长江中下游典型地区水稻纹枯病生境评价多源数据集

科学大数据工程 I 区论文（评审中） • 版本 ZH2

Multi-source datasets for habitat evaluation of rice sheath blight in typical areas of the middle and lower reaches of the Yangtze river

田洋洋，张静文，张雪雪，彭代亮，陈雷，张竞成

Tian Yangyang, Zhang Jingwen, Zhang Xuexue, Peng Dailiang, Lei Chen, Zhang Jingcheng

DOI: 10.11922/csdata.2019.0021.zh
PID: 21.86101/csdata.2019.0021.zh
: 10.11922/sciencedb.795

： 2019 - 06 - 12

： 2019 - 07 - 17

4058 20 0

摘要&关键词

摘要：水稻是当今世界最重要的粮食作物之一，而水稻纹枯病是制约水稻高产、优质的重要因素，近年来，水稻病虫害发生频繁，对水稻产量造成严重损失。本数据以长江中下游典型地区为研究区域，基于Landsat-8 TM、Sentinel-2光学遥感影像数据、MODIS地表温度产品、地面气象站气象数据和水稻纹枯病发病情况调查数据，整理分析形成了与水稻纹枯病生境相关的数据集，包括水稻种植范围及耕作类型数据、水稻生长状况数据、地表温度数据、气象数据等。为大范围水稻病害生境评价等研究提供完整有效的数据支持。

关键词：遥感；气象；生境；水稻纹枯病

Abstract & Keywords

Abstract: Rice is one of the most important food crops in the world, and rice sheath blight is an important factor restricting the yield and quality of rice. In recent years, rice pests and diseases occur frequently, causing serious loss of rice yield. Based on landsat-8 TM, sentinel-2 optical remote sensing image data, MODIS surface temperature products, meteorological data of surface meteorological station and rice sheath blight incidence investigation data, this study takes typical areas in the middle and lower reaches of the Yangtze river as research areas. Data sets related to rice sheath blight habitats were formed after sorting and analysis, including rice planting range and tillage type, rice growth condition, surface temperature, meteorological data, etc. It can provide complete and effective data support for large-scale rice disease habitat evaluation and other researches.

Keywords: Remote sensing ; Meteorology; Habitat; Rice sheath blight

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称	长江中下游典型地区水稻纹枯病生境评价多源数据集
数据作者	田洋洋，张静文，张雪雪，彭代亮，陈雷，张竞成
数据通信作者	张竞成（zhangjc_rs@163.com）
数据时间范围	本数据集包括以下种6种产品：（1）水稻纹枯病病害程度调查数据，2018年7月；（2）卫星地表反射率数据，2018年6月-2018年7月；（3）水稻面积监测数据，2018年7月；（4）影像穗帽变换特征数据，2018年7月；（5）MODIS地表温度产品数据，2018年7月至2018年8月；（6）气象站数据，2018年7月至2018年8月。
地理区域	研究区1：北纬32°45′～32°52′，东经117°30′～117°36；研究区2：北纬30°54′～30°58′，东经119°50′～119°54′。
空间分辨率	（1）光学卫星遥感反射率数据：Sentinel-2:10 m；Landsat-8 TM: 30 m；（2）水稻面积监测数据：10 m；（3）影像穗帽变换特征数据：10m；（4）MODIS地表温度产品数据：1000 m。
数据量	102.98 MB
数据格式	.img, .tif, .shp, .hdf, *.txt
数据服务系统网址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/795
基金项目	十三五中国科学院信息化专项（XXH13505-03-104）；国家自然科学基金（41671415）；国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点项目（2017YFE0122400）。
数据库（集）组成	数据集包括6个数据文件：（1）水稻纹枯病病害程度调查数据数据；（2）卫星地表反射率数据；（3）水稻面积监测数据；（4）影像穗帽变换特征数据；（5）MODIS地表温度产品数据；（6）气象站数据。

