蘆杰+婁玉欽+姚麗

摘要：基于MODIS EVI構(gòu)建的時(shí)間序列譜，結(jié)合冬小麥生育期形態(tài)變化特征，提取了河南省冬小麥種植面積。結(jié)果表明，冬小麥在EVI特征空間中具有獨(dú)特的序列譜相特征，返青期后冬小麥整體EVI表現(xiàn)為逐漸升高，EVI在開花期后下降，灌漿后期快速降低；采用決策樹分類方法實(shí)現(xiàn)冬小麥分離提取，整個(gè)河南省冬小麥識(shí)別面積與官方統(tǒng)計(jì)面積僅相差482.00×103 hm2，精度達(dá)到90.88%；EVI時(shí)間序列譜反映的作物生長(zhǎng)過程的生理意義明確，采用MODIS EVI時(shí)間序列譜的遙感分類方法可以較好地實(shí)現(xiàn)冬小麥的遙感分類提取，滿足冬小麥的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和遙感估產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞：MODIS EVI；冬小麥種植面積；EVI時(shí)間序列；EVI時(shí)序數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）19-4727-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.058

Extraction of Winter Wheat Planting Area Based on Data of MODIS EVI Time-series

LU Jie1， LOU Yu-qin1， YAO Li2

（1.College of Environment and Planning，Shangqiu Normal Univeisity，Shangqiu 476000， Henan，China；2. School of Geographical Science，Northeast Normal University，Changchun 130024， Jilin，China）

Abstract： Using the MODIS EVI series in integrated with the growth status of winter wheat， the growing area of winter wheat in Henan province was extracted. The results showed that in EVI′s feature space， the winter wheat had its unique spectrum series trait. After green-up， the EVI of the winter wheat had an overall gradual increasing trend and then followed a decreasing trend after flowering. The decreasing rate became higher after grouting. The decision tree classifier （CART） was used to extract the winter wheat growing area. There was a minor 482 000 hm2 of difference between extracted number and the number officially publicized. The accuracy of extracted winter wheat growing area reached 90.88%. The EVI time series spectrum can clearly reflect the physical meanings of crop growth. Using the remote sensing classification method of the MODIS EVI time series spectrum can accurately extract the winter wheat growing area， and meet the needs of monitoring winter wheat growth and yield estimation by remote sensing.

Key words： MODIS EVI； winter wheat planting area； EVI time-series； EVI time-series data

利用遙感技術(shù)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況及病蟲害發(fā)生程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是農(nóng)業(yè)遙感的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前常用的遙感數(shù)據(jù)主要有LANDSAT-TM、NOAA/AVHRR、SPOT、MODIS。與其他數(shù)據(jù)相比，MODIS數(shù)據(jù)具有精度相對(duì)較高，每天可以免費(fèi)獲取幾條軌道的數(shù)據(jù)，有助于降低業(yè)務(wù)成本等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)冬小麥的種植面積監(jiān)測(cè)[1]具有重要的實(shí)踐意義。

植被指數(shù)是植被生長(zhǎng)狀況和濃密程度的體現(xiàn)，植被指數(shù)的時(shí)間序列能夠反應(yīng)植被在時(shí)間維度上的生長(zhǎng)變化，應(yīng)用植被指數(shù)可以有效提取植被信息。應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)是增強(qiáng)型植被指數(shù)EVI和歸一化植被指數(shù)NDVI[2]，研究表明EVI相對(duì)于NDVI優(yōu)點(diǎn)更多[3]。目前國(guó)內(nèi)很多學(xué)者利用MODIS EVI時(shí)序數(shù)據(jù)提取植被指數(shù)信息。王立輝等[4]基于時(shí)序MODIS-EVI監(jiān)測(cè)華中地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)；劉麗娟等[5]基于時(shí)間序列MODIS EVI數(shù)據(jù)對(duì)森林生長(zhǎng)異常進(jìn)行監(jiān)測(cè)；孫成明等[6]將MODIS應(yīng)用在草地生態(tài)系統(tǒng)研究中；左麗君等[3]基于MODIS EVI 對(duì)冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行遙感預(yù)測(cè)研究。本研究探討利用250 m分辨率的MODIS EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，研究不同生態(tài)區(qū)劃下冬小麥種植面積的監(jiān)測(cè)方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在河南，河南為農(nóng)業(yè)大省，其小麥的種植面積居全國(guó)首位，總產(chǎn)量占全國(guó)的1/4，是全國(guó)最大的小麥主產(chǎn)區(qū)，地處沿海開放地區(qū)與中西部地區(qū)的結(jié)合部，具有獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢(shì)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究采用2012年10中旬至2013年6月中旬NASA USGS提供的MODIS NDVI/EVI MOD13Q1的遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d。雖然MODIS NDVI/EVI都采用了MVC或CV-MVC方法合成數(shù)據(jù)，處理了一些誤差，如太陽高度角、觀測(cè)角度引起的影響，以及云、水汽、氣溶膠和傳感器精度變化干擾等，但對(duì)于局部受云層等因素的影響仍需進(jìn)行平滑處理[7]。

