周 亮，慕號(hào)偉，馬海姣，陳高星

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中國(guó)北方冬小麥遙感估產(chǎn)

周 亮1,2,3，慕號(hào)偉1,2,3，馬海姣4，陳高星5

（1. 蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070； 2. 地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，蘭州 730070；3. 甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070； 4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100； 5. 北京地空數(shù)馳科技有限公司，北京 100871）

針對(duì)傳統(tǒng)的農(nóng)作物估產(chǎn)方法過(guò)度依賴人工經(jīng)驗(yàn)，以及實(shí)地采樣成本高等問(wèn)題。該研究使用MODIS數(shù)據(jù)構(gòu)建了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural network，CNN）的冬小麥估產(chǎn)模型。對(duì)2006－2016年中國(guó)北方冬小麥核心區(qū)的60個(gè)地級(jí)市進(jìn)行模型訓(xùn)練，魯棒性檢驗(yàn)以及估產(chǎn)誤差空間特征分析。結(jié)果表明：1）估產(chǎn)模型在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的均方根誤差（root mean square error, RMSE）分別為183.82 kg/hm2、689.72 kg/hm2，決定系數(shù)（2）分別為0.98、0.71。2）以同樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)2006－2016年估產(chǎn)樣本分別作為驗(yàn)證集，訓(xùn)練11個(gè)獨(dú)立模型的RMSE平均值是772.03 kg/hm2，證明算法具有較高的魯棒性。3）2007、2012和2016年不同省份的估產(chǎn)結(jié)果表明，模型對(duì)北方冬小麥區(qū)的平原區(qū)估產(chǎn)精度較高，尤其是河北和山東2?。≧MSE為500 kg/hm2）。該文構(gòu)建的估產(chǎn)模型可以實(shí)現(xiàn)冬小麥單產(chǎn)的復(fù)雜擬合，可以應(yīng)用于較大尺度（范圍）冬小麥產(chǎn)量預(yù)報(bào)。

作物；產(chǎn)量；遙感；作物估產(chǎn)；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；深度學(xué)習(xí)；冬小麥

0 引 言

大范圍可靠的農(nóng)情信息對(duì)糧食市場(chǎng)及相關(guān)政策的制定至關(guān)重要，是保障區(qū)域及國(guó)家糧食安全的重要依據(jù)，特別是產(chǎn)量信息的快速、有效獲取可以降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)并提高效率[1]。其中遙感技術(shù)具有覆蓋范圍廣、重訪周期短，獲取成本相對(duì)低等優(yōu)勢(shì)，在作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)氣象以及產(chǎn)量估算中扮演著重要的角色，且對(duì)大面積露天農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的調(diào)查、評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)和管理具有獨(dú)特的作用[2]。隨著人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，遙感大數(shù)據(jù)為農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供了智能化和信息化的技術(shù)途徑，將推動(dòng)農(nóng)業(yè)遙感估產(chǎn)的發(fā)展[3]。文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)目前遙感估產(chǎn)中最為有效的方法有2種：一是利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)把遙感反演參數(shù)信息融入到作物機(jī)理過(guò)程模型之中，實(shí)現(xiàn)大面積作物生長(zhǎng)狀態(tài)及產(chǎn)量模擬的目的[4-5]，如基于WOFOST[6]、Oryza2000[7]、WheatSM[8]、ChinaAgroys[9]4個(gè)作物模型所構(gòu)建的中國(guó)作物生長(zhǎng)模擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CGMS-China），CGMS-China對(duì)冬小麥各主產(chǎn)省的平均預(yù)報(bào)相對(duì)誤差為7%[10]。二是基于統(tǒng)計(jì)模型方法的遙感估產(chǎn)，其統(tǒng)計(jì)模型方法包括線性模型方法和非線性模型方法。線性模型方法在省級(jí)尺度[11]，縣級(jí)尺度[12-13]，村級(jí)以及地塊尺度[14-15]下都有良好的應(yīng)用。但是作物產(chǎn)量形成的機(jī)理通常表現(xiàn)為非線性[16]，因此非線性模型方法更受研究者的關(guān)注，如支持向量回歸（support vector regression，SVR）[17]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（neural network，NN）[18-24]等等。然而，支持向量回歸這種傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法并不適合大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，當(dāng)前基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的作物估產(chǎn)得到了快速發(fā)展。Kaul等[19-20]結(jié)合氣候、氣象和土壤等數(shù)據(jù)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行作物估產(chǎn)，在不同區(qū)域中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比于多元線性回歸模型都有了優(yōu)越的表現(xiàn)。Kuwata等[21]結(jié)合衛(wèi)星，氣候和其他環(huán)境數(shù)據(jù)用多層受限玻爾茲曼機(jī)進(jìn)行玉米估產(chǎn)，相比于SVR算法更有優(yōu)勢(shì)。You等[22-23]結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)用多種深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行大豆估產(chǎn)，Wang等[24]在You的研究基礎(chǔ)上使用深度遷移學(xué)習(xí)對(duì)巴西的大豆進(jìn)行估產(chǎn)，在解決遙感應(yīng)用的實(shí)際需求中，發(fā)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)在遙感數(shù)據(jù)分析中具有極大的應(yīng)用潛力[25]。從原始像素的底層特征抽象出高級(jí)語(yǔ)義信息的深度學(xué)習(xí)與遙感數(shù)據(jù)結(jié)合將會(huì)是解決農(nóng)作物估產(chǎn)的有效手段。