Dataset Profile

Title	Multi-source datasets for habitat evaluation of rice sheath blight in typical areas of the middle and lower reaches of the Yangtze river
Data corresponding author	Zhang Jingcheng（zhangjc_rs@163.com）
Data authors	Tian Yangyang, Zhang Jingwen, Zhang Xuexue, Peng Dailiang, Cheng Lei, Zhang Jingcheng
Time range	This dataset includes the following 6 products: 1. Rice sheath blight disease degree survey data, July 2018; 2. Satellite surface reflectance data, June 2018 – July 2018; 3. Rice area monitoring data, July 2018; 4. Characteristic data of image panicle cap transformation, July 2018; 5. MODIS surface temperature product data, July 2018 – August 2018; 6. Data of weather stations, July 2018 – August 2018
Geographical scope	Study area 1: 32°45’N – 32°52’N, 117°30’E – 117°36’E; Study area 2: 30°54’N – 30°58’N’E, 119°50’E– 119°54’E
Spatial resolution	1. Reflectance data of optical satellite remote sensing: sentinel-2:10 m; Landsat-8 TM:30 m; 2. Monitoring data of rice area: 10 m; 3. Image spike transform feature data: 10 m; 4. MODIS surface temperature product data: 1000 m
Data volume	102.98 MB
Data format	.img,.tif, .shp, .hdf, .txt
Data service system	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/795
Sources of funding	13th Five-year informatization Plan of Chinese Academy of Science s(XXH13505-03-104); National Natural Science Foundation of China (41671415); National Key R&D Program of China (2017YFE0122400).
Dataset composition	The dataset consists of 6 subsets in total, including six data files: (1) Survey data of rice sheath blight disease degree; (2) satellite surface reflectance data; (3) rice area monitoring data; (4) image panicle cap transform characteristic data; (5) MODIS surface temperature product data; (6) meteorological station data.

引言

“民以食为天，食以稻为先”。水稻是我国的主要粮食作物之一，全国以稻米为主食的人口约占总人口的60%^[1]。在我国水稻主要种植区域，纹枯病已成为限制水稻高产的首要病害，严重危害水稻的品质和产量^[2]。水稻纹枯病的发生受菌核基数、水稻抗病性、气候和田间栽培管理几方面因素影响。高温高湿、阴雨天多的条件有利于纹枯病的发病和扩展蔓延，田间郁闭度高、前期防治不好的田块，容易暴发流行，病情扩展快、危害持续时间长^[3-4]。

目前作物病害生境评价较大程度上基于气象数据与遥感数据，气象因素能够被较容易地观测和分析。在研究中经常用到与温度和湿度相关的气象因子数据，如降水量、平均气温、平均空气相对湿度、日照时数、雨雾露天数^[5,6,7,8,9]。通过分析气象条件对甘肃冬小麦条锈病流行的影响，发现甘肃东部的气候环境有利于小麦病虫害的发生发展^[10]。通过对南充市小麦条锈病发生流行的气象因子进行分析，发现温度、湿度和气流为主要影响因子，其中低温寒潮是引起当年11月至翌年4月气象因子波动的主要原因^[11]。根据气候变化情景研究得到温度的季节性变动系数与最湿季节降水量影响南方松大小蠹的两个最重要的环境因子^[12]。使用地面温度数据生成“热积分空气温度”，为害虫监测提供的重要依据，使农业害虫风险图的绘制具有一定时空细节^[13]。植被生长态势及环境信息，能过通过遥感手段得到有效监测^[14]。研究显示，通过分析作物病害发病机理及获取遥感生境因子，病害生境评价可以支持病害预警。

长江中下游平原是中国重要的粮、油、棉生产基地，亦为中国水资源最丰富地区，作物可一年二熟，耕地类型以水田为主。长江中下游地区是我国水稻主产区之一，也是我国水稻的集中产区，本数据集选取具有代表性的两个区域，安徽省滁州市（研究区一）和浙江省湖州市（研究区二），如图1所示。

图1 研究区示意图

本数据集包括以下四种数据：一是长江中下游水稻纹枯病病害程度调查数据；二是基于Landsat-8 TM和Sentinel-2光学遥感数据分类的水稻种植区域；三是基于Sentinel-2光学遥感数据的水稻生长状况数据；四是气象数据，即MODIS地表温度和气象站气象数据。本数据集可以作为长江中下游典型地区水稻纹枯病生境检测的研究数据，可在空间大尺度上实现作物监测、作物病害生境评价等应用。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据源

本数据集所采用的数据包括以下三类：

（1）水稻纹枯病病害程度调查数据。调查按照以下规则记录：全株无病记为健康，基部叶片叶鞘发病记为轻度，第三叶片以下各叶鞘或叶片发病及第二叶片以下各叶鞘或叶片发病记为中度，顶叶叶鞘或顶叶发病及全株发病枯死记为重度。

（2）光学遥感数据：包括Sentinel-2光学遥感数据和Landsat-8 TM光学遥感数据，Sentinel-2光学遥感数据由欧洲航天局网站（https://scihub.copernicus.eu/）提供，Landsat-8 TM光学遥感数据由中国科学院遥感与数字地球研究所网站（http://ids.ceode.ac.cn/Index.aspx）提供。

