农业信息技术(2)

二）机理性与经验性的关系

机理性或经验性的选择取决于以下四个因子：一是应用与研究，应用性模型有较强的经验性，研究性模型则注重机理性；二是资料的可用性，丰富的资料可深化对机理性过程的认识。三是黑箱模拟的运用，有助于增强机理性，但要以合理的假设为基础。四是系统的级别，级别低的模型具有较强的机理性。

经验性模型的优缺点主要表现为：容易理解和使用、输入变量和资料少，但模型的解释性和广适性差。

机理性模型的优缺点是：具有内在的动态反馈机制、较强的解释性和广适性，但难以理解和使用、输入多而输出欠稳定。 三）模拟研究的尺度

农业模拟的尺度具有三维的特性：时间性、空间性、复杂性。 四）支持研究 一般认为，需要从事的农业模拟支持研究主要有两个方面：一是已知因果关系或基本模式，但缺乏特定的数量表达或算法程序；二是相对不了解而有待探索的某些过程，称为黑箱。 五）析因方法与系数化

析因法的主要特征是以系数的形式来分别建立不同单因子的响应模型或效应因子模型，然后以一定的数学方法来定量这些系数间的互作，即将多因子响应模式进行简化处理。 系数互作的计算方法主要有最小法和乘积法。 （六）遗传参数

遗传参数是指描述非逆境下品种基本遗传性状的一组特征值。一个品种的遗传系数一般以10－15个左右为最适，最多不超过20个。 （七）模型开发环境与工具 （八）构件化程序设计 构件化程序设计的特点 （1）构件具有重用性；（2）构件的重用是黑箱重用，无须知道源代码；（3）构件的重用不受开发环境的制约；（4）即插即用，便于修改和维护。 2．软构件的基本标准

（九）农业生长系统的表示方法 1．系统的界定

2．农业模拟模型的结构成分 3、输入输出资料

模型的输入资料以最少为原则，既可容易获得，又可简化模拟运算。

模型的输出要求动态、完整、易于理解，具有先进的可视化及多媒体特点。 第四节 农业模拟模型的研制步骤 一）模型选择与系统定义 二）资料获取与算法构建

一是自己已有的工作积累或文献资料 。二是通过合作途径，可以从同行科学家那里获取相关资料。三是必须通过补充试验或支持研究，围绕某个方面获得全新的资料。 三）模块设计与模型实现 （四）模型检验与改进 1．敏感性分析 2．校正 3．核实

将模拟结果与实际结果进行回归分析；

将实际结果与模拟结果按同一时间坐标绘1:1图进行比较； 检验模拟与实际值的平均误差。

（1）平均离差（Mean Deviation，MD） 即预测值与实际值之差总和的平均值。

（2）平均预测误差（MPE）即预测值与实际值之差绝对值总和的平均值，反映模型的精度。 （3）预测均方法 （4）均方差根 （5）拟合指数 （6）偏斜度

二）模拟模型与其它技术的耦合 1. 与专家系统或知识模型的结合 2与RS技术的结合 3．与GIS的结合

4．与全球定位系统（GPS）的结合

5．与可视化技术及虚拟现实技术的结合 6．与组件技术的结合 7．与网络技术的结合 第四章 3S农业

一、农业遥感的定义、作用、发展动态 （一）农业遥感的定义

是指从不同高度的遥感平台（Platform）上，使用各种传感器（Remote Sensor），接收来自地球表层各类地物的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而对不同的地物及其特性进行远距离的探测和识别的综合技术。 1.遥感特性 1）间接性 2)光谱特性

探测波段从可见光波段向两侧延伸，不仅能获得地物在可见光波段的电磁波信息，而且还可以获得紫外、红外、微波等波段的信息。 (3)时相特性 (4)信息数据齐全 (5)遥感的分类

⑴根据所利用的电磁波的光谱波段，遥感可以分为可见光－反射红外遥感、热红外遥感和微波遥感三种类型

⑵按传感器的工作方式不同可分为被动遥感和主动遥感

被动遥感是指传感器自己不发射信号，而是接收目标物辐射的电磁波或反射的太阳辐射； 主动遥感则是传感器向目标物发射电磁波，然后收集从目标物反射回来的电磁波的遥感方式。

⑶按传感器的扫描方式又可分为扫描式遥感和非扫描式遥感 ⑷按传感器图像获得方式可分为图像方式和非图像方式

⑸按照探测目标不同可分为海洋遥感、气象遥感、农业遥感等。 ⑹按照遥感平台可分为地面遥感、航空遥感和航天遥感。 3.遥感技术系统

遥感技术系统主要有遥感平台、传感器及遥感信息的接收和处理等三部分组成。 （1）遥感平台

搭载传感器的工具统称遥感平台（Platform），按高度可分为地面平台、航空平台、航天平台等。 2）传感器

传感器（Remote Sensor）是记录地物反射或发射电磁波能量的装置，是遥感技术系统的核心部分。

数据记录方式:非成像传感器 成像传感器

工作的波段:可见光传感器 红外传感器 微波传感器

工作方式:主动传感器（雷达） 被动传感器（摄象机、扫描仪、辐射计） （3）遥感信息的传输与处理 1）遥感信息的传输

一种为直接回收；另一种为视频传输。 二）农业遥感的作用 1.科学效益

首先是提高制图精度。 2.经济效益

首先表现在节约时间，再次，节省了人力和财力。 第二节

农业遥感原理

一、电磁波和电磁波谱

电磁波的波段从波长短的一侧开始，依次叫做γ射线、χ射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。

二、太阳辐射与大气窗口 1.太阳辐射

太阳辐射能量随波长的分布称为太阳辐射光谱 2.大气窗口

由于大气对电磁波的选择性吸收，使大气在不同波段对电磁波的衰减程度各不相同。换句话说，大气对不同波段的电磁波有不同的透射率，因此有些波段电磁波能顺利透过去，而在另一些波段的电磁波则很少透过，甚至完全不能透过。大气对电磁波衰减较小，透射率较高的波段叫“大气窗口”。 １）可摄影窗口