冬小麥?zhǔn)侵袊?guó)重要的糧食作物，主要分布于暖溫帶的北方冬小麥區(qū)。本文將其作為研究區(qū)域，選取研究區(qū)2006－2016年各地級(jí)市冬小麥生長(zhǎng)季中的時(shí)間序列遙感影像作為數(shù)據(jù)源。與之前研究不同的是，本文以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替以往常用的分區(qū)域回歸擬合作為估產(chǎn)方法，對(duì)農(nóng)作物估產(chǎn)展開(kāi)研究。分區(qū)域回歸擬合的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單靈活，但這種經(jīng)驗(yàn)分區(qū)和簡(jiǎn)單擬合與冬小麥單產(chǎn)建立的關(guān)系更易受到自然因素變化的影響。而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以從遙感信息里表達(dá)的作物生長(zhǎng)環(huán)境中學(xué)習(xí)到與冬小麥單產(chǎn)之間的復(fù)雜關(guān)系，這種關(guān)系包含了作物的生長(zhǎng)機(jī)理，能可靠應(yīng)用于冬小麥單產(chǎn)估算中。同時(shí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備的學(xué)習(xí)性在數(shù)據(jù)累積的情況下可以成長(zhǎng)為高精度的冬小麥估產(chǎn)模型，對(duì)于國(guó)家級(jí)冬小麥產(chǎn)量預(yù)報(bào)具有良好的應(yīng)用前景。試驗(yàn)為表達(dá)冬小麥的生長(zhǎng)環(huán)境與狀態(tài)，選取6種不同的MODIS產(chǎn)品，通過(guò)直方圖降維和數(shù)據(jù)歸一化方法進(jìn)行特征工程，并與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)，旨在探索一種在大范圍中普適性強(qiáng)的高精度遙感估產(chǎn)方法和技術(shù)途徑。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)位于北方冬小麥區(qū)（31°38－42°62N，105°48－122°71E），主要分布在秦嶺、淮河以北，長(zhǎng)城以南，包括河南、河北、山東、陜西、山西5?。▓D1）。研究區(qū)大部分在秦嶺—淮河線以北（除陜西省安康市、商洛市、漢中市和河南省信陽(yáng)市），冬小麥的生育期不同，北方地區(qū)平均出苗期在10月左右，部分地區(qū)在9月中旬，而成熟期在6月左右[26]，因此需要擴(kuò)大MODIS數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍，以包含不同地區(qū)的冬小麥生育期。2016年整個(gè)研究區(qū)的小麥產(chǎn)量是7.96×107t，約占全國(guó)小麥產(chǎn)量的62%，是中國(guó)重要的小麥產(chǎn)地。研究區(qū)小麥種植以冬小麥為主，因而也是中國(guó)重要的冬小麥基地。試驗(yàn)中考慮統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不連續(xù)和高程受限的情況下篩除了河北省的承德市和張家口市，山西省的大同市、朔州市和陽(yáng)泉市以及陜西省的安康市和榆林市，保留了5個(gè)省60個(gè)地級(jí)市作為估產(chǎn)區(qū)域。

