基于MODIS-NDVI時(shí)間序列的河南省冬小麥種植信息提取與分析

李 艷， 張紅利

（1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.鄭州工業(yè)安全職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451192）

基于MODIS-NDVI時(shí)間序列的河南省冬小麥種植信息提取與分析

李 艷1,2， 張紅利2

（1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.鄭州工業(yè)安全職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451192）

河南是中國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，冬小麥?zhǔn)呛幽鲜∽钪饕募Z食產(chǎn)物，因此大面積快速準(zhǔn)確冬小麥種植面積信息對(duì)于糧食估產(chǎn)具有重大意義.本文采用冬小麥關(guān)鍵生育期MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，結(jié)合不同物候期冬小麥的生物學(xué)特性、光譜特征，構(gòu)建NDVI時(shí)間序列光譜，建立提取冬小麥面積的函數(shù)關(guān)系模型，確定提取冬小麥的關(guān)鍵時(shí)期NDVI閾值，采用決策樹(shù)的方法獲取了2014年河南省的冬小麥種植區(qū)域.并與2014年河南省冬小麥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比較，誤差控制在3%以內(nèi).基于提取的河南省冬小麥面積的空間分布信息，結(jié)合坡度數(shù)據(jù)和各市數(shù)據(jù)，分析了不同坡度級(jí)和各縣市的冬小麥種植面積比例圖.為監(jiān)測(cè)冬小麥面積的時(shí)空分布提供了參考.[1]

MODIS-NDVI；冬小麥；時(shí)間序列；決策樹(shù)

1 引言

植被指數(shù)能夠反映一定時(shí)期植被的生長(zhǎng)狀況，因此時(shí)間序列的植被指數(shù)能夠更好地反映植被在不同生育期內(nèi)的生長(zhǎng)變化，可以有效的提取植被信息[1].植被指數(shù)種類(lèi)眾多，在植被信息提取和地物識(shí)別方面使用最廣泛最有效的是歸一化植被指數(shù)NDVI[2-4].由于MODIS數(shù)據(jù)的高時(shí)間分辨率和免費(fèi)獲取的特點(diǎn)，在大區(qū)域間分布中獲取農(nóng)作物面積發(fā)揮了很大的作用[5].黃青利用多時(shí)相的MODIS數(shù)據(jù)，構(gòu)建了冬小麥和水稻的時(shí)序NDVI曲線特征，提取了江蘇省冬小麥的冬小麥和水稻.陳建利用MODIS-EVI數(shù)據(jù)，結(jié)合河北省作物的種植結(jié)構(gòu)和物候歷，提取作物的面積信息.王紅說(shuō)等利用MODIS-NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，研究了華北農(nóng)作物物候期的空間格局.根據(jù)不同作物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中時(shí)間和生物量上的差異性，結(jié)合物候信息，采用植被指數(shù)構(gòu)造的時(shí)間序列光譜識(shí)別作物，可以達(dá)到提取作物的目的.

本文以250m分辨率的MODIS13Q1數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基于MODIS NDVI構(gòu)建時(shí)間序列譜，結(jié)合冬小麥生長(zhǎng)期形態(tài)變化，分析不同地表覆蓋類(lèi)型NDVI曲線走勢(shì)，建立一定的函數(shù)關(guān)系模型，設(shè)定最佳閾值，采用決策樹(shù)的分類(lèi)方法實(shí)現(xiàn)冬小麥的分離提取，并對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行分析.分析了河南省冬小麥在不同坡度和縣市數(shù)種植面積情況，為河南省作物種植面積的監(jiān)測(cè)提供一定的參考.

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

河南省位于中國(guó)的中東部地區(qū)，地理坐標(biāo)介于北緯31°23′-36°22′之間，東經(jīng)110°21′-116°39′之間，地勢(shì)西高東低，中、東部為黃淮海沖積平原，西南部為南陽(yáng)盆地.全省國(guó)土面積為16.7萬(wàn)平方公里，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%、17.7%.耕地占全省總面積的44.3%，是農(nóng)業(yè)大省.農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，主要為冬小麥—夏玉米—冬小麥的兩熟模式.河南省的冬小麥主要種植期是9月至10月份，第二年3月上中旬為返青期，5月中上旬為抽穗期，6月上中旬為收獲期.冬小麥完整物候期為出苗、分蘗、越冬、返青、起身、拔節(jié)、孕穗、揚(yáng)花、灌漿和成熟期.

