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

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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

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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.

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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

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, ,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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Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Mai Juni Juli

Ende Juli

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