遥感专题：遥感数据与巴西甘蔗产量的相关性分析

国投安信期货 DICESNENCEHUTUR 安如泰山信守承诺 遥感专题：遥感数据与巴西甘蕨产量的相关性分析 国投安信农产品 巴西✁世界上最重要的产据国。不过由于无法实地调研，如何对巴西的甘菌产量进行预估✁需要解决的间题。遵感技术在农业中的应用非常广泛，我们可以借助遥感数据对已西的甘蔗产量进行预估。 1.避感技术简介 遥感技术指从人造卫对地面观测，逐过电碳波的传播与接收，感知目标的某些特性并加以进行分析的技本。实际应用中，通感技本✲产泛应用于资源调登、地表环境监测、人类活动监测等多个方面。感数据在表业中也大有可为，可以通过遥感数据来监测衣作物的长势、估计衣作物的种植面积、监测病虫客等。 NDVI✁一-种常用的遵感数据指标，他✁通过近红外波段与虹波段反射率经过计算得出的数据，NDVI✁公认表 征植✲变化最有效的参数之一，可较好地反映植✲绿度变化。 植破一般✁对近虹外光反射明显而较亮，而由于光合作用吸收虹光比较略，与其它地物在遥感影像上形成强烈差异，国此利用近妇外与妇波段的这个计算，植✲的值明显偏高，可以很蓉易把植物区分并采。 本文通过不同的遵感产品未来分析遵感数据与巴司甘产量的关系。主要目的✁希型能够在新榨季开始前利用 植✲指数对产量微出有效的预估。 2.MODIS道感数据与巴西中南部甘蔗产量的相关性分析 关国航空航天局（NASA）分别子1999年和2002年发射了TERRA和AQUA卫星，用来蓬测地球环境。MODIS✁ 搭载在TERRA和AQUA卫星上的一-个重要的传感器，波长范图为0.4微米到14.4微米，包含可见光到红外波段。影像分辨率为250米到1公重之间，每1至2日可完整扫描地球表面一-次。这重载们采用的两个产品为M0D13Q1与MCD12Q1其中，其中MOD13Q1提供植✲指数EVI，数据频率为每16天一-次；MCD12Q1.051✁土地类型数据，数据会 与甘准产量间的关系。 首先载们要对数据进行预处理，如去云、去除一要质量较意的数据等，筛速出相对较好的数据。然后筛速出土地类型为“农固”的数据，最后计算所统计地区EVI的最大、最小值、平均值、中位数等统计数据。 载们速择的研究区域为巴函圣保多州，该州✁巴函施主产区，产量占巴西中南部总产量的60%以上。载们 把得到的EVI数据与巴西圣保多州的产量进行比较。时问上，载们速择了2012.01-2022.06的数据。进行数据处 理后，我们得到时序列图，如图2所示。 本报告版权局于国投安信期货有限公司不可作为投资像据，转最谐注明出处 图1：研究区域 + 图2：EVI中值的时间序列 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 做EVI中值的季节性图，如图3所示，可以看到EVI中值的季节性和巴西中南部甘蒸的生产情况比较符合。巴西中南部每年4月份甘蔗完全成熟，开始收割甘蔗。在图3中我们香到EVI在一-季度达到最大值，随后开始下 降，一-直到10月份前后见底，然后开始回升。而巴西甘收割电✁在10月份左右基本完成的，EVI和甘蒸种植的 季节性基本符合。 接下未我们比较EVI与产量的关系。定性未看，2021年巴西出现了严重的减产，2020年底与2020年4月份开始，这两个时间段EVI都处于同期最低水平，和减产✁相呼应的。但✁2021年1-3月EVI同比没有明显降低。 我们计算每个月的EVI与产量的相关系数，结果如表1所示。可以者到，相关度最高的✁上一-年的11月、12 月，进入1月份之后相关性很差，这主要✁国为我们选取的✁研究区域内所有的农因，木能有些识别甘董，其他作物的遵感数据也在我们计其的指标中，国此效果不好。 