圖1 研究區(qū)數(shù)據(jù)選擇及高程特征

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的MODIS數(shù)據(jù)具有高時(shí)間分辨率，可以獲取足夠監(jiān)測(cè)作物產(chǎn)量的多時(shí)相影像，來(lái)源于LAADS DAAC（https://lsadsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）。試驗(yàn)選擇MODIS數(shù)據(jù)中不同產(chǎn)品的多個(gè)波段作為估產(chǎn)指標(biāo)（表1），MOD09A1的7個(gè)不同波長(zhǎng)的地表反射率數(shù)據(jù)可以反映土壤濕度及作物生長(zhǎng)環(huán)境。MYD11A2的白天和夜間地表溫度與冠層溫度密切相關(guān)，可以進(jìn)行作物產(chǎn)量估算[27]。歸一化植被指數(shù)（NDVI）和增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）均能很好的預(yù)測(cè)冬小麥產(chǎn)量[28]，其中NDVI與冬小麥產(chǎn)量具有極高的相關(guān)性[29]。MOD15A2H的光合有效輻射（FPAR）與作物產(chǎn)量有更直接的關(guān)系，是大量作物生長(zhǎng)模型的基礎(chǔ)[30]。試驗(yàn)中選擇MCD12Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品中植物功能型方案的谷物掩模，谷物掩模中包含了冬小麥的信息。研究區(qū)各地級(jí)市冬小麥單產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于2007—2017年河南，山東，山西和陜西的統(tǒng)計(jì)年鑒以及河北的農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒，同時(shí)還有研究區(qū)的高程和水系數(shù)據(jù)，以及地級(jí)市的矢量邊界。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究區(qū)的冬小麥在上一年的9月播種，下一年的6月成熟。因此，根據(jù)冬小麥的生育期確定構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本的時(shí)間范圍是一年中的第273天到下一年中的第185天，年份上選擇了2006－2016年的影像數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)范圍選擇了MODIS數(shù)據(jù)的行列號(hào)為h26v04，h26v05，h27v04，h27v05。將MYD11A2影像重采樣為500 m的空間分辨率，其中MOD15A2H影像在2016年第49天缺失，試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)第41天和第57天的影像進(jìn)行均值補(bǔ)充，同時(shí)將MOD13A1，MYD13A1影像在時(shí)間序列上進(jìn)行融合以保證時(shí)序的完整性。MODIS發(fā)布產(chǎn)品為HDF格式，投影類型為正弦曲線投影（等面積偽圓柱投影），試驗(yàn)中采用Shell與GDAL進(jìn)行批量處理，將MODIS數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換為基于WGS-84橢球體的UTM投影，同時(shí)對(duì)多張類型的影像進(jìn)行了波段提取，拼接，裁剪后融合為21 600張包含12個(gè)波段的影像。

表1 遙感數(shù)據(jù)類別

2 研究方法

2.1 估產(chǎn)樣本構(gòu)建

2.1.1 直方圖降維與歸一化

直方圖降維的前提是假設(shè)冬小麥單產(chǎn)和影像像素的位置無(wú)關(guān)，僅與不同像素值的數(shù)量相關(guān)。因而將遙感影像映射到像素計(jì)數(shù)的直方圖中信息損失較少。為了使得降維特征更加明顯，需要確定直方圖降維的范圍。以信陽(yáng)市為例，將其2010年冬小麥生長(zhǎng)季中36張影像在時(shí)間序列上進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，通過(guò)可視化每個(gè)波段在時(shí)間序列上的變化（圖2），從而確定直方圖降維的范圍（表1）。

圖2 各個(gè)波段隨著時(shí)間序列的直方圖變化

每個(gè)影像在確定直方圖降維范圍后，劃分36個(gè)區(qū)間逐個(gè)離散化統(tǒng)計(jì)像素個(gè)數(shù)用來(lái)生成像素直方圖，同時(shí)對(duì)生成的像素直方圖進(jìn)行式1歸一化處理。

2.1.2 時(shí)間序列融合

以2010年的河南省信陽(yáng)市為例示意卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本的構(gòu)建過(guò)程（圖3），對(duì)生長(zhǎng)季中36張包含12個(gè)波段的影像進(jìn)行直方圖提取，使得每個(gè)波段的影像生成長(zhǎng)度為36的向量，同時(shí)時(shí)間序列上進(jìn)行融合形成36×36的矩陣，最終在288 d的生長(zhǎng)季中由遙感影像生成36×36×12的矩陣作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層。以相同時(shí)間相應(yīng)地級(jí)市的冬小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)作為輸出層，構(gòu)造一個(gè)完整的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本。每個(gè)地級(jí)市每年構(gòu)建一個(gè)樣本，試驗(yàn)中2006－2016年60個(gè)地級(jí)市構(gòu)建的樣本形成卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的估產(chǎn)樣本庫(kù)，共有660個(gè)樣本，其中600個(gè)作為訓(xùn)練集，60個(gè)作為驗(yàn)證集。

圖3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本構(gòu)建過(guò)程

2.2 冬小麥單產(chǎn)估算模型結(jié)構(gòu)

