基于MODIS數(shù)據(jù)的作物物候期監(jiān)測(cè)及作物類型識(shí)別模式研究.pdf

1、由于受自然條件和經(jīng)濟(jì)條件的限制，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)很大程度上依賴于天氣氣候條件。這種情況下，糧食安全面臨巨大威脅，已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注。及時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物長勢(shì)以及提早做出作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)對(duì)政策制訂和保持可持續(xù)發(fā)展十分重要。因此，無論發(fā)展中國家還是發(fā)達(dá)國家，幾十年來，作物監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量預(yù)測(cè)一直受到高度重視。利用遙感技術(shù)來進(jìn)行作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)是最有發(fā)展前途的方法之一。 Terra／MODIS是一種新型和重要的衛(wèi)星傳感器，其數(shù)據(jù)性能較NOAA／AVHRR數(shù)據(jù)有了

2、較大改善，空間分辨率為1000m，500m，250m，在波譜0.4-14.5范圍內(nèi)有36個(gè)波段，覆蓋了可見光、近紅外和短波紅外波段，且波段均較窄，加上其每天一次對(duì)地區(qū)覆蓋的高時(shí)間分辨率，MODIS數(shù)據(jù)在大尺度作物遙感監(jiān)測(cè)和估產(chǎn)方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。 在使用遙感信息獲取作物生長發(fā)育狀態(tài)信息時(shí)，如何將作物信息和其它信息分離，如何解決遙感信息和農(nóng)學(xué)信息的匹配和轉(zhuǎn)換是仍需進(jìn)一步研究的問題。本文基于2003年、2004年MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行中國

3、華北地區(qū)主要作物物候期信息提取和作物類型識(shí)別研究。利用MODIS NDVI和EVI數(shù)據(jù)作為遙感參數(shù)，利用非線性方程模擬，提取作物關(guān)鍵物候期信息，并將物候遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)與地面觀測(cè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，確定兩者匹配關(guān)系。通過對(duì)作物生長期內(nèi)植被指數(shù)變化曲線分析，選擇合適的分類特征，進(jìn)行華北地區(qū)主要作物類型識(shí)別。研究主要內(nèi)容有： 1．分別利用Logistic方程和高斯方程對(duì)作物生長期內(nèi)植被指數(shù)曲線進(jìn)行模擬，并采用最大曲率法、動(dòng)態(tài)閾值法提取作物

4、關(guān)鍵物候期。分別利用MODIS NDVI和EVI序列提取冬小麥關(guān)鍵物候期，以農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)值為參考值對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，利用這兩種數(shù)據(jù)源獲取作物生長季始末期與參考值比較結(jié)果相近，而利用MODIS EVI序列數(shù)據(jù)提取作物生殖生長轉(zhuǎn)折點(diǎn)提取結(jié)果，較NDVI數(shù)據(jù)更接近參考值。兩種曲線模擬方法利用曲率最大值法確定的冬小麥物候期均取得了較好結(jié)果，利用動(dòng)態(tài)閾值法提取作物物候期與參考值相比相差稍大。 2．物候遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果與農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)

5、值相匹配。本文通過分析作物關(guān)鍵生育期的農(nóng)學(xué)意義，及其在遙感植被指數(shù)序列數(shù)據(jù)的反映，分析農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)指標(biāo)及其大田表現(xiàn)，由此將物候遙感指標(biāo)和觀測(cè)指標(biāo)相匹配。冬小麥與夏玉米關(guān)鍵物候期監(jiān)測(cè)結(jié)果與農(nóng)業(yè)氣象物候監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)比分析顯示，遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果與農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)指標(biāo)有較好的一致性。遙感監(jiān)測(cè)的生長季開始期可以分別對(duì)應(yīng)冬小麥的反青期、夏玉米的三葉期；生殖生長轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)冬小麥抽穗期、夏玉米抽雄期；生長季結(jié)束期分別對(duì)應(yīng)兩者成熟期。兩種方式獲取的作物生育期的

6、信息可以相互轉(zhuǎn)換。 3.根據(jù)冬小麥物候歷，選擇冬小麥最初生長過程中的EVI序列數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，利用前三個(gè)主分量作為分類特征，對(duì)冬小麥播種面積進(jìn)行識(shí)別取得了較好效果；對(duì)于秋季作物，采用分層迭代分類的方法，首先利用主分量分析的前三個(gè)主分量為分類特征，識(shí)區(qū)分出一熟模式區(qū)和兩熟模式區(qū)；然后引入秋季作物生長季始期、生殖生長轉(zhuǎn)折點(diǎn)、生長季末期以及這三個(gè)時(shí)期對(duì)應(yīng)EVI值為分類特征進(jìn)行非監(jiān)督分類，作物制圖最低精度為84％。 4.對(duì)M

7、ODIS EVI時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析，將作物的光譜信息轉(zhuǎn)化為振幅，將物候信息轉(zhuǎn)化為初始相位，利用傅立葉分析的前4級(jí)諧波以及曲線均值作為分類特征進(jìn)行作物種類識(shí)別，取得了較好的分類效果，整個(gè)識(shí)別過程體現(xiàn)了作物物候信息與作物光譜相結(jié)合識(shí)別作物類型的過程，減少了冗余信息的干擾。 5.對(duì)在作物類型識(shí)別、以及物候參數(shù)提取的基礎(chǔ)上，提取華北地區(qū)2004年冬小麥、夏玉米物候分布圖。對(duì)冬小麥、夏玉米主要物候期以及主要物候期之間持續(xù)時(shí)間的分布格局

8、進(jìn)行了描述，同時(shí)對(duì)這兩種作物主要物候期發(fā)生時(shí)間與地理位置之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，冬小麥主要物候期發(fā)生時(shí)間與緯度呈正相關(guān)，返青和抽穗期與經(jīng)度呈正相關(guān)，成熟期與經(jīng)度相關(guān)性不大；夏玉米生長季始末期與緯度呈正相關(guān)，與經(jīng)度呈負(fù)相關(guān)，夏玉米抽雄期與兩者關(guān)系不相關(guān)性不大。 6.在對(duì)冬小麥關(guān)鍵物候期提取的基礎(chǔ)上，分析了冬小麥抽穗期EVI值以及其生育期內(nèi)EVI積分值與冬小麥產(chǎn)量之間的關(guān)系，結(jié)果顯示冬小麥抽穗期EVI值及冬小麥返青期至收獲期

9、EVI積分值與作物產(chǎn)量之間有很好的相關(guān)性。因此，可以認(rèn)為冬小麥抽穗期EVI值體現(xiàn)了作物營養(yǎng)生長狀況，可以利用抽穗期作物EVI早期預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量；EVI曲線的積分值能綜合反映作物整個(gè)生長發(fā)育過程，因此可以根據(jù)這一規(guī)律對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行估算。 7.對(duì)冬小麥、夏玉米生育期內(nèi)EVI均值與平均溫度、降水量、日照時(shí)數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果顯示，2004年溫度和降水是冬小麥生長的主要限制因子，其中溫度起主導(dǎo)作用；2004年夏玉米生長制約因素是溫度和日照時(shí)