對(duì)遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程：①坐標(biāo)變換。將MODIS NDVI/EVI數(shù)據(jù)變換到統(tǒng)一的UTM 50N zone坐標(biāo)系下。②研究區(qū)提取。利用河南省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)提取研究區(qū)內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)，主要方法是利用ENVI軟件/ArcGIS軟件進(jìn)行掩膜提取。③合成時(shí)序數(shù)據(jù)集進(jìn)行平滑處理。利用ENVI軟件進(jìn)行波段合成，按照時(shí)間得到時(shí)序數(shù)據(jù)集；對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)集采用Sacitzky-Golay濾波平滑處理，消除部分地區(qū)云層等因素的影響，得到新的數(shù)據(jù)集。

本研究采用的其他數(shù)據(jù)集有河南省主要農(nóng)作物的農(nóng)時(shí)歷數(shù)據(jù)，河南省農(nóng)業(yè)區(qū)劃辦公廳提供的河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃數(shù)據(jù)，最新的1∶25萬的河南省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及來自北京師范大學(xué)的2012年河南省冬小麥豐度圖數(shù)據(jù)等。

1.3 提取方法及主要流程

河南省冬小麥種植面積的提取方法主要依據(jù)農(nóng)作物在不同階段及不同地域條件下的EVI指數(shù)不同的特點(diǎn)和冬小麥的EVI曲線，結(jié)合冬小麥的物候歷，提取冬小麥在不同生育期的特征參數(shù)，對(duì)這些參數(shù)應(yīng)用決策樹分類法提取河南省冬小麥的種植面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生育期特征

冬小麥有11個(gè)生育期，時(shí)間一般為230～240 d，通常10月上旬播種，10月中旬出苗，11月上旬分蘗，12月上旬進(jìn)入越冬期，在越冬期冬小麥地面以上部分停止生長(zhǎng)，次年3月上旬返青，4月中旬拔節(jié)，4月下旬孕穗，5月中旬開花，6月中旬成熟收獲。氣候和環(huán)境條件對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)影響很大，導(dǎo)致冬小麥的生育期在不同條件下有所差別。河南省跨度較大，冬小麥南北生育期的差別可以達(dá)到10～20 d，因此需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)河南省的冬小麥進(jìn)行分區(qū)研究。

2.2 河南省冬小麥生態(tài)區(qū)劃

考慮全省的氣候和環(huán)境條件等影響因素，參照河南省農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室提供的區(qū)劃圖（圖1），將河南省劃分為5個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域：豫東地區(qū)、豫西地區(qū)、豫南地區(qū)、豫中南地區(qū)和豫北地區(qū)[8]。

