Crop Identification Using Radar Images

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

One of the most important tasks in practical agricultural activity is the identification of agricultural crops, both those growing in individual fields at the moment and those that grew in these fields earlier. To reduce the complexity of the identification process in recent years, data from remote sensing of the Earth (remote sensing), including the values of vegetation indices calculated during the growing season, have been used. At the same time, processing optical satellite images and obtaining reliable index values is often difficult, which is due to cloud cover during the shooting. To solve this problem, the article suggests using the seasonal course curve of the radar vegetation index with double polarization (DpRVI) as the main indicator characterizing agricultural crops. In the period 2017-2020, 48 radar images of the Khabarovsk Municipal District of the Khabarovsk Territory from the Sentinel-1 satellite were received and processed to identify crops in the experimental fields of the Far Eastern Research Institute of Agriculture (FEARI) (resolution 22 m, shooting interval - 12 days). Soybeans and oats were the main identified crops. Pixels of fields not occupied by these crops (forage grasses, abandoned fields) were also added. The series of values of DpRVI were obtained both for individual pixels and fields, and approximated series for three classes. The approximation was carried out using the Gaussian function, the double logistic function, the square and cubic polynomials. It is established that the optimal approximation algorithm is the use of a double logistic function (the average error was 4.6%). On average, the approximation error of the vegetation index for soybeans did not exceed 5%, for perennial grasses – 8.5%, and for oats - 11%. For experimental fields with a total area of 303 hectares with a known crop rotation, the classification was carried out by the weighted method of k nearest neighbors (the training sample was formed according to the data of 2017-2019, the test sample -2020). As a result, 90% of the fields were correctly identified, and the overall pixel classification accuracy was 73%, which made it possible to identify the discrepancy between the actual boundaries of the fields declared to identify abandoned and swampy areas. Thus, it is established that the DpRVI index can be used to identify agricultural crops in the south of the Far East and serve as the basis for the automatic classification of arable land.

About the authors

K. N Dubrovin

Computing Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: nobforward@gmail.com
Kim Yu Chen St. 65

A. S Stepanov

Far Eastern Agriculture Research Institute of the Russian Academy of Sciences (FEARI)

Email: stepanfx@mail.ru
Klubnaya St. 13

A. L Verkhoturov

Mining Institute of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences (MI FEB RAS)

Email: andrey@ccfebras.net
Turgeneva St. 51

T. A Aseeva

Far Eastern Agriculture Research Institute of the Russian Academy of Sciences (FEARI)