對(duì)于深度學(xué)習(xí)模型，其輸入是與輸出相對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)，后續(xù)則是堆疊在輸入層和輸出層之間的眾多操作層。研究所使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)借鑒了You等提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[22]，結(jié)合樣本的特點(diǎn)將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)（圖4），采用小卷積核的多層疊加，減少了參數(shù)個(gè)數(shù)，加深網(wǎng)絡(luò)深度進(jìn)而增大了網(wǎng)絡(luò)容量和復(fù)雜度，對(duì)作物生長(zhǎng)的復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行擬合。本文構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要由輸入層，7個(gè)卷積層，7個(gè)激活層，7個(gè)批歸一化層，3個(gè)Dropout層，2個(gè)全連接層以及輸出層組成。相比于You等[22]的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，考慮到批歸一化算法本身對(duì)于模型泛化能力的提升，而過(guò)多的Dropout層反而降低模型的預(yù)測(cè)能力。當(dāng)模型狀態(tài)由訓(xùn)練到驗(yàn)證時(shí)，Dropout會(huì)使具體神經(jīng)元的方差產(chǎn)生偏移[31]，因而在批歸一化層之后采用Dropout層，加入2參數(shù)正則化共同來(lái)提升模型的泛化能力。

圖4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層為36×36×12的矩陣，卷積層C1～C7的卷積核個(gè)數(shù)依次是64、64、128、128、256、256、256，卷積核大小都是3×3 dpi，滑動(dòng)步長(zhǎng)分別為2、1、2、2、2、1、2，每個(gè)卷積層進(jìn)行1個(gè)零填充。同時(shí)，在每一個(gè)卷積層上進(jìn)行批歸一化和Relu函數(shù)激活操作，并在全連接層加入Dropout層。

2.2.22參數(shù)正則化

通過(guò)向目標(biāo)函數(shù)添加一個(gè)參數(shù)范數(shù)懲罰?()，用來(lái)限制模型的學(xué)習(xí)能力。將正則化后的目標(biāo)函數(shù)記為

2.2.3 損失函數(shù)

因而個(gè)樣本的2損失函數(shù)定義如下

回歸問(wèn)題的2種損失函數(shù)1和2在回歸精度上相差無(wú)幾，不過(guò)在一些情況下2損失函數(shù)可能會(huì)略優(yōu)于1[32]，同時(shí)收斂速度方面2損失函數(shù)也略快于1損失函數(shù)，因此本文采用2損失函數(shù)。

2.3 估產(chǎn)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用以下4個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型估產(chǎn)效果，即決定系數(shù)2，皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)Pearson’s，均方根誤差RMSE，平均相對(duì)誤差MRE，具體公式如式（6）~式（9）所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 冬小麥估產(chǎn)模型訓(xùn)練以及單產(chǎn)預(yù)測(cè)

為了實(shí)現(xiàn)冬小麥的單產(chǎn)預(yù)測(cè)采用本文設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開(kāi)始模型訓(xùn)練，其中2006－2015年600個(gè)樣本為訓(xùn)練集，2016年60個(gè)樣本為驗(yàn)證集。將訓(xùn)練集和驗(yàn)證集分為多個(gè)批次，每個(gè)批次隨機(jī)選擇36個(gè)訓(xùn)練樣本，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練1次更新1次權(quán)重，總共訓(xùn)練40 000次。通過(guò)Adam算法進(jìn)行梯度下降，將初始學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.001，分階段逐次減少為原來(lái)的10倍，第1個(gè)階段是當(dāng)訓(xùn)練3 500次時(shí)，第2個(gè)階段是當(dāng)訓(xùn)練達(dá)到20 000次時(shí)，第3個(gè)階段是當(dāng)訓(xùn)練達(dá)到30 000次時(shí)。

模型訓(xùn)練20 000步時(shí)逐步收斂（圖5a），直到完成訓(xùn)練后保存模型并對(duì)訓(xùn)練集和驗(yàn)證集進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測(cè)（圖5b）。訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的RMSE分別是183.82 kg/hm2、689.72 kg/hm2，MRE分別是2.95%、10.53%，Pearson's分別是0.98、0.71。模型對(duì)2016年60個(gè)地級(jí)市的冬小麥單產(chǎn)進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的估產(chǎn)誤差在合理范圍內(nèi)，證明了遙感數(shù)據(jù)通過(guò)直方圖降維和歸一化方法進(jìn)行特征工程的信息損失較少，和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合可以有效擬合作物生長(zhǎng)的復(fù)雜過(guò)程。而在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中加入了Dropout層、批歸一化層以及2參數(shù)正則化方法下出現(xiàn)訓(xùn)練集的預(yù)測(cè)精度相比驗(yàn)證集高的過(guò)擬合現(xiàn)象，表明模型的訓(xùn)練樣本較少，增加樣本可以提升估產(chǎn)精度。