2.3 冬小麥MODIS EVI時(shí)間譜曲線

以河南省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)提取的河南省耕地?cái)?shù)據(jù)為掩膜，處理2012年河南省冬小麥的豐度數(shù)據(jù)得到冬小麥種植面積。使用Sacitzky-Golay濾波對(duì)2012-2013年冬小麥生育期內(nèi)的MODIS EVI時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，再進(jìn)行掩膜處理得到冬小麥的EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)。應(yīng)用ENVI軟件統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同階段的像元均值得到冬小麥的EVI均值，以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)得到河南省冬小麥的EVI時(shí)間序列曲線，反映了冬小麥生育期內(nèi)EVI值的變化。同理計(jì)算各區(qū)域的EVI值，得到河南省冬小麥EVI時(shí)間譜曲線（圖2），以此反映河南省各監(jiān)測(cè)區(qū)域的冬小麥生育期內(nèi)的EVI值變化。

如圖2所示，隨著冬小麥的EVI時(shí)間序列曲線變化，冬小麥出苗后迅速生長(zhǎng)，EVI值在第3個(gè)16 d達(dá)到第一個(gè)極大值，第7個(gè)16 d降到第一個(gè)極小值，隨后在第11或12個(gè)16 d達(dá)到最大值又迅速下降。結(jié)合冬小麥的實(shí)際生長(zhǎng)過程，冬小麥生長(zhǎng)出苗后分蘗生長(zhǎng)，分蘗期，在生長(zhǎng)區(qū)域的麥苗和地表的共同作用下EVI值達(dá)到第一個(gè)極大值；隨后由于氣溫下降，冬小麥基本停止生長(zhǎng)進(jìn)入越冬期，在越冬期內(nèi)EVI值達(dá)到第一個(gè)極小值；隨著氣溫回升，良好的光熱條件使冬小麥快速返青拔節(jié)生長(zhǎng)，表現(xiàn)為EVI值逐漸增加，第11個(gè)16 d冬小麥基本覆蓋地表，到第12個(gè)16 d左右EVI值達(dá)到最大值；冬小麥開花期和灌漿期之后進(jìn)入成熟期，冬小麥的EVI值開始降低，具體表現(xiàn)為葉片葉綠素的減少。由此可知，冬小麥獨(dú)特的EVI時(shí)間序列變化特征為應(yīng)用遙感提取冬小麥種植面積奠定了基礎(chǔ)。

2.4 冬小麥種植面積的提取

河南省冬小麥生育期從每年的10月中旬到次年6月中旬大致經(jīng)歷15個(gè)16 d。由圖2可知，冬小麥生育期內(nèi)的EVI值變化反映出，冬小麥在進(jìn)入越冬期前分別在11月下旬和12月上旬達(dá)到峰值，期間EVI值在極大值和極小值范圍波動(dòng)。根據(jù)第1、3、5時(shí)段EVI值關(guān)系（b1

2.5 驗(yàn)證與分析

由圖3可知，河南省冬小麥主要分布在豫北地區(qū)、豫東地區(qū)和豫中南地區(qū)。駐馬店、南陽、周口、商丘、新鄉(xiāng)、安陽、開封、濮陽及平頂山等地冬小麥種植面積較大。將提取得到的河南省各地市冬小麥種植面積與2012年河南統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示。

由表1可知，提取的冬小麥種植面積精度為90.88%，比官方統(tǒng)計(jì)的面積（5 287.87×103 hm2）大，主要存在兩個(gè)方面的原因，一方面由于2012年河南省冬小麥種植面積有所增加；另一方面由于 MODIS數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m，存在混合像元的問題。因此，統(tǒng)計(jì)結(jié)果比實(shí)際情況偏大具有一定的合理性。除了駐馬店市的統(tǒng)計(jì)面積相差較大外，其他地市面積相差不大。由此得出，通過MODIS EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)提取的河南省耕地面積精度較高。

