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Estimating winter wheat yield using Landsat 8 and RapidEye data
Ertragsschätzung von Winterweizen mitg gLandsat 8 und RapidEye Daten
Projekt RiflE Fördernummer: 50EE1315
Heike Gerighausen, Holger Lilienthal, Marvin Dierks
Projekt RiflE, Fördernummer: 50EE1315
heike.gerighausen@jki.bund.de
Julius Kühn-Institut Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen
Institut für Pflanzenbau und BodenkundeBundesallee 50, 38116 Braunschweig
www.jki.bund.de
, g
7th RESA Workshop, 29.-30. April 2015, Bonn
Einführung
Hintergrund
Marktsituation/VersorgungssicherungVersorgungssicherung
Präzisionslandwirtschaft Zeitnahe Risikoabschätzung
Ertrags‐schätzung
www.jki.bund.de
Einführung
Hintergrund
Landsat‐8: OLI Copernicus: Sentinel‐2 • 7 (9) Kanäle: VIS‐SWIR• Pixel = 30mx30m• Wiederholzeit 16 Tage
p
Wiederholzeit 16 Tage
© ESA/ATG medialab
07.06.2013, RGB 5‐4‐3
USGS
USGS
• 13 Kanäle: VIS‐SWIR• Pixel = 10, 20, 60m
RapidEye• 5 Kanäle: VIS‐NIR
USGS
• Wiederholzeit: 3‐5 Tage
© ESA–C. Wildner
• Pixel = 5x5m• Wiederholzeit 5.5 Tage *Nadir
www.jki.bund.de BlackBridge19.06.2013, RGB 5‐3‐2 Uploading at Cayenne airport23.4.2015
Einführung
Ziele
Anpassung der Modelle zur Schätzung der Vegetationsparameter auf RapidEye und Landsat 8
Ertragsschätzung durch Verknüpfung von Fernerkundung und Wachstumsmodellierung
E t hät it L d t 8 | R idE• Ertragsschätzung mit Landsat 8 | RapidEye• Ertragsschätzung mit Landsat 8 & RapidEye: Synergie?• Verschiedene Szenarien in mehreren UntersuchungsgebietenVerschiedene Szenarien in mehreren Untersuchungsgebieten
Validation für Aussagen zur Güte der Ertragsschätzung
Evaluierung der Szenarien hinsichtlich Synergieeffekten
www.jki.bund.de
Material & Methoden
Methodischer Ansatz: Ertragsschätzung
Zuwachs an TrockenmasseMonteith et al (1977) TMi Zuwachs an trockener Biomasse am Tag i [t ha‐1] Monteith et al. (1977)
fPAR absorbierter Anteil der photosynthetisch aktiven Strahlung am Tag i [MJ m²]
ɛ kulturartenspezifische Lichtnutzungseffizienz [g MJ‐1]GS Globalstrahlung [MJ m‐2]LAI Blattflächenindex [m² m‐2]
Absorbierter Anteil photosynthetisch aktiver
∙
LAI Blattflächenindex [m² m 2]k Extinktionskoeffizient [dimensionslos]Strahlung
Monsi & Saeki (2005), Szeicz (1974)
0.5 ∙ ∙ 1.0 ∙
Ertrag = Trockenmasse*HarvestIndex
Feld‐spektroskopie
StartInitialisierung LAI: Aktualisierung
TM: Ergänzung
PLSRModelle
spektroskopie
ReferenzdatenLAI, TM etc.
LAI, TMVersuchsflächen FEt1
Ernte
FEt2 FEt3 FEt4Resampling
LAI, TM etc.