圖5 模型訓(xùn)練過(guò)程及評(píng)價(jià)

將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)產(chǎn)量與統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量進(jìn)行比較（圖6），誤差較大的區(qū)域主要分布在陜西省，山西省和河南省的一些地級(jí)市。陜西省的渭南市和西安市屬于關(guān)中平原地區(qū)，模型對(duì)于關(guān)中平原地區(qū)普遍高估，這種誤差的產(chǎn)生原因可能是模型輸入中沒(méi)有敏感表達(dá)區(qū)域異質(zhì)性的參數(shù)所造成。山西省的呂梁市和太原市冬小麥種植面積較少且沒(méi)有準(zhǔn)確的冬小麥掩模，在直方圖降維過(guò)程中容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)給模型預(yù)測(cè)帶來(lái)誤差。河南省的漯河市和焦作市屬于高估，而信陽(yáng)市屬于低估，可能是樣本沒(méi)有在省域尺度下進(jìn)行區(qū)分所產(chǎn)生的。例如陜西省的糧食單產(chǎn)為抽樣調(diào)查數(shù)，因而不同省份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建的樣本給模型預(yù)測(cè)帶來(lái)了一些困難。山東省和河北省的估產(chǎn)誤差較低，RMSE基本穩(wěn)定在500 kg/hm2以內(nèi)，模型在這些區(qū)域表現(xiàn)優(yōu)秀。以山東省為例，萊蕪市的統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量是5 227 kg/hm2相比于全省最低，模型的預(yù)測(cè)產(chǎn)量為5 014.96 kg/hm2，德州市的統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量為7 130 kg/hm2相比于全省最高，而模型的預(yù)測(cè)產(chǎn)量是7 447.69 kg/hm2，上述結(jié)果表明卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于高產(chǎn)和低產(chǎn)樣本都能夠準(zhǔn)確的擬合，相比線性模型更具優(yōu)勢(shì)?？偠灾?，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在研究區(qū)的估產(chǎn)精度較高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冬小麥的單產(chǎn)預(yù)測(cè)。

圖6 模型預(yù)測(cè)產(chǎn)量與統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量差異

3.2 估產(chǎn)算法魯棒性檢驗(yàn)

為了對(duì)估產(chǎn)算法魯棒性進(jìn)行檢驗(yàn)，將2006－2016年估產(chǎn)樣本逐年作為驗(yàn)證集，對(duì)應(yīng)其余年份作為訓(xùn)練集，分別訓(xùn)練11個(gè)模型（表2）。結(jié)果表明2006—2016年11個(gè)模型RMSE的平均值是772.03 kg/hm2，MRE在10%左右，Pearson's基本大于0.8，2在0.58與0.77之間，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的離散程度較為一致，表明基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的估產(chǎn)算法魯棒性較好，在不同訓(xùn)練集和驗(yàn)證集下都有一個(gè)相對(duì)一致的誤差水平，在未來(lái)冬小麥單產(chǎn)預(yù)測(cè)中比較可靠。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)逐年訓(xùn)練的模型中2007年的誤差較大，RMSE是920.45 kg/hm2，MRE是18.82%；2012模型效果最好，RMSE是632.08 kg/hm2，MRE是8.42%。2008、2012、2014和2016年模型的預(yù)測(cè)精度較高，RMSE小于700 kg/hm2，MRE小于12%；而2007、2011、2013和2015年的模型效果較差，RMSE基本都是在900 kg/hm2左右，MRE在15%左右。模型對(duì)于偶數(shù)年和奇數(shù)年的樣本預(yù)測(cè)產(chǎn)生了較為明顯的差異，同時(shí)MRE隨著時(shí)間變化有逐漸下降的趨勢(shì)，雖然模型本身沒(méi)有時(shí)間相關(guān)性，但是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)自身的時(shí)間關(guān)聯(lián)給模型結(jié)果帶來(lái)了這種特點(diǎn)，表明算法可以逼近任何復(fù)雜函數(shù)，直接學(xué)得從遙感數(shù)據(jù)輸入到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)輸出的映射，這種“端到端”的關(guān)系中包含著作物生長(zhǎng)過(guò)程，但與此同時(shí)對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的依賴程度較高。