2.2 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

中分辨率成像光譜儀MODIS是搭載在terra和aqua衛(wèi)星上的一個(gè)重要的傳感器，是唯一將實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)向全世界直接廣播，并能免費(fèi)接收數(shù)據(jù)并無(wú)償使用的星載儀器.本文研究所用的是16天合成的250分辨率的陸地專(zhuān)題產(chǎn)品MOD13Q1.在MODIS網(wǎng)站下載相應(yīng)的時(shí)間段（2013年10月到2014年6月）的相應(yīng)分辨率和圖幅（13Q1H27V05）的植被指數(shù)數(shù)據(jù).共有16幅遙感數(shù)據(jù).每期的數(shù)據(jù)包含以下幾個(gè)波段:合成的歸一化植被指數(shù)、增強(qiáng)植被指數(shù)、可見(jiàn)光紅、藍(lán)波段、近紅外波段.所用到的是歸一化植被指數(shù).

對(duì)這16幅時(shí)相數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，投影的轉(zhuǎn)換，裁剪，波段合成，最終得到1幅包含有16個(gè)波段的多時(shí)相的NDVI遙感數(shù)據(jù).

對(duì)冬小麥提取出的結(jié)果種植區(qū)需要結(jié)合DEM數(shù)據(jù)和縣市數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析，研究在不同范圍內(nèi)的分布情況并制作專(zhuān)題圖.DEM數(shù)據(jù)是通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云下載的4幅90米分辨率的高程數(shù)據(jù)合成得到.

3 冬小麥的提取

冬小麥生長(zhǎng)周期一般為230-240天，通常10月上旬播種，中旬出苗，11月分蘗，12月進(jìn)入越冬期，次年3月開(kāi)始返青，4月中旬拔節(jié)，下旬孕穗，到5月份終旬開(kāi)花，6月中旬成熟收獲.

該研究選取MODIS的第1、第2通道，計(jì)算歸一化植被指數(shù).最后得到16幅時(shí)間序列植被指數(shù)圖像.如圖2是根據(jù)小麥9個(gè)采樣點(diǎn)（已刪除異常采樣點(diǎn)）繪制出的冬小麥在生長(zhǎng)期內(nèi)的NDVI值變化趨勢(shì)曲線圖.

圖1 9個(gè)冬小麥采樣點(diǎn)的NDVI在16個(gè)時(shí)間段的變化曲線

分析顯示，10月上中旬為出苗期，播種區(qū)域主要表現(xiàn)為土壤特性；12月上旬處于分蘗期，此時(shí)葉綠素含量較高，NDVI值是逐漸增多的，冬小麥區(qū)域和非小麥區(qū)域在衛(wèi)星圖像上表現(xiàn)明顯不同，這兩個(gè)階段的NDVI值變化比較大；從12月下旬到來(lái)年2月下旬，由于溫度低和霜雪影響，冬小麥逐漸停止生長(zhǎng)，進(jìn)入冬眠期，在2月底，由于下雪的原因NDV達(dá)到最小值；3月立春以后，冬小麥返青，繼續(xù)生長(zhǎng)；到5月中旬，冬小麥處于抽穗期，此時(shí)冬小麥的NDVI值也達(dá)到了最大值；6月上旬冬小麥成熟，NDVI值是逐漸下降的.

通過(guò)對(duì)冬小麥生長(zhǎng)期內(nèi)的NDVI變化趨勢(shì)的分析，選擇4個(gè)主要關(guān)鍵時(shí)段的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取10.16、12.03、4.07、5.25這四個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，根據(jù)關(guān)鍵的4個(gè)時(shí)期的NDVI值的變化規(guī)律，提取出冬小麥的種植區(qū)域信息.并對(duì)不同覆蓋類(lèi)型的植被指數(shù)變化趨勢(shì)曲線進(jìn)行分析，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用決策樹(shù)分層提取的方法得到冬小麥種植區(qū)域.

圖2 河南省冬小麥種植區(qū)域

4 驗(yàn)證及分析

4.1 驗(yàn)證

根據(jù)提取出的冬小麥的種植區(qū)域，計(jì)算得出小麥的種植面積占河南省總共面積的31.66%.結(jié)果顯示，河南省的冬小麥種植區(qū)域主要集中在河南省的中部、東部地區(qū)，在西部的種植面積相對(duì)較少，其中主要有焦作，新鄉(xiāng)，安陽(yáng)，開(kāi)封，商丘，許昌，漯河，平頂山，南陽(yáng)，駐馬店幾個(gè)地級(jí)市小麥種植面積較大.統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)小麥區(qū)域柵格個(gè)數(shù)為838673個(gè)，已知原始遙感數(shù)據(jù)的分辨率為250m*250m，計(jì)算得到河南省的小麥面積為78625593.75萬(wàn)畝，在中國(guó)商情報(bào)上搜索數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)南省2014年的實(shí)際小麥種植面積為8110萬(wàn)畝，準(zhǔn)確率為96.949%，誤差為3.05%.