Email: aseeva59@mail.ru
Klubnaya St. 13

References

  1. Mapping croplands, cropping patterns, and crop types using MODIS time-series data / Y. Cheng [и др.] // International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 2018. vol. 69. pp. 133-147.
  2. Improved regional-scale Brazilian cropping systems’ mapping based on a semi-automatic object-based clustering approach / B. Bellon [и др.] // International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 2018. vol. 68. pp. 127-138.
  3. Griffiths P., Nendel C., Hostert P. Intra-annual reflectance composites from Sentinel-2 and Landsat for national-scale crop and land cover mapping // Remote Sensing of Environment. 2019. vol. 220. pp. 135-151.
  4. Accessing the temporal and spectral features in crop type mapping using multi-temporal Sentinel-2 imagery: A case study of Yi’an County, Heilongjiang province, China / H. Zhang [и др.] // Computers and Electronics in Agriculture. 2020. vol. 176. 105618.
  5. Early-season crop type mapping using 30-m reference time series / P. Hao [и др.] // Journal of Integrative Agriculture. 2020. vol. 19. iss. 7. pp. 1897-1911.
  6. Миклашевич Т.С., Барталев С.А., Плотников Д.Е. Интерполяционный алгоритм восстановления длинных временных рядов данных спутниковых наблюдений растительного покрова // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. №6. С. 143-154.
  7. Arias M., Campo-Bescós M.Á, Álvarez-Mozos J. Crop Classification Based on Temporal Signatures of Sentinel-1 Observations over Navarre Province, Spain // Remote Sensing. 2020. vol. 12. iss. 2. 278.
  8. Improved Early Crop Type Identification by Joint Use of High Temporal Resolution SAR And Optical Image Time Series / J. Inglada [и др.] // Remote Sensing. 2016. vol. 8. iss. 5. 362.
  9. Synergistic Use of Radar Sentinel-1 and Optical Sentinel-2 Imagery for Crop Mapping: A Case Study for Belgium / van Tricht K. [и др.] // Remote Sensing. 2018. vol. 10. iss. 10. 1642.
  10. Kim Y., van Zyl J.J. A Time-Series Approach to Estimate Soil Moisture Using Polarimetric Radar Data // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2009. vol. 47. №8. pp. 2519-2527.
  11. C-band polarimetric indexes for maize monitoring based on a validated radiative transfer model / X. Blaes [и др.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2006. vol. 44. iss. 4. pp. 791–800.
  12. Integration of optical and Synthetic Aperture Radar (SAR) imagery for delivering operational annual crop inventories / H. McNairn [и др.] // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 2009. vol. 64. iss. 5. pp. 434–449.
  13. Dual polarimetric radar vegetation index for crop growth monitoring using Sentinel-1 SAR data / D. Mandal [и др.] // Remote Sensing of Environment. 2020. vol. 247. 111954.
  14. Freeman A., Durden S.L. A Three-Component Scattering Model for Polarimetric SAR Data // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1998. vol. 36. iss. 3. pp. 963-973.
  15. Four Component Scattering Model for Polarimetric SAR Image Decomposition / Yamaguchi Y. [и др.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2005. vol. 43. iss. 8. pp. 1699-1706.
  16. Arii M., van Zyl J.J., Kim Y. Adaptive Model-Based Decom-position for Polarimetric SAR Covariance Matrices // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2011. vol. 49. iss. 3. pp. 1104-1113.
  17. Костенков Н.М., Ознобихин В.И. Почвы и почвенные ресурсы юга Дальнего Востока, и их оценка // Почвоведение. 2006. №5. С. 517–526.
  18. Новороцкий П.В. Климатические изменения в бассейне Амура за последние 115 лет // Метеорология и гидрология. 2007. №2. С. 43−53.
  19. База данных показателей муниципальных образований. URL: www.gks.ru/dbscripts/munst/ (дата обращения: 21.08.2021).
  20. Sentinel-1 Mission Status / P. Potin [и др.] // 11th European Conference on Synthetic Aperture Radar. Proceedings EUSAR. 2016. pp. 59–64.
  21. Intensity and phase statistics of multilook polarimetric interferometric SAR imagery / J.S. Lee [и др.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1994. vol 32. iss. 5. pp. 1017-1028.
  22. Lee J.S., Pottier E. Polarimetric SAR Radar Imaging: From Basic to Applications // Boca Raton: CRC Press. 2009. 438 p.
  23. Predicting the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) by training a crop growth model with historical data / A. Berger [и др.] // Computers and Electronics in Agriculture. 2018. vol. 161. pp. 305-311.
  24. An improved logistic method for detecting spring vegetation phenology in grasslands from MODIS EVI time-series data. / R. Cao [и др.] // Agric. For. Meteorol. 2015. vol. 200. pp. 9–20.
  25. Predicting Soybean Yield at the Regional Scale Using Remote Sensing and Climatic Data / A. Stepanov [и др.] // Remote Sensing. 2020. vol. 12. iss. 12. 1936.
  26. Evaluating the impacts of models, data density and irregularity on reconstructing and forecasting dense Landsat time series. / J. Zhang [и др.] // Science of Remote Sensing. 2021. №4. 100023.
  27. Mapping crops within the growing season across the United States / V.S. Konduri [и др.] // Remote Sensing of Environment. 2020. vol. 251. 112048.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».