3 小結(jié)與討論

冬小麥?zhǔn)侵袊?guó)主要的糧食作物，利用遙感技術(shù)獲取冬小麥種植面積與分布對(duì)于研究糧食區(qū)域平衡，預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)資源綜合生產(chǎn)能力以及產(chǎn)量預(yù)測(cè)具有重要的意義。采用NASA USGS提供的2012年10月至2013年6月MODIS NDVI/EVI MOD13Q1的遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合冬小麥生育期形態(tài)變化特征，以MODIS EVI構(gòu)建的時(shí)間序列譜對(duì)河南省冬小麥種植面積的提取方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明冬小麥EVI值的變化具有獨(dú)特的序列特征，冬小麥EVI值在返青后逐漸升高，開花期后下降，灌漿后期快速降低；采用決策樹分類方法實(shí)現(xiàn)冬小麥分離提取，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析與驗(yàn)證；EVI時(shí)間序列譜反映的作物生長(zhǎng)過程的生理意義明確，采用MODIS EVI時(shí)間序列譜的遙感監(jiān)測(cè)提取的冬小麥種植面積精度較高，能夠滿足冬小麥的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和遙感產(chǎn)量估算的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈建華，劉良云，競(jìng) 霞，等.基于多時(shí)相MODIS監(jiān)測(cè)冬小麥的種植面積[J].遙感信息，2005（6）：49-51.

[2] 張 霞，帥 通，楊 杭，等.基于MODIS EVI圖像時(shí)間序列的冬小麥面積提取[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（1）：220-224.

[3] 左麗君，張?jiān)鱿?，董婷婷，?MODIS/NDVI 和MODIS/EVI在耕地信息提取中的應(yīng)用及對(duì)比分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（3）：167-172.

[4] 王立輝，黃進(jìn)良，孫俊英.基于時(shí)序MODIS-EVI監(jiān)測(cè)華中地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2010（5）：529-534.

[5] 劉麗娟，龐 勇.基于時(shí)間序列MODIS EVI數(shù)據(jù)的森林生長(zhǎng)異常監(jiān)測(cè)[J].林業(yè)科學(xué)，2012（2）：54-62.

[6] 孫成明，孫政國(guó)，穆少杰，等.基于MODIS的植被指數(shù)模型及其在草地生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27（22）：84-88.

[7] RATANA P，HUETE A R，YUAN Y.Interrelation among Moids vegetation products across an Amazon Eco-climatic Gradient[A].IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings[C].Korea：Seoul，IGARSS，2005.3009-3012.

[8] 陳懷亮，鄧 偉，張雪芬，等.河南小麥生產(chǎn)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析及區(qū)劃[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2006，15（1）：135-143.

1.2 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究采用2012年10中旬至2013年6月中旬NASA USGS提供的MODIS NDVI/EVI MOD13Q1的遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d。雖然MODIS NDVI/EVI都采用了MVC或CV-MVC方法合成數(shù)據(jù)，處理了一些誤差，如太陽高度角、觀測(cè)角度引起的影響，以及云、水汽、氣溶膠和傳感器精度變化干擾等，但對(duì)于局部受云層等因素的影響仍需進(jìn)行平滑處理[7]。

對(duì)遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程：①坐標(biāo)變換。將MODIS NDVI/EVI數(shù)據(jù)變換到統(tǒng)一的UTM 50N zone坐標(biāo)系下。②研究區(qū)提取。利用河南省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)提取研究區(qū)內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)，主要方法是利用ENVI軟件/ArcGIS軟件進(jìn)行掩膜提取。③合成時(shí)序數(shù)據(jù)集進(jìn)行平滑處理。利用ENVI軟件進(jìn)行波段合成，按照時(shí)間得到時(shí)序數(shù)據(jù)集；對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)集采用Sacitzky-Golay濾波平滑處理，消除部分地區(qū)云層等因素的影響，得到新的數(shù)據(jù)集。

本研究采用的其他數(shù)據(jù)集有河南省主要農(nóng)作物的農(nóng)時(shí)歷數(shù)據(jù)，河南省農(nóng)業(yè)區(qū)劃辦公廳提供的河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃數(shù)據(jù)，最新的1∶25萬的河南省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及來自北京師范大學(xué)的2012年河南省冬小麥豐度圖數(shù)據(jù)等。

1.3 提取方法及主要流程

河南省冬小麥種植面積的提取方法主要依據(jù)農(nóng)作物在不同階段及不同地域條件下的EVI指數(shù)不同的特點(diǎn)和冬小麥的EVI曲線，結(jié)合冬小麥的物候歷，提取冬小麥在不同生育期的特征參數(shù)，對(duì)這些參數(shù)應(yīng)用決策樹分類法提取河南省冬小麥的種植面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生育期特征