LAI / TMsimuliert
Ernte
www.jki.bund.denach Moulin et al. (1998) verändert
FE
ModellRUE / WachstumsmodellGlobalstrahlungTemperaturLandnutzung
Material & Methoden
In-situ Daten für Parametermodelle: LAI, TM2011‐2014
FeldspektroskopieHR1024 / Fieldspec ProWinterweizen
159 Plots
0.5x0.5m² Plots• Reflexion• LAI
LICOR LAI‐2200
LAI• Biomasse u.a.
www.jki.bund.de
Material & Methoden
Untersuchungsgebiete für Ertragsschätzungen15. April 2014
20 8k 23 7k20.8km x 23.7km
RE: RGB 5‐3‐2
9. Juni 201419. Juni 2014
18.7km x 12.34km6.6 x 5.8km
• Anbau/ Feldfrüchte
Referenzdaten
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• gewogener Ertrag pro Schlag• GPS‐gestützte Ertragskartierung
Material & Methoden
Satellitendaten und Szenarien
15 x Landsat 8 Nordhessen (2014)15 x Landsat 8 11 x RapidEye
44 Szenarien
Landsat 8Sim1 20.03., 8.06.Sim2 20.03.Sim3 8.06.
RapidEyeSim1 20 05
West‐Mecklenburg: 6 x L8, 5 x RE, 20 Szenarien2013‐14
West‐Mecklenburg (2013)Landsat 8Sim1 14.06., 9.07., 16.07.Sim2 7.06., 14.06., 9.07., 16.07.
Sim1 20.05.Sim2 20.05., 9.06.Sim3 20.05., 9.06., 22.07.Sim4 9.06.Sim5 9.06., 22.07.Sim6 22.07.
Landsat 8 & RapidEyeN dh 2 L8 3 RE 9 S iSim3 20.04., 7.06., 14.06., 9.07., 16.07.
Sim4 14.06., 16.07.Sim5 20.04.Sim6 7.06.
RapidEyeSim1 28.04.Sim2 28 04 30 05
Sim1 20.03., 20.05.Sim2 20.03., 20.05., 9.06.
Nordhessen: 2 x L8, 3 x RE, 9 Szenarien
Ostholstein (2014)Landsat 8
Sim2 28.04., 30.05.Sim3 28.04., 30.05., 8.06.Sim4 28.04., 30.05., 8.06., 19.06.Sim5 30.05.Sim6 30.05., 8.06.Sim7 8.06.Sim8 8.06., 19.06.Sim9 19 06 Ostholstein: 7 x L8, 3 x RE, 15 Szenarien
Sim1 20.03.Sim2 20.03., 21.04.Sim3 20.03., 21.04., 7.05.Sim4 20.03., 21.04., 7.05., 10.07.Sim5 20.03., 21.04., 7.05., 10.07., 26.07.Sim6 21.04., 7.05., 10.07., 26.07.Sim7 7.05., 10.07., 26.07.
Sim9 19.06.Sim10 4.05.Sim11 4.05., 19.06.Sim12 19.06.
Landsat & Rapid EyeSim1 4.05., 30.05., 7.06., 8.06., 14.06.,
19.06., 9.07., 16.07.
Ostholstein: 7 x L8, 3 x RE, 15 SzenarienSim8 10.07., 26.07.
RapidEyeSim1 15.04.Sim2 15.04., 26.06.Sim3 15.04., 26.06., 27.07.Sim4 26.06., 27.07.Sim5 27 07
www.jki.bund.de
, ,Sim2 30.05., 7.06., 8.06., 14.06., 19.06.,
9.07., 16.07.
Sim5 27.07.
Landsat & RapidEyeSim1 15.04., 21.04.Sim2 15.04., 21.04., 7.05.