試驗(yàn)對(duì)2007年，2012年以及2016年中各個(gè)地級(jí)市的單產(chǎn)精度展開(kāi)分析（圖7）。2007年模型的預(yù)測(cè)單產(chǎn)大都高于統(tǒng)計(jì)單產(chǎn)，主要是因?yàn)樗惺〉亩←湹膯萎a(chǎn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，其中陜西省表現(xiàn)尤為明顯，例如商洛市2007和2008年的統(tǒng)計(jì)單產(chǎn)分別是1 365、2 280 kg/hm2，因而訓(xùn)練數(shù)據(jù)中大多是高產(chǎn)樣本，低產(chǎn)樣本不足導(dǎo)致數(shù)據(jù)不均衡給預(yù)測(cè)帶來(lái)極大的困難。同時(shí)模型的輸入?yún)?shù)中主要包含地表反射率、地表溫度以及表達(dá)作物生長(zhǎng)狀態(tài)的植被指數(shù)，并沒(méi)有考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等提升所帶來(lái)的增產(chǎn)，可以考慮未來(lái)研究中給模型加入人為因素作為變量。本文構(gòu)建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合的估產(chǎn)算法在不同驗(yàn)證集下有著基本一致的誤差水平，可以肯定卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在國(guó)家級(jí)冬小麥產(chǎn)量預(yù)報(bào)中的應(yīng)用價(jià)值。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)3個(gè)模型的誤差有一些共同的空間分布，其省域特征表現(xiàn)明顯，因而對(duì)冬小麥的單產(chǎn)誤差分省展開(kāi)研究。

表2 逐年訓(xùn)練模型的精度評(píng)價(jià)

圖7 2007、2012及2016年的模型精度及誤差分布

3.3 冬小麥估產(chǎn)誤差的空間特性

通過(guò)對(duì)誤差分布的區(qū)域研究發(fā)現(xiàn)在華北平原大多數(shù)地區(qū)的誤差都比較低，而誤差主要分布在關(guān)中平原一帶。考慮到不同省份對(duì)于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的收集有所差別，因此對(duì)2007、2012以及2016年不同省域的單產(chǎn)精度展開(kāi)分析（表3）。模型在河北省和山東省的冬小麥估產(chǎn)誤差比較小，其RMSE基本都在500 kg/hm2左右，但是山東省在2007年的2只有0.2，這主要是因?yàn)楹蕽墒械膯萎a(chǎn)預(yù)測(cè)出現(xiàn)離群值，其統(tǒng)計(jì)單產(chǎn)和預(yù)測(cè)單產(chǎn)分別是5 462、7 142 kg/hm2，而山東省其余16個(gè)地市中除萊蕪市、青島市、德州市和東營(yíng)市的誤差分別是861、738、647和615 kg/hm2外，其余地市的誤差都在350 kg/hm2以內(nèi)。河南省的單產(chǎn)誤差RMSE和MRE分別穩(wěn)定在800 kg/hm2和10%左右，各個(gè)地級(jí)市的誤差都維持在較低水平。山西省的運(yùn)城市和太原市出現(xiàn)離群值，2007年運(yùn)城市統(tǒng)計(jì)單產(chǎn)和預(yù)測(cè)單產(chǎn)分別是2 374、4 429 kg/hm2，2012年太原市的統(tǒng)計(jì)單產(chǎn)和預(yù)測(cè)單產(chǎn)分別是5 754、3 943 kg/hm2，誤差主要分布在山西北部區(qū)域，可能是因?yàn)楹０胃叨群脱谀?shù)據(jù)不精確造成的不穩(wěn)定因素。而對(duì)于陜西省來(lái)講，2007年的誤差最大，所有的預(yù)測(cè)產(chǎn)量都大于統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量，表現(xiàn)尤為明顯的是商洛市，其統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量和預(yù)測(cè)產(chǎn)量分別是1 365、4 439 kg/hm2，這是由于2007年厄爾尼諾現(xiàn)象以及地理分布在北亞熱帶和暖溫帶交界區(qū)域，水平方向上具有2個(gè)氣候帶過(guò)渡性特征，地形復(fù)雜，受到極端天氣影響劇烈[26]。整個(gè)算法對(duì)于遙感數(shù)據(jù)是統(tǒng)一獲取處理，因此影像產(chǎn)生的誤差對(duì)于每個(gè)樣本是一致的，而這些誤差較大的離群值產(chǎn)生的原因是不同省份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集和檢驗(yàn)方式不一致，當(dāng)然不排除遙感數(shù)據(jù)處理不當(dāng)?shù)目赡苄?。?duì)于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估產(chǎn)算法的提升，可以將模型對(duì)不同省份分開(kāi)訓(xùn)練，但會(huì)存在樣本不足的情況，因而在縣級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)以及村級(jí)等小尺度下樣本充足且不存在數(shù)據(jù)分省統(tǒng)計(jì)的誤差，估產(chǎn)精度會(huì)更高。