（3）气象数据：包括MODIS地表温度产品和气象站数据，MODIS地表温度产品由美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）网站（http://glovis.usgs.gov/）提供，气象站数据由中国气象数据网站（http://data.cma.cn/）提供。数据集所用卫星遥感影像和气象站数据如表1、表2所示。

表1 数据集卫星遥感影像列表

序号	数据源	ID	时间	分辨率(m)
1	Sentinel-2	S2A_MSIL1C_20180606T024651_N0206_R132_T50SNB_20180606T062402	2018.6.6	10
2		S2A_MSIL1C_20180716T024551_N0206_R132_T50SNB_20180716T053144	2018.7.16	10
3		S2B_MSIL2A_20180718T023549_N0206_R089_T50RQV_20180718T070956	2018.7.18	10
4	Landsat-8 TM	LO81190392018166SNC00	2018.6.15	30
5	MODIS MOD11C2	MOD11A2.A2018185.h27v05.006.2018197143009	2018.7.4	1000
6		MOD11A2.A2018185.h28v05.006.2018197142829	2018.7.4	1000
7		MOD11A2.A2018193.h27v05.006.2018202041936	2018.7.12	1000
8		MOD11A2.A2018193.h28v05.006.2018202041018	2018.7.12	1000
9		MOD11A2.A2018201.h27v05.006.2018210041006	2018.7.20	1000
10		MOD11A2.A2018201.h28v05.006.2018210041522	2018.7.20	1000
11		MOD11A2.A2018209.h27v05.006.2018218215637	2018.7.28	1000
12		MOD11A2.A2018209.h28v05.006.2018218215857	2018.7.28	1000
13		MOD11A2.A2018217.h27v05.006.2018227170350	2018.8.5	1000
14		MOD11A2.A2018217.h28v05.006.2018227165712	2018.8.5	1000

表2 气象站数据

站点	50136-59855
气象参数	气压、气温、相对湿度、降水、蒸发、风向风速、日照、0cm地温
时间范围	2018年7月1-2018年8月31

1.2 数据处理方法

1.2.1 遥感影像预处理及研究区提取

卫星遥感技术的发展，为植被检测提供了先进的技术手段。为消除大气散射和吸收等影响，首先对Sentinel-2的L1C级多光谱数据通过欧空局（ESA）发布的插件Sen2cor进行辐射定标和大气校正，得到L2A级大气底层反射率数据；对OLI数据进行了辐射定标和快速大气校正等预处理，将数据转换为反射率；然后根据研究区的范围裁剪出研究区影像数据。

1.2.2 基于时相信息的水稻面积提取

在此基础上，由于水稻在单个时期容易与影像中的其他作物或植被混淆，因此考虑水稻生长过程的变化特征，运用水稻移栽、拔节、灌浆至成熟各阶段光谱时序特性和决策树方法进行水稻面积提取。根据归一化植被指数检测绿色作物的特性，用7月的归一化植被指数实现对水、城市与绿色植被的分类。考虑城市植被及其他绿色植被在6月至7月变化较小，而水稻冠层变化显著的特点，利用归一化植被指数和绿波段对植物生长状态的响应特点，经反复对比试验采用6、7月归一化植被指数的差值和绿波段实现水稻与其他绿色植被的分类。决策树方法中各步骤阈值均根据土地分类调查训练数据确定，分类图如图2所示。

图2 决策树分类图

1.2.3 基于Sentinel-2影像的穗帽变换

作物病害的发生与作物营养与生长情况相关，应用穗帽变换对Sentinel-2数据进行处理，可以提取水稻生长态势及环境信息，用于反映病虫害作物生境状况。穗帽变换是一种特殊的主成分分析，随着植被生长，在绿度图像上的信息增强，土壤亮度上的信息减弱；当植物成熟和逐渐凋落时，其在绿度图像特征减少，在黄度上的信息增强。

穗帽变换是指在多维光谱空间中，通过线性变换、光谱空间旋转使植被与土壤的光谱特征得以有效分离。这种变换不仅去除了原始影像各波段之间的冗余信息，而且使变换之后的结果变成了有重要物理意义的参数。一般前3个特征就包含了影像的绝大多数信息，变换后的第1分量表征土壤亮度，反映了土壤光谱信息；第2分量表征绿度，反映了植被光谱信息；第3分量表征地物的水分含量，反映了地物的湿度信息^[15]。通过对7月的Sentinel-2反射率数据进行穗帽变换，得到水稻种植区域的绿度指数、湿度指数和亮度指数^[14]。