冬小麥有11個(gè)生育期，時(shí)間一般為230～240 d，通常10月上旬播種，10月中旬出苗，11月上旬分蘗，12月上旬進(jìn)入越冬期，在越冬期冬小麥地面以上部分停止生長(zhǎng)，次年3月上旬返青，4月中旬拔節(jié)，4月下旬孕穗，5月中旬開花，6月中旬成熟收獲。氣候和環(huán)境條件對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)影響很大，導(dǎo)致冬小麥的生育期在不同條件下有所差別。河南省跨度較大，冬小麥南北生育期的差別可以達(dá)到10～20 d，因此需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)河南省的冬小麥進(jìn)行分區(qū)研究。

2.2 河南省冬小麥生態(tài)區(qū)劃

考慮全省的氣候和環(huán)境條件等影響因素，參照河南省農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室提供的區(qū)劃圖（圖1），將河南省劃分為5個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域：豫東地區(qū)、豫西地區(qū)、豫南地區(qū)、豫中南地區(qū)和豫北地區(qū)[8]。

2.3 冬小麥MODIS EVI時(shí)間譜曲線

以河南省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)提取的河南省耕地?cái)?shù)據(jù)為掩膜，處理2012年河南省冬小麥的豐度數(shù)據(jù)得到冬小麥種植面積。使用Sacitzky-Golay濾波對(duì)2012-2013年冬小麥生育期內(nèi)的MODIS EVI時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，再進(jìn)行掩膜處理得到冬小麥的EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)。應(yīng)用ENVI軟件統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同階段的像元均值得到冬小麥的EVI均值，以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)得到河南省冬小麥的EVI時(shí)間序列曲線，反映了冬小麥生育期內(nèi)EVI值的變化。同理計(jì)算各區(qū)域的EVI值，得到河南省冬小麥EVI時(shí)間譜曲線（圖2），以此反映河南省各監(jiān)測(cè)區(qū)域的冬小麥生育期內(nèi)的EVI值變化。

如圖2所示，隨著冬小麥的EVI時(shí)間序列曲線變化，冬小麥出苗后迅速生長(zhǎng)，EVI值在第3個(gè)16 d達(dá)到第一個(gè)極大值，第7個(gè)16 d降到第一個(gè)極小值，隨后在第11或12個(gè)16 d達(dá)到最大值又迅速下降。結(jié)合冬小麥的實(shí)際生長(zhǎng)過程，冬小麥生長(zhǎng)出苗后分蘗生長(zhǎng)，分蘗期，在生長(zhǎng)區(qū)域的麥苗和地表的共同作用下EVI值達(dá)到第一個(gè)極大值；隨后由于氣溫下降，冬小麥基本停止生長(zhǎng)進(jìn)入越冬期，在越冬期內(nèi)EVI值達(dá)到第一個(gè)極小值；隨著氣溫回升，良好的光熱條件使冬小麥快速返青拔節(jié)生長(zhǎng)，表現(xiàn)為EVI值逐漸增加，第11個(gè)16 d冬小麥基本覆蓋地表，到第12個(gè)16 d左右EVI值達(dá)到最大值；冬小麥開花期和灌漿期之后進(jìn)入成熟期，冬小麥的EVI值開始降低，具體表現(xiàn)為葉片葉綠素的減少。由此可知，冬小麥獨(dú)特的EVI時(shí)間序列變化特征為應(yīng)用遙感提取冬小麥種植面積奠定了基礎(chǔ)。

2.4 冬小麥種植面積的提取

河南省冬小麥生育期從每年的10月中旬到次年6月中旬大致經(jīng)歷15個(gè)16 d。由圖2可知，冬小麥生育期內(nèi)的EVI值變化反映出，冬小麥在進(jìn)入越冬期前分別在11月下旬和12月上旬達(dá)到峰值，期間EVI值在極大值和極小值范圍波動(dòng)。根據(jù)第1、3、5時(shí)段EVI值關(guān)系（b1