是目前遥感上应用最广的窗口，被气象卫星、陆地卫星及其它遥感探测所使用

２）短波红外窗口

不能用胶片摄影，只可用扫描仪和光谱仪来测量和记录。可探测农作物叶片温度状况，某些波段对区分蚀变岩石有较好的效果,是遥感地质应用上很有潜力的一个窗口。 3）中红外窗口

信息只能用扫描仪和光谱仪进行探测与记录 （４）热红外窗口

要是用扫描仪和热辐射计来获得地面目标的电磁波信息 （５）微波窗口

是全天候的遥感波段。 第三节 农业遥感方法 一、地面遥感试验研究 1.地面遥感

具有成本低，精度高，方便灵活，适用性强，可用数据多等特点。

地面遥感传感器主要有普通相机、数码摄像机、摄影经纬仪、ASD Field Spec Pro FRTM光谱仪等光谱辐射计等摄影仪

地物波普：物体在同一时间，空间条件下，其辐射、反射、吸收和透射电磁波的特征是波长的函数。将这种函数关系，即物体或现象的电磁波特性用曲线的形式表现出来时，就形成了地物电磁波波普。遥感的依据为地物波普

ASD的测定条件：太阳垂直辐射、天气晴朗，风小云少、身着深色或黑色衣服、北京时间10:30—14:30测定 2.地物波谱测量的作用

其一，传感器波段选择、验证、评价的依据；其二，建立地面、航空和航天遥感数据的关系；其三，将地物光谱数据直接与地物特征进行相关分析并建立应用模型。 二、空间遥感数据处理方法

空间遥感信息的获取主要有两类，一类是航空相片 ；另一类是各种卫星影像资料 2.数字图像的校正

1）遥感影像变形的原因

1)遥感平台位置和运动状态变化的影响 2)地形起伏的影响 3)地球表面曲率的影响 4)大气折射的影响 5)地球自转的影响 （2）辐射校正 （3）大气校正

所谓大气校正就是指消除主要由大气散射引起的辐射误差的处理过程。方法主要有回归分析法、直方图法和公式计算法。 回归分析法 直方图校正法 4）几何纠正

在用几何纠正法处理遥感影象信息时，常用的几种具体的基本空间变换有：①平移变换；②以y轴为对称轴的变换；③以x轴为对称轴的变换；④以原点为对称点的变换；⑤缩小变换；⑥放大变换；⑦旋转变换。 几何校正的原理

一是像元坐标变换；二是像元灰度值重新计算 像元坐标变换

首先要确定原始图象和纠正后图象之间的坐标关系。有直接法和间接法两种。 数字图象灰度值的重采样 有三种方法：

最近邻法:用距离投影点最近像元灰度值代替输出像元灰度值。

双线性内插法:考虑周围4个相邻像元灰度值，并根据各自权重计算输出像元灰度值。 双三次卷积法 该法是取与投影点邻近的16个像元灰度值计算输出像元灰度值。 （5）图像放大 3.数字图像增强 （1）对比度变换 ⑵空间滤波 ⑶彩色变换 单波段彩色变换

单波段黑白遥感图像可按亮度分层，对每层赋予不同的色彩，使之成为一幅彩色图像。这种方法又叫密度分割，即按图像的密度进行分层，每一层所包含的亮度值范围可以不同。 多波段色彩变换

根据加色法彩色合成原理，选择遥感影像的某三个波段，分别赋予红、绿、蓝三种原色，就可以合成彩色影像。 HLS路变换

HLS代表色调，明度和饱和度(Hue，Lightness，Saturation)的色彩模式，这种模式可以用近似的颜色立体来定量化。 ⑷ 图象运算

实际应用中常采用差值运算和比值运算两种方法。 ⑸多光谱变换 三）植被指数模型

植被指数是指由多光谱数据，经线性和非线性组合构成的对植被有一定指示意义的各种数值 归一化差值植被指数 （NDVI）

NDVI被定义为近红外波段与可见光红波段数值之差和这两个波段数值之和的比值，即NDVI =（IR-R）/（IR+R）。 比值植被指数（RVI）

指近红外波段与可见光红波段数值的比值，即RVI=IR/R。 环境植被指数（EVI）

又称差值植被指数，被定义为近红外波段与可见光波段数据的差值，即EVI=IR-R。 绿度植被指数（GVI）和垂直植被指数（PVI）

第8章 精确农业技术

第一节精确农业技术的定义、发展 一、精确农业的概念

精确农业（Precision agriculture, PA）：利用3S空间信息技术、作物生产管理决策支持技术（DSS）和农业工程装备技术为基础，定位、定量、定时地面向大田作物生产的精确农作技术。

三、精确农业的特征

1．地域性2．综合性 3．系统性4．渐进性5．可操作性 第二节 精确农业的支持技术 一、3S技术

1．地理信息系统 2．遥感技术 3．全球定位系统 二、决策支持技术（DSS） 三、可变量投入系统 可变量投入系统的种类

（1）基于地图的变量投入技术 （2）基于传感器的变量投入技术 四、智能机械装备技术

第三节 精确农业技术实施过程 一、数据采集

1．产量数据采集2．土壤数据采集3．作物营养监测方法4．土壤水分监测5．苗情、病虫草害数据采集6．其它数据采集 第四节 精确农业技术的应用

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