表3 2007、2012及2016年模型分省精度評(píng)價(jià)

4 討 論

試驗(yàn)中通過(guò)直方圖的方式對(duì)遙感影像進(jìn)行降維，因此在不同的區(qū)域尺度下本文的算法都有所適用，但不適合實(shí)地采樣點(diǎn)的單產(chǎn)估算。同時(shí)深度學(xué)習(xí)算法是“端到端”的，不適用于作物生長(zhǎng)過(guò)程的描述與機(jī)理表達(dá)，只能應(yīng)用于訓(xùn)練數(shù)據(jù)所包含的區(qū)域。算法對(duì)于極端天氣等突發(fā)事件的適應(yīng)性不好，但對(duì)于氣候的年際波動(dòng)適應(yīng)性較好，且可以通過(guò)輸入數(shù)據(jù)敏感的表達(dá)區(qū)域異質(zhì)性。

深度學(xué)習(xí)算法建立于大樣本之上，因而對(duì)提高算法精度可從樣本的角度出發(fā)。一是直接增加樣本量，在同一范圍更小尺度下隨著樣本數(shù)量的增加精度也會(huì)隨之提高。二是基于深度遷移學(xué)習(xí)將不同尺度或者區(qū)域的模型結(jié)合使用，也就相當(dāng)于擴(kuò)大樣本數(shù)量。相較于傳統(tǒng)作物估產(chǎn)方法都是小模型，對(duì)大樣本數(shù)據(jù)的擬合能力不強(qiáng)，而且需要人工干預(yù)進(jìn)行分區(qū)，不能客觀表達(dá)試驗(yàn)結(jié)果。因此大樣本成為深度學(xué)習(xí)類算法的主要特點(diǎn)，但對(duì)于小樣本的作物估產(chǎn)，傳統(tǒng)算法則更勝一籌。未來(lái)隨著數(shù)據(jù)的累積，相信深度學(xué)習(xí)算法的優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸凸顯。

本文對(duì)北方冬小麥區(qū)的估產(chǎn)方法是一種新的探索與嘗試，模型在關(guān)中平原地區(qū)的估產(chǎn)出現(xiàn)離群值，可能是輸入層中沒(méi)有參數(shù)代表區(qū)域的空間異質(zhì)性，未來(lái)研究可以嘗試在模型中加入坡度、蒸散發(fā)、降雨等地理與氣象數(shù)據(jù)，提升模型在不同地域下估產(chǎn)的場(chǎng)景應(yīng)用。另外，本研究使用的MCD12Q1的谷物掩模數(shù)據(jù)包含其他作物，數(shù)據(jù)對(duì)估產(chǎn)結(jié)果存在一定程度擾動(dòng)和誤差，因此更加精確的作物覆蓋數(shù)據(jù)可以提高估產(chǎn)精度。

5 結(jié) 論

根據(jù)冬小麥的生長(zhǎng)環(huán)境，從MODIS數(shù)據(jù)中選擇12個(gè)估產(chǎn)指標(biāo)，通過(guò)特征工程和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的估產(chǎn)模型，進(jìn)一步提高大范圍冬小麥單產(chǎn)估算效率。同時(shí)應(yīng)用本文構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)2006－2016年逐年樣本進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測(cè)，對(duì)算法應(yīng)用于國(guó)家級(jí)冬小麥產(chǎn)量預(yù)報(bào)的可行性進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

1）卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以從遙感影像中有效地學(xué)習(xí)與冬小麥產(chǎn)量相關(guān)的特征，解決了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型對(duì)復(fù)雜關(guān)系擬合的制約，不依賴實(shí)地樣本采集，在模型訓(xùn)練完成后對(duì)未來(lái)冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)可以做到實(shí)時(shí)高效。

2）基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遙感估產(chǎn)算法魯棒性較好，精度較高。而且當(dāng)模型出現(xiàn)較大偏差時(shí)，不會(huì)對(duì)算法性能產(chǎn)生負(fù)面的影響，在不同的數(shù)據(jù)集中有著較為一致的結(jié)果，對(duì)于國(guó)家級(jí)冬小麥產(chǎn)量預(yù)報(bào)具有良好的應(yīng)用前景。

3）本文所采用的直方圖降維是遙感應(yīng)用結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法的不同思路，這個(gè)方法可以在不同尺度以及不同作物中進(jìn)行作物估產(chǎn)，解決行政尺度對(duì)于算法的限制。在大范圍小尺度中隨著樣本量的增加算法精度會(huì)逐漸提升，可對(duì)未來(lái)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)作物估產(chǎn)研究提供科學(xué)參考。