本报告版权居于国投安饰期货有限公司不可作为投奇优据，转放谐注明出处 图3：EVI中值的季节性 0.7 0.4 0.3 0.2 0.1 1月1日2月1日3月1日4月1日5月1日6月1日1月1日8月1日9月1日10月1日11月1日12月1日 O 2021 0.47 上年11月 0.58 上年12月 0.67 1月 0.08 2月 0.12 3月 0.31 4月 0.25 5月 0.36 表1：各月EVI与产量的相关系数上年10月 3.基于sentinel2的EVI与巴西甘蒸产量的相关性分析 我们还可以使用sentinel2卫星遵感数据，和上文使用的modis传感器相比，sentinel2的分辨率更高。我们之前使用的modis产品的分辨率✁250米，而Sentinel2的波段共有13个，每个波段的像素大小为10、20、60 米不等，分辨率更高。卫星的分辨率决定了遵感影像数据的清晰度，分辨率越大清晰度越高，用分辨率更高的 sentinel2有助于我们识别衣作物。 首先，我们速择巴西圣保多州的--块区域，通过此区域内的sentinel2遵感数据计算--年内的ndvi值。然后 遇过查找文献，我们可以得到巴西甘施的大致ndvi曲线特征。最后，通过比较研究区域内各个点的ndvi曲线与巴西甘施的曲线特征，我们可以筛选出符合甘施曲线特征的区域。 本报告服权易于国投安估期货商限公司不可作为投资像据，转放谐注明出处 其次，在选定的研究区域内，我们利用HarmonizedLandsatSentinel-2产品进行数据分析。该项目✁从 NASA/USGSLandsat8和ESA（欧洲航天局）Sentinel-2联合获取输入数据，生成协调的、可用于分析的表面反 射率数据产品，每两到三天进行--次观测。Landsat8收渠30米空间分辨率的数据，周期为16天，SenBi能条28到20米空间分辨率的数据，周期5天。集合而成的HLS可以收渠30米空间分辨率的地表观测数据，周期为2-3天。我们将利用HLS产品计算eVi，并计算与产量的相关性。 研究区域遵择的✁巴西圣保多州RibeiraoPreto附近区域，RibeiraoPreto✁圣保多州的主要甘蒸种植地。 图4：研究区域 Uberiand raguari Mina Vala Uberabe ShoJoeFranc TrsLagoddoRioPrete AraxdRibeirao dasNeves BeloHorizor Ribeir AracatutPreto atanduva DouradosMariliaoRoClar onselheiLafaiete Londrin Botucati 下载并处理逢感数据后，可以得到研究区域的卫至图像，如图5所示，时间✁2021年2月3日。计算ndvi后得到图6，越接近绿色ndvi值越大，越接近蓝色ndvi值越小，可以发现研究区城ndvi值较大，表明植✲虚盖面积较 大。 图5：研究区域卫星图像 本报告版权局于回投实修期货有限公司不可作为投资像指，或请注明出处 图6：研宽区域NDVI 我们还可以下载其他时间段该地点的遵感数据，得到--个ndvi时间序列曲线。我们在2021年12个月中各取 -天，下载了12个数据。这样可以得到该区域2021年的ndvi时间序列曲规，如图7所示，在侧的曲线条示中间红 色方格处ndvi的变化。 图7：2021年不同地点的ndvi曲线 本报告版权局于回投实修期货有限公司不可作为投资像指，柠我请注明出处 为了得到巴西甘蒸ndvi曲綫的特征，我们查找了一-些文缺。《High-resolutionmapofsugarcane cultivationinBrazilusingaphenology-basedmethod》中比较详烟地展描绘了巴西甘菌的ndvi曲战，如图8-图10所示。 图8的曲线分为两部分，灰色和红色的曲线表示12-18个月成熟的甘菌，蓝色和红色的曲战表示宿根菌。时间 上按照新植燕的生长过程进行分类。 图9主要传达了两个信息：第一一：已西甘落收割时间跨度较长，中南部地区的收到从每年的4月开始一一直持续至12月，国此存在不同的“承行“的曲线，表示在不同时间点收割的甘落。