NDVI时序相似性对冬小麦种植面积总量控制的制图精度影响

遥感技术获取的区域作物面积与作物面积统计数据间常常存在不一致的问题,这在一定程度上影响了作物分布遥感制图信息的应用。为获得与作物面积统计数据一致的高精度作物分布遥感制图信息,该研究以河北省衡水市武邑县为研究区,以时序Sentinel-2遥感影像生成的归一化差值植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)为研究数据,将冬小麦面积目视解译数据作为遥感提取的区域冬小麦面积总量参考,提出基于复合型混合演化算法(Shuffled Complex Evolution-University of Arizona, SCE-UA)和区域作物种植面积总量控制的NDVI时序相似性阈值优化冬小麦分布制图方法,并进行精度验证。在此基础上,进一步开展不同生育阶段NDVI时序相似性及其相似性组合的冬小麦分布提取精度对比研究。结果表明,利用全生育期NDVI时序相似性获得的冬小麦分布制图结果总量精度达99.99%以上,总体精度达98.08%,Kappa系数为0.96,可以保证遥感提取的区域冬小麦面积与冬小麦种植面积总量控制参考间的高度一致性且能获得较高的作物遥感识别精度。从不同生育阶段NDVI时序相似性及其相似性组合的冬小麦分布提取结果可知,利用出苗期-分蘖期、返青期-拔节期的NDVI时序可获得高精度冬小麦分布提取结果,而利用抽穗期-成熟期的NDVI时序数据提取冬小麦结果则精度较低,且综合不同生育阶段NDVI时序数据有利于冬小麦制图精度的提高。该研究可为高精度冬小麦分布提取和制图技术及其方案优化提供一定参考依据,也可为遥感数据和作物面积统计数据融合的大范围农作物分布遥感制图及统计数据空间化提供一定技术方法参考和思路借鉴。     

河南省冬小麦种植频率时空变化及影响因素分析

【目的】通过对河南省2001—2015年间不同时期（2001—2005、2006—2010及2011—2015年）冬小麦种植频率（winter wheat planting frequency,WWPF）时空变化及其主要影响因素定量分析,进一步明晰区域作物种植频率变化时空变化分布特征和主要影响因素顺序。【方法】以河南省为研究区,冬小麦为研究作物,在利用中低分辨率MODIS EVI时序遥感数据和CART决策树算法进行连续15年（2001—2015年）作物种植空间分布信息提取基础上,获取了研究区不同时期冬小麦种植频率空间信息。在此基础上,开展不同时期冬小麦种植频率时空变化分析,并利用相关分析、主成分分析和线性回归分析等数理统计方法对不同时期研究区种植频率变化的影响因素进行分析,最终确定主要影响因素的重要性排序。【结果】基于MODIS EVI时序遥感数据和CART决策树算法可获得河南省较高精度连续多年冬小麦种植空间分布信息,经验证,研究区冬小麦遥感提取平均总体精度为90.39%,Kappa系数在0.82—0.92之间,可满足区域冬小麦种植频率变化研究所需作物空间分布精度要求;通过分析河南省不同时期冬小麦种植频率时空变化信息,省域内冬小麦主产区大部分具有较高的冬小麦种植频率（WWPF>80%）,而豫西南和豫南等山区由于地形复杂、自然条件较差导致冬小麦种植频率普遍较低（WWPF≤40%）。此外,3个时段期间,河南省冬小麦主产区高频种植冬小麦面积呈逐步增加趋势,WWPF>80%的面积比例分别为42.68%、59.94%和63.07%,低频种植面积呈减小趋势,WWPF≤40%的面积比例分别为28.53%、17.99%和16.63%,这对我国冬小麦主产区稳定粮食种植面积具有重要意义;从冬小麦种植频率影响因素分析结果看,河南省冬小麦种植频率与有效灌溉面积比例、土壤质量综合指数、播期气候适宜度、坡度和高程等指标间均存在显著的相关性,且除与坡度、高程呈负相关外,与其余因素均为正相关关系。以上指标对河南省冬小麦种植频率变化影响程度的排序结果为土壤综合质量指数>播期气候适宜度>有效灌溉面积比例>坡度（高程）,即土壤质量>播期气候条件>灌溉条件>地形条件。【结论】通过对河南省冬小麦种植频率时空变化及其影响因素进行定量分析,明确了河南省冬小麦种植频率时空分布特征和变化规律,明晰了河南省区域冬小麦种植频率变化影响因素及其重要性排序,为开展作物种植面积变化分析提供了一定技术方法和思路借鉴,为区域农业土地利用决策模型构建提供一定基础理论支撑。     