2 数据样本描述

本数据集涵盖与水稻纹枯病生境评价相关的数据，包括水稻纹枯病病害程度调查数据、光学遥感原始影像、光学遥感反射率影像、地物分类影像、水稻生长状况数据、气象数据、研究区矢量图等。其中水稻纹枯病病害程度调查数据通过矢量化的方式转化为Shapefile格式的矢量数据，其相关属性存储于该数据的属性表中。各数据样例如表3所示。

表3 数据样例表

数据类型	数据格式	详细描述	样例
水稻纹枯病病害程度调查数据	Shapefile	0为健康；1为轻度；2为中度；3为重度，用于水稻纹枯病生境评价、病害检测及预测
光学卫星遥感反射率数据	IMG	Sentinel-2：10米分辨率；Landsat-8 TM：30米分辨率
地物分类数据	TIF/IMG	10米分辨率 0为水；1为城市；2为其他绿色植被；3为水稻，用于作物病害评价、作物产量预测、土地利用现状遥感检测等
影像穗帽变换特征数据	TIF/IMG	10米分辨率，用于检测水稻生长态势及环境信息，反映病虫害作物生境状况	绿度指数
			亮度指数
			亮度指数
MODIS地表温度产品数据	HDF	1000米分辨率数据集包括LST_Day_1km, QC_Day, Day_view_time, Day_view_angl, LST_Night_1km, QC_Night, Night_view_time, Night_view_angl, Emis_31, Emis_32, Clear_day_cov, Clear_night_cov,用于地表温度变换研究、旱情动态监测研究、热岛强度分析等	LST_Day_1km_20180712
气象站数据	TXT	数据文件命名由数据集代码（SURF_CLI_CHN_MUL_DAY）、要素代码（XXX)、项目代码（XXXXX）、年份标识（YYYY）和月份标识（MM）组成。其中，SURF表示地面气象资料，CLI表示地面气候资料，CHN表示中国，MUL表示多要素，DAY表示日值数据。气象参数说明：PRS-10004表示本站气压，TEM-12001表示气温，RHU-13003表示相对湿度，PRE-13011表示降水，EVP-13240表示蒸发，WIN-11002表示风向风速，SSD-14032表示日照，GST-12030-0cm表示0cm地温。

3 数据质量控制和评估

水稻纹枯病病害程度调查数据的等级参考稻纹枯病测报调查规范（GB/T 15791-1995）中的严重度分级标准，调查方法经过植保专家的指导，保证本数据来源的质量和可靠性。卫星光学遥感影像经过校正消除大气散射和吸收等影响，实现对数据的质量把控。地物分类数据则是基于Landsat-8 TM与Sentinel-2 遥感影像，结合实地调查和影像人工目视解译生成，通过对比高分卫星影像数据与实验调查数据进行质量控制。气象站数据与MODIS地表温度数据皆来自相关官方网站，数据均经过质量控制和精度验证。穗帽变换特征直接依据通用公式进行计算，未引入误差。

4 数据价值

水稻纹枯病病害程度调查数据可以直接用于水稻病害的生境评价，基于遥感、气象等多因素的病害生境评价可以进一步用于发展病害预警模型，用于对大范围病害发生风险进行空间连续的预测。这种预测的模式由于能够提供病害发生风险的空间细节信息，能够更有效地指导植保防控工作，并有利于发展智慧农田管理等数字农业的新模式，不仅具有科学价值，还具有重要的应用前景。

5 数据使用方法和建议

数据集包含了水稻纹枯病生境评价多源数据，数据格式包括TIF、Shapefile、HDF、TXT，使用主流的GIS 、ENVI等软件均可实现读写。针对数据集的使用有以下几点建议：

（1）光学卫星遥感影像。由于光学卫星数量少、重访周期相对较长、影像受云雨影响大，因此可以将Sentinel-2和Landsat-8 TM经过重采样处理，结合两种卫星影像运用。

（2）气象数据的使用。气象站数据包含的气象要素多、具有全天候数据，但此数据只体现在气象站“点”上；MODIS温度产品以影像的形式存在，体现在“面”上，但是记录的气象要素较少，所以可以结合两种数据进行病害生境评价。

（3）生境评价因子的选择。在评价作物病害生境时，应该选择与对应病害相关的生境评价因子，避免引入病害发生无关的因子。

致谢

感谢欧洲航天局网站提供Sentinel-2的L1C级数据，中国科学院遥感与数字地球研究所提供Landsat-8 TM数据，美国地质调查局提供MODIS MOD11A2数据产品，中国气象数据提供气象数据

[1]

吴利红, 娄伟平, 姚益平, 等. 水稻农业气象指数保险产品设计——以浙江省为例[J]. 中国农业科学, 2010, 43(23): 4942-4950.