图9的上半部分列举了这些典线，这 些都✁可能的甘蔗ndvi曲线形状。第二，文缺的作者认为，ndvi曲线最大值与最小值的差可以作为甘落曲线的 特征值，他认为差值大于0.3甘燕的重要特征。 图10展示了巴西不同类型植✲的ndvi曲线，文缺作者认为甘蒸区别于其他植✲的特征有两点：第一，甘蒸的 生长周期为12-18个月，明显长于其他作物。第二：收割后，甘落的ndvi会出现断崖式下跌。 图8：甘蒸NDVI曲线特征（一） 12monthcycle12-18monthcyclecommon 0.8 - 0.7 0.6 0.4 0.3 0.2 Ripening& 2 TilleringGrandgrowthharvesting 135678910111213 Month 图9：甘蒸NDVI哟线特征（二） harvestingperiod yeari-1lyearilyeari+1 0.8 0.7 0.6 0.4 South-Central 0.3 0.8(Apr.toDec0.2 0.7 0.6 0.4 0.3 0.2 Northeast (Jan,toApr,)(Sep.toDec,) JulySepNovJanMarMayJulySepNovJan Date 本报告版权局于回投实修期货有限公司不可作为投资像指，格或请注明出处 图10：甘黛NDVI曲线特征（三） (b)0.8 Sugarcane 0.6 One-seasoncrop Two-seasoncrop NDVI 0.4Pasture Forest 0.2 0.0 JanMarMayJulySepNov Date 通过文缺中提到的这要ndvi曲线特征，载们可以在避感图像中速定合透的区域作为研究区域，如图11崇色 区域所示。 图11：选定的研究区域 T 通过卫至产品数据库，我们可以得到研究区城的地表观测数据，经过去云等数据处理后计算evi，得到季节 性图，如图12所示。 本报告版权易于国投失饰期货商限公司不可作为投资像指，柠或请注明出处 图12：EVI✁✆节图 0.7 0.b 0.5 0.4 0.5 0.2 0.1 0 1月2.月5月4月SR6R78R9月10月11月12,月 201320142015201620L72018201920202021 选取2013-2021年✁数据，我们计算每个月evi✁平均值并与巴西中南部产量进行相关性分析，结果如表2所 示，相关性较第一个方法大幅提升。值得注意✁✁，观察图12可以发现，2019年✁曲线与其他曲线✁形状不同。与文缺中✁曲线图对比可以发现，2019年✁曲线evi全年呈上升趋势，当年可能没有进行收割。如果我们去 月份相关性由0.6.上升至0.94，4月份evi由0.78_上升至0.88。可以看到，调整后✁evi与产量✁相关性进一步提 升。 表2：月平均EVI与产量✁相关系数 月份 相关性 剔除2019年后相关性 上年10月 0.47 0.47 上年11月 0.50 0.50 上年12月 0.71 0.71 1月 0.50 0.81 2月 0.90 0.90 3月 0.60 0.94 4月 0.78 0.88 本报告版权局于回投实饰期货有限公司不可作为投资像提，转报请注明出处 这个也方法也有不足，主要体现在选定区域比较小，不能反映全域✁生长情况。另外样本区域✁遗择主观 性较强。 我们可以用同样✁方法选择多个区域，扩大样本数量，有助于反映整体✁生长情况。我们在区域内，利用ndvi曲战特持征进择了37处地点，得到各点✁ndvi及统计数据如图13所示。在预测新将手产量✁时候，或们可以用多个区域内✁ ndvi均值来做分析，这样能大致反映巴西主产区✁世蔗生长情况，从而对新棉✆✁甘焦产量有一个预估。 图13：扩展研究区域后到✁NDVI曲线 2S-percentile 36 33 29 28 23 22 Hay2021M2021 4.总结 本文主要利用ndvi✁曲线特征定位甘蔗种植区域，分析区域内✁遂感数据与巴西甘菌产