Ergebnisse
PLSR-Modelle für LAI und TM (Winterweizen)
Feldspektrometer Landsat 8 RapidEye
RMSEval: 0.56R²: 0.84VV: Deriv1
RMSEval: 0.78R²: 0.68VV: UVN
RMSEval: 0.81R²: 0.66VV: Abs
ncal: 80nval: 79
RMSEval: 1.62R²: 0.86VV: SNV
RMSEval: 2.53R²: 0.66VV: noVV
RMSEval: 3.00R²: 0.52VV: UVN
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Ergebnisse
Ertragsschätzung
Szenarien: Vergleich zum gewogenen Ertrag pro Schlag
NordhessenRapidEye Landsat 8Sim4: 9.6.2014Sim5: 9.6., 22.7.2014
Sim6: 21.4., 7.5., 10.7.,26.7.2014
10% 10%
Ostholstein
RapidEyeSim9: 19 6 2013Sim9: 19.6.2013
Landsat 8Sim1: 14.6., 9.7., 16.7.2013 Sim4: 14.6., 16.7.2013
Kaum Synergieeffekte
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West‐Mecklenburg10%
Ergebnisse
Ertragsschätzung
Einfluss der Phänologie
Nordhessen
Mittlere abs. Abweichung [RE] 6%
West‐Mecklenburg
Mittlere abs. Abweichung [L8/RE] 8%/ 2%
DWD‐Station 9621, Grebenstein, 180m ü.NN DWD‐Station 12642, Marlow‐Recknitz, 35m ü.NN„beste“ Szenarien
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Ergebnisse
Ertragsschätzung
Einfluss der Phänologie
Ostholstein
Mittlere abs. Abweichung [RE/L8] >20%BBCH Stadium 51 71BBCH Stadium 51 – 71
Makrostadium 5: Ährenschieben
• Stadium 51: Beginn desStadium 51: Beginn des Ährenschiebens
Makrostadium 71: Fruchtentwicklung
• Stadium 71/73: Erste Körner haben die Hälfte ihrer endgültigen Größe erreicht. Korninhalt wässrig/frühe Mil h if
DWD‐Station 7650, Neustadt/ Holst., 10m ü.NN
Milchreife
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Ergebnisse
Ertragsschätzung
Nordhessen
RapidEye 9.6.2014Mittlere absolute Abweichung von der
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Mittlere absolute Abweichung von der Waage 6.3%
Ergebnisse
Ertragsschätzung
West‐Mecklenburg
Landsat 14 6 9 7 16 7 2013
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Landsat 14.6., 9.7., 16.7.2013Mittlere absolute Abweichung von der Waage 8.9%
Ergebnisse
Ertragsschätzung
Schlaginterne Variabilität: Vergleich Ertragsschätzung (L8) mit GPS‐Ertragskartierung
West‐Mecklenburg
Abweichung(Waage) < 2.5%
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Ergebnisse
Ertragsschätzung
Fehler in der GPS‐Ertragskartierung
OstholsteinWest‐MecklenburgNordhessenRapidEye Landsat 8 RapidEye
Mittlere absolute Abweichung der Ertragskartierung GPS‐EK vom gewogenen Ertrag (Waage)• Nordhessen: 5.13%
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• West‐Mecklenburg: 26.32%• Ostholstein: 12.41%
Zusammenfassung & Ausblick
Zusammenfassung
Übertragung der PLSR Modelle für LAI und TM auf Landsat 8 und RapidEyeÜbertragung der PLSR‐Modelle für LAI und TM auf Landsat 8 und RapidEyeresultiert in Verringerung der Vorhersagegenauigkeit
• RMSE LAI 40%, R²LAI 0.66 (L8), 0.68 (RE)• Verbesserung der Trockenmasseschätzung wünschenswert, v.a. für RE
Ertragsschätzungg g• Synergie‐Effekte kaum vorhanden• Zeitpunkt der Aufnahme entscheidend (wolkenfrei)• Validation mit gewogenen Erträgen für RE besser• Schlaginterne Variabilität kann teilweise wiedergegeben werden• Fehler bei der Ertragserfassung auf demMähdrescher für die
Validation kritisch
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Zusammenfassung & Ausblick
Ausblick
Schätzung der VegetationsparameterSchätzung der Vegetationsparameter• Erweiterung der Datenbasis: Spektralbibliothek und
Referenzmessungen• Prüfung anderer Optionen zur initialen TM‐Schätzung
Ertragsschätzungg g• Konsolidierung durch weitere Szenarien und Erweiterung der
Validationsgrundlage
• Einfluss der Sorte• Andere Fruchtarten• Integration weiterer Informationen (Niederschlag, Harvest Index)
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