deep learning framework under attention mechanism for wheat yield estimation using remotely sensed indices in the Guanzhong Plain, PR China
关注机制下的深度学习框架利用遥感指数估算关中平原小麦产量
  • DOI:
    10.1016/j.jag.2021.102375
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation
  • 影响因子:
    7.5
  • 作者:
    Tian Huiren;Wang Pengxin;Tansey Kevin;Han Dong;Zhang Jingqi;Zhang Shuyu;Li Hongmei
  • 通讯作者:
    Li Hongmei
Reconstruction of time series leaf area index for improving wheat yield estimates at field scales by fusion of Sentinel-2,-3 and MODIS imagery
通过融合 Sentinel-2、-3 和 MODIS 图像重建时间序列叶面积指数,以改善田间尺度的小麦产量估算
  • DOI:
    10.1016/j.compag.2020.105692
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Computers and Electronics in Agriculture
  • 影响因子:
    8.3
  • 作者:
    Zhou Xijia;Wang Pengxin;Tansey Kevin;Zhang Shuyu;Li Hongmei;Tian Huiren
  • 通讯作者:
    Tian Huiren

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其他文献

基于CERES-Wheat和遥感数据的土壤水分供给量反演
  • DOI:
    10.1109/ever.2014.6844154
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    农业机械学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王维;王鹏新;解毅;李俐;刘峻明
  • 通讯作者:
    刘峻明
Sentinel-2卫星影像的大气校正方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    光学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    苏伟;张明政;蒋坤萍;朱德海;黄健熙;王鹏新
  • 通讯作者:
    王鹏新
基于LAI和VTCI及粒子滤波同化算法的冬小麦单产估测
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    农业机械学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王鹏新;孙辉涛;解毅;王蕾;张树誉;李俐
  • 通讯作者:
    李俐
基于VTCI空间尺度上推方法的干旱影响评估
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    农业机械学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    白雪娇;王鹏新;张树誉;李俐;王蕾;解毅
  • 通讯作者:
    解毅
基于4D-VAR和条件植被温度指数的冬小麦单产估测
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    农业机械学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王鹏新;孙辉涛;王蕾;解毅;张树誉;李俐
  • 通讯作者:
    李俐

其他文献

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王鹏新的其他基金

基于多参数和注意力机制深度学习的作物长势信息提取方法研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    55 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于条件植被温度指数的冬小麦主要生育期水分胁迫信息的反演与同化研究
  • 批准号:
    41371390
  • 批准年份:
    2013
  • 资助金额:
    75.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
作物全生育期土壤水分供给量的遥感定量反演方法研究
  • 批准号:
    41071235
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    40.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于条件植被温度指数的干旱预测研究
  • 批准号:
    40871159
  • 批准年份:
    2008
  • 资助金额:
    46.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
近实时定量化遥感干旱监测方法的研究
  • 批准号:
    40571111
  • 批准年份:
    2005
  • 资助金额:
    36.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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  • 批准年份:
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  • 资助金额:
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  • 项目类别:
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相似海外基金

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  • 财政年份:
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知道了

AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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