基于MODIS-NDVI時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 水利與環境學院，河南 鄭州 450000；2.鄭州工業安全職業學院，河南 鄭州 451192）

基于MODIS-NDVI時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 水利與環境學院，河南 鄭州 450000；2.鄭州工業安全職業學院，河南 鄭州 451192）

河南是中國的農業大省，冬小麥是河南省最主要的糧食產物，因此大面積快速準確冬小麥種植面積信息對于糧食估產具有重大意義.本文采用冬小麥關鍵生育期MODIS-NDVI數據，結合不同物候期冬小麥的生物學特性、光譜特征，構建NDVI時間序列光譜，建立提取冬小麥面積的函數關系模型，確定提取冬小麥的關鍵時期NDVI閾值，采用決策樹的方法獲取了2014年河南省的冬小麥種植區域.并與2014年河南省冬小麥統計數據相比較，誤差控制在3%以內.基于提取的河南省冬小麥面積的空間分布信息，結合坡度數據和各市數據，分析了不同坡度級和各縣市的冬小麥種植面積比例圖.為監測冬小麥面積的時空分布提供了參考.[1]

MODIS-NDVI；冬小麥；時間序列；決策樹

1 引言

植被指數能夠反映一定時期植被的生長狀況，因此時間序列的植被指數能夠更好地反映植被在不同生育期內的生長變化，可以有效的提取植被信息[1].植被指數種類眾多，在植被信息提取和地物識別方面使用最廣泛最有效的是歸一化植被指數NDVI[2-4].由于MODIS數據的高時間分辨率和免費獲取的特點，在大區域間分布中獲取農作物面積發揮了很大的作用[5].黃青利用多時相的MODIS數據，構建了冬小麥和水稻的時序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數據，結合河北省作物的種植結構和物候歷，提取作物的面積信息.王紅說等利用MODIS-NDVI時間序列數據，研究了華北農作物物候期的空間格局.根據不同作物在生長發育過程中時間和生物量上的差異性，結合物候信息，采用植被指數構造的時間序列光譜識別作物，可以達到提取作物的目的.

本文以250m分辨率的MODIS13Q1數據為數據源，基于MODIS NDVI構建時間序列譜，結合冬小麥生長期形態變化，分析不同地表覆蓋類型NDVI曲線走勢，建立一定的函數關系模型，設定最佳閾值，采用決策樹的分類方法實現冬小麥的分離提取，并對提取結果進行分析.分析了河南省冬小麥在不同坡度和縣市數種植面積情況，為河南省作物種植面積的監測提供一定的參考.

2 研究區概況與數據

2.1 研究區概況

河南省位于中國的中東部地區，地理坐標介于北緯31°23′-36°22′之間，東經110°21′-116°39′之間，地勢西高東低，中、東部為黃淮海沖積平原，西南部為南陽盆地.全省國土面積為16.7萬平方公里，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%，是農業大省.農作物種植結構比較穩定，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、孕穗、揚花、灌漿和成熟期.

2.2 數據簡介

中分辨率成像光譜儀MODIS是搭載在terra和aqua衛星上的一個重要的傳感器，是唯一將實時觀測數據向全世界直接廣播，并能免費接收數據并無償使用的星載儀器.本文研究所用的是16天合成的250分辨率的陸地專題產品MOD13Q1.在MODIS網站下載相應的時間段（2013年10月到2014年6月）的相應分辨率和圖幅（13Q1H27V05）的植被指數數據.共有16幅遙感數據.每期的數據包含以下幾個波段:合成的歸一化植被指數、增強植被指數、可見光紅、藍波段、近紅外波段.所用到的是歸一化植被指數.

對這16幅時相數據進行校正，投影的轉換，裁剪，波段合成，最終得到1幅包含有16個波段的多時相的NDVI遙感數據.

對冬小麥提取出的結果種植區需要結合DEM數據和縣市數據來進行分析，研究在不同范圍內的分布情況并制作專題圖.DEM數據是通過地理空間數據云下載的4幅90米分辨率的高程數據合成得到.

3 冬小麥的提取

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

該研究選取MODIS的第1、第2通道，計算歸一化植被指數.最后得到16幅時間序列植被指數圖像.如圖2是根據小麥9個采樣點（已刪除異常采樣點）繪制出的冬小麥在生長期內的NDVI值變化趨勢曲線圖.