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Remote sensing estimation on yield of winter wheat in North China based on convolutional neural network

Zhou Liang1,2,3, Mu Haowei1,2,3, Ma Haijiao4, Chen Gaoxing5

(1.,730070,; 2.,730070,; 3.,730070,; 4.712100; 5.,100871,)

Accurate and timely winter wheat yield estimation has significant effect to grain markets and policy. Most crop estimation methods can be divided into two categories, one is based on the crop model and the other is the statistical learning method. For statistical learning methods with recent advances in deep learning, convolutional neural network (CNN) have become state-of-the-art algorithms. can extract the depth-dependent features of crop growth. However, the pivotal challenge is to combine remote sensing images with CNN. In this paper, we employ the method of histogram dimensionality reduction and time series fusion to generate the input layer. The experiment firstly performed projection transformation, splicing, mask, fusion, and clipping for 6 different MODIS images in the research area from 2006 to 2016, and then generated 21 600 fusion images of 12 bands (surface reflectance data of 7 different wavelengths in MOD09A1, surface temperature of day and night in MYD11A2, NDVI and EVI in MOD13A1, and FPAR in MOD15A2H). Then, the sensitivity range of winter wheat growth in each band is divided into 36 sections, and the histogram statistics are used to reduce the dimension to generate a vector of length 36, so the remote sensing image generates a matrix of 36×36×12 in the 228-day growing season. The corresponding time and regional statistics are applied as the output layer to construct a complete sample. The yield estimation sample database of 12 indices in the winter wheat region of north China (60 prefecture-level cities) from 2006 to 2016 was constructed, and the training set and verification set were divided into 10:1 for the training and evaluation of yield estimation model. Finally, the neural network structure is designed according to the sample, which consists of the input layer, 7 convolution layers (c1-c7), 7 activation layers, 7 batch normalization layers, 3 dropout layers, 2 full connection layers, and output layer. The number of c1-c7 convolution kernels is 64, 64, 128, 128, 256, 256, 256, the convolution kernel size is 3×3 dpi, and the sliding step length is 2, 1, 2, 2, 2, 1 and 2 respectively, 1 zero paddings per convolutional layer. At the same time, batch normalization and Relu function activation are performed on each convolutional layer, and the Dropout layer is used in the fully connected layer. The results show that: 1) The root-mean-square error (RMSE) and coefficient of determination (2) of the convolutional neural network model on the training set are 183.82 kg/hm2and 0.98 respectively. In the validation set, RMSE and2are 689.72 kg/hm2and 0.71. 2) With the same neural network structure, the average RMSE of the estimated samples from 2006 to 2016 trained as validation sets for 11 models was 772.03 kg/hm2. The error of the yield estimation model was the largest in 2007 and the smallest in 2012, and the RMSE was 920.45 kg/hm2and 632.08 kg/hm2respectively. Crop estimation algorithm based on CNN has high robustness and precision; 3) The accuracy analysis of prediction yield at the municipal level of different provinces in three temporal points of 2007, 2012 and 2016 indicates that the model has higher accuracy in most areas of the northern winter wheat region, especially, RMSE of Hebei and Shandong provinces is approximately 500 kg/hm2. The result shows that CNN is well applied to the estimation of winter wheat production. This is a great thought of remote sensing combined with the deep learning algorithm. This method can be used to estimate yield by remote sensing in different scales and regions. Compared with the traditional method, this “start-to-end” learning method has the advantage of synergy and can obtain the optimal estimation model relative to the whole area. Meanwhile, As data accumulates, the estimation accuracy will be continuously improved, and it has a good application prospect in the national agricultural production forecast.

crops; yield; remote sensing; crop yield estimation; convolutional neural network; deep learning; winter wheat

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.016

S127

A

1002-6819(2019)-15-0119-10

2019-03-18

2019-06-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41701173，41961027）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2016M600121）；甘肅省飛天學(xué)者特聘計(jì)劃；蘭州交通大學(xué)優(yōu)秀平臺(tái)支持（201806）

周 亮，博士，副教授，研究方向?yàn)閰^(qū)域可持續(xù)發(fā)展。Email：zhougeo@126.com

周 亮，慕號(hào)偉，馬海姣，陳高星. 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中國(guó)北方冬小麥遙感估產(chǎn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(15)：119－128. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.016 http://www.tcsae.org

Zhou Liang, Mu Haowei, Ma Haijiao, Chen Gaoxing. Remote sensing estimation on yield of winter wheat in North China based on convolutional neural network[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 119－128. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.016 http://www.tcsae.org