基于花后累积地上生物量比例的冬小麦动态收获指数估算

针对已有基于遥感信息的收获指数估算对籽粒灌浆过程中作物生物量变化和收获指数变化过程考虑不足且估算精度有待进一步提高的现状,该研究以冬小麦为研究对象,基于冠层高光谱数据、地上生物量和动态籽粒产量等数据,在提出灌浆至成熟阶段动态收获指数（Dynamic Harvest Index, DHI）和构建花后累积地上生物量比例动态参数（Dynamic fG, D-fG）基础上,提出了敏感波段中心构建归一化差值光谱指数（Normalized Difference Spectral Index, NDSI）估算D-fG的作物动态收获指数估测技术方法并进行精度验证。在此基础上,通过敏感波段宽度扩展确定了冬小麦D-fG估算敏感波段最大宽度,并实现了最大波宽下D-fG和DHI的遥感获取。结果表明,筛选的5个敏感波段中心λ（366 nm, 489 nm）、λ（443 nm, 495 nm）、λ（449 nm, 643 nm）、λ（579 nm, 856 nm）、λ（715 nm, 849 nm）构建NDSI进行D-fG遥感估算均达到了较高精度水平,均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）在0.036～0.050之间,归一化均方根误差（Normalized Root Mean Square Error, NRMSE）在10.46%～14.59%之间;基于敏感波段中心的DHI估算中,RMSE在0.039～0.053之间,NRMSE在10.50%～14.28%之间;估算D-fG的5个敏感波段中心最大波段宽度分别为30、68、58、20和86 nm,基于最大波宽获取DHI估算结果中,RMSE在0.054～0.055之间,NRMSE在14.38%～14.65%之间。可见,该研究所提收获指数遥感估算方法具有一定的可行性,为获取冬小麦动态收获指数提供了新思路和新方法,也为窄波段高光谱卫星遥感和宽波段多光谱卫星遥感获取大范围作物收获指数空间信息提供一定技术参考。     

基于哨兵-2A模拟反射率及其影像的冬小麦收获指数估算

为验证基于花后累积地上生物量比例动态参数（D-fG）的作物动态收获指数（D-HI）遥感估算方法在大范围获取作物收获指数空间信息的可行性和有效性,以我国黄淮海平原河北省衡水市为研究区,以冬小麦为研究对象,在前期田间冠层尺度确定作物收获指数估算敏感波段中心和最大波段宽度基础上,利用哨兵-2A(Sentinel-2A)遥感模拟反射率数据及其真实遥感数据开展基于花后累积地上生物量比例的区域冬小麦收获指数遥感估算研究。在基于不同波段组合Sentinel-2A遥感模拟数据筛选出的冬小麦动态收获指数估算最优波段信息基础上,利用Sentinel-2A影像数据实现区域作物收获指数空间信息准确获取。结果表明,在Sentinel-2A多光谱遥感模拟反射率波段λ1（672~680nm）和λ2（855~875nm）条件下,基于D-fG遥感参数信息的D-HI估测精度最高,其中,均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）和平均相对误差（MRE）分别为0.0404、10.83%、9.56%,证明Sentinel-2A卫星遥感数据在冬小麦收获指数估算中具有一定应用潜力。同时,在估测D-HI精度最高的模拟遥感数据波段信息基础上,基于Sentinel-2A卫星遥感红光和窄近红外波段组合的灌浆期不同阶段和成熟期D-HI估测区域总体验证精度指标RMSE、NRMSE和MRE分别为0.0502、13.81%、12.00%。上述结果表明基于Sentinel-2A卫星数据和花后累积地上生物量比例的作物动态收获指数遥感估算方法在大范围D-HI空间信息获取中具有一定可行性和有效性,为基于宽波段多光谱卫星遥感数据的大范围作物动态收获指数空间信息准确获取提供一定技术方法借鉴。