圖1 9個冬小麥采樣點的NDVI在16個時間段的變化曲線

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

通過對冬小麥生長期內的NDVI變化趨勢的分析，選擇4個主要關鍵時段的遙感數據進行分析，選取10.16、12.03、4.07、5.25這四個關鍵時期，根據關鍵的4個時期的NDVI值的變化規律，提取出冬小麥的種植區域信息.并對不同覆蓋類型的植被指數變化趨勢曲線進行分析，并結合經驗數據，運用決策樹分層提取的方法得到冬小麥種植區域.

圖2 河南省冬小麥種植區域

4 驗證及分析

4.1 驗證

根據提取出的冬小麥的種植區域，計算得出小麥的種植面積占河南省總共面積的31.66%.結果顯示，河南省的冬小麥種植區域主要集中在河南省的中部、東部地區，在西部的種植面積相對較少，其中主要有焦作，新鄉，安陽，開封，商丘，許昌，漯河，平頂山，南陽，駐馬店幾個地級市小麥種植面積較大.統計發現小麥區域柵格個數為838673個，已知原始遙感數據的分辨率為250m*250m，計算得到河南省的小麥面積為78625593.75萬畝，在中國商情報上搜索數據發現南省2014年的實際小麥種植面積為8110萬畝，準確率為96.949%，誤差為3.05%.

由此可見，通過遙感圖像進行冬小麥面積計算存在一定的誤差，但是準確性相對較高，誤差控制在3%左右，基本滿足對小麥種植面積的估算研究.

4.2 分析

對河南省的各市矢量文件和提取河南省冬小麥種植區域的柵格圖像，進行操作，得到每一個市區的小麥種植面積比例，如圖3所示.通過對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域主要集中在河南省的中部、東部地區，在西部的種植面積相對較少，其中主要有焦作，新鄉，安陽，開封，周口，商丘，許昌，漯河，平頂山，南陽，駐馬店幾個地級市小麥種植面積較大.在其他地區比如三門峽，鶴壁，濟源，洛陽，鄭州市幾個地區冬小麥種植面積相對較少，一方面跟當地的地形有關，另一方面也跟當地的氣候習慣有關.

圖3 不同縣市的冬小麥種植總量比較

通過計算得到冬小麥在每一個縣市的種植面積，面積只能反映總量，不同的省份有不同的市區面積.可以計算出河南省冬小麥在每一個市區種植的密度圖，如圖9所示的是每一市區的小麥種植密度圖.此可見在許昌，漯河，開封，駐馬店幾個市區的小麥種植密度比較高，在三門峽，洛陽，濟源，信陽，安陽幾個市區冬小麥種植比較低.

5 結論

利用MOD13Q1數據，結合冬小麥在不同物候期形態變化特征，構建NDVI時間序列光譜，分析不同作物的NDVI變化特征，結果表明冬小麥NDVI值的變化具有獨特的序列特征.選取冬小麥生育期的幾個關鍵時間段，建立提取冬小麥的模型，通過決策樹分層分類方法提取河南省冬小麥的種植面積，與2014農業局統計數據對比，計算得到提取的冬小麥種植面積精度為88%.然后對提取結果進行了相關分析，為有關部門決策提供了依據.研究表明:MODIS數據對于大范圍提取農作物是可行的，由于分辨率為250*250米，對于小范圍的市，縣區只能做定性分析，而不能做定量分析；運用決策樹分層分類方法提取，設定閾值，能夠快速提取結果.

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”的現象；研究區域比較大，不能具體的對研究區內的整體狀況進行實地調查研究，只是采集一些具有帶表性的區域進行采樣點的調查分析，可能不能全面覆蓋整個區域；運用決策樹分類，關鍵日期的選定，最佳閾值的設定，基本上依靠經驗，對比分析設定，人為的因素比較大，以后可以研究運用計算機的自動計算來選取特征.

〔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,王長耀,黃敬峰,柳云龍,趙敏,劉冬燕,高峻.基于MODIS數據和模糊ARTMAP的冬小麥遙感識別方法 [J].農業工程學報,2008（03）：173-178.

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

〔4〕王云秀,張文宗,姚樹然,康錫言.利用MODIS數據監測河北省冬小麥種植信息[J].遙感技術與應用,2006（02）：149-153.

〔5〕Hongbo Q，Dengfa C.Application of EOS/ MODIS-NDVI at different time sequences on monitoring winter wheat acreage in Henan Province[J].Environmental Science and Information Application Technology，2009，2：113-115.

TP75

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1673-260X（2017）02-0031-03

2016-09-07