由此可見(jiàn)，通過(guò)遙感圖像進(jìn)行冬小麥面積計(jì)算存在一定的誤差，但是準(zhǔn)確性相對(duì)較高，誤差控制在3%左右，基本滿足對(duì)小麥種植面積的估算研究.

4.2 分析

對(duì)河南省的各市矢量文件和提取河南省冬小麥種植區(qū)域的柵格圖像，進(jìn)行操作，得到每一個(gè)市區(qū)的小麥種植面積比例，如圖3所示.通過(guò)對(duì)不同縣市的冬小麥種植面積的分析得出:河南省的冬小麥種植區(qū)域主要集中在河南省的中部、東部地區(qū)，在西部的種植面積相對(duì)較少，其中主要有焦作，新鄉(xiāng)，安陽(yáng)，開(kāi)封，周口，商丘，許昌，漯河，平頂山，南陽(yáng)，駐馬店幾個(gè)地級(jí)市小麥種植面積較大.在其他地區(qū)比如三門(mén)峽，鶴壁，濟(jì)源，洛陽(yáng)，鄭州市幾個(gè)地區(qū)冬小麥種植面積相對(duì)較少，一方面跟當(dāng)?shù)氐牡匦斡嘘P(guān)，另一方面也跟當(dāng)?shù)氐臍夂蛄?xí)慣有關(guān).

圖3 不同縣市的冬小麥種植總量比較

通過(guò)計(jì)算得到冬小麥在每一個(gè)縣市的種植面積，面積只能反映總量，不同的省份有不同的市區(qū)面積.可以計(jì)算出河南省冬小麥在每一個(gè)市區(qū)種植的密度圖，如圖9所示的是每一市區(qū)的小麥種植密度圖.此可見(jiàn)在許昌，漯河，開(kāi)封，駐馬店幾個(gè)市區(qū)的小麥種植密度比較高，在三門(mén)峽，洛陽(yáng)，濟(jì)源，信陽(yáng)，安陽(yáng)幾個(gè)市區(qū)冬小麥種植比較低.

5 結(jié)論

利用MOD13Q1數(shù)據(jù)，結(jié)合冬小麥在不同物候期形態(tài)變化特征，構(gòu)建NDVI時(shí)間序列光譜，分析不同作物的NDVI變化特征，結(jié)果表明冬小麥NDVI值的變化具有獨(dú)特的序列特征.選取冬小麥生育期的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間段，建立提取冬小麥的模型，通過(guò)決策樹(shù)分層分類(lèi)方法提取河南省冬小麥的種植面積，與2014農(nóng)業(yè)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算得到提取的冬小麥種植面積精度為88%.然后對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)分析，為有關(guān)部門(mén)決策提供了依據(jù).研究表明:MODIS數(shù)據(jù)對(duì)于大范圍提取農(nóng)作物是可行的，由于分辨率為250*250米，對(duì)于小范圍的市，縣區(qū)只能做定性分析，而不能做定量分析；運(yùn)用決策樹(shù)分層分類(lèi)方法提取，設(shè)定閾值，能夠快速提取結(jié)果.

本文采用的MODSI遙感圖像的分辨率較低，遙感影像中存在著“同物異普”和“異物同譜”的現(xiàn)象；研究區(qū)域比較大，不能具體的對(duì)研究區(qū)內(nèi)的整體狀況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查研究，只是采集一些具有帶表性的區(qū)域進(jìn)行采樣點(diǎn)的調(diào)查分析，可能不能全面覆蓋整個(gè)區(qū)域；運(yùn)用決策樹(shù)分類(lèi)，關(guān)鍵日期的選定，最佳閾值的設(shè)定，基本上依靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比分析設(shè)定，人為的因素比較大，以后可以研究運(yùn)用計(jì)算機(jī)的自動(dòng)計(jì)算來(lái)選取特征.

〔1〕Brown de Colstoun E C，Story M H，Thompson C，et al.Nationalpark vegetation mapping using multitemporal Landsat 7 data and a decision tree classifier[J].Remote Sensing of Environment，2003，85（3）：316-327.

〔2〕林文鵬,王長(zhǎng)耀,黃敬峰,柳云龍,趙敏,劉冬燕,高峻.基于MODIS數(shù)據(jù)和模糊ARTMAP的冬小麥遙感識(shí)別方法 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008（03）：173-178.

〔3〕張友水,原立峰,姚永慧.多時(shí)相MODIS影像水田信息提取研究[J].遙感學(xué)報(bào),2007（02）：282-288.

〔4〕王云秀,張文宗,姚樹(shù)然,康錫言.利用MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)河北省冬小麥種植信息[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2006（02）：149-153.

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TP75

A

1673-260X（2017）02-0031-03

2016-09-07