2.5 驗(yàn)證與分析

由圖3可知，河南省冬小麥主要分布在豫北地區(qū)、豫東地區(qū)和豫中南地區(qū)。駐馬店、南陽、周口、商丘、新鄉(xiāng)、安陽、開封、濮陽及平頂山等地冬小麥種植面積較大。將提取得到的河南省各地市冬小麥種植面積與2012年河南統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示。

由表1可知，提取的冬小麥種植面積精度為90.88%，比官方統(tǒng)計(jì)的面積（5 287.87×103 hm2）大，主要存在兩個(gè)方面的原因，一方面由于2012年河南省冬小麥種植面積有所增加；另一方面由于 MODIS數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m，存在混合像元的問題。因此，統(tǒng)計(jì)結(jié)果比實(shí)際情況偏大具有一定的合理性。除了駐馬店市的統(tǒng)計(jì)面積相差較大外，其他地市面積相差不大。由此得出，通過MODIS EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)提取的河南省耕地面積精度較高。

3 小結(jié)與討論

冬小麥?zhǔn)侵袊?guó)主要的糧食作物，利用遙感技術(shù)獲取冬小麥種植面積與分布對(duì)于研究糧食區(qū)域平衡，預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)資源綜合生產(chǎn)能力以及產(chǎn)量預(yù)測(cè)具有重要的意義。采用NASA USGS提供的2012年10月至2013年6月MODIS NDVI/EVI MOD13Q1的遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合冬小麥生育期形態(tài)變化特征，以MODIS EVI構(gòu)建的時(shí)間序列譜對(duì)河南省冬小麥種植面積的提取方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明冬小麥EVI值的變化具有獨(dú)特的序列特征，冬小麥EVI值在返青后逐漸升高，開花期后下降，灌漿后期快速降低；采用決策樹分類方法實(shí)現(xiàn)冬小麥分離提取，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析與驗(yàn)證；EVI時(shí)間序列譜反映的作物生長(zhǎng)過程的生理意義明確，采用MODIS EVI時(shí)間序列譜的遙感監(jiān)測(cè)提取的冬小麥種植面積精度較高，能夠滿足冬小麥的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和遙感產(chǎn)量估算的需要。

參考文獻(xiàn)：

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[8] 陳懷亮，鄧 偉，張雪芬，等.河南小麥生產(chǎn)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析及區(qū)劃[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2006，15（1）：135-143.

1.2 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究采用2012年10中旬至2013年6月中旬NASA USGS提供的MODIS NDVI/EVI MOD13Q1的遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d。雖然MODIS NDVI/EVI都采用了MVC或CV-MVC方法合成數(shù)據(jù)，處理了一些誤差，如太陽高度角、觀測(cè)角度引起的影響，以及云、水汽、氣溶膠和傳感器精度變化干擾等，但對(duì)于局部受云層等因素的影響仍需進(jìn)行平滑處理[7]。

對(duì)遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程：①坐標(biāo)變換。將MODIS NDVI/EVI數(shù)據(jù)變換到統(tǒng)一的UTM 50N zone坐標(biāo)系下。②研究區(qū)提取。利用河南省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)提取研究區(qū)內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)，主要方法是利用ENVI軟件/ArcGIS軟件進(jìn)行掩膜提取。③合成時(shí)序數(shù)據(jù)集進(jìn)行平滑處理。利用ENVI軟件進(jìn)行波段合成，按照時(shí)間得到時(shí)序數(shù)據(jù)集；對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)集采用Sacitzky-Golay濾波平滑處理，消除部分地區(qū)云層等因素的影響，得到新的數(shù)據(jù)集。

本研究采用的其他數(shù)據(jù)集有河南省主要農(nóng)作物的農(nóng)時(shí)歷數(shù)據(jù)，河南省農(nóng)業(yè)區(qū)劃辦公廳提供的河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃數(shù)據(jù)，最新的1∶25萬的河南省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及來自北京師范大學(xué)的2012年河南省冬小麥豐度圖數(shù)據(jù)等。

1.3 提取方法及主要流程

河南省冬小麥種植面積的提取方法主要依據(jù)農(nóng)作物在不同階段及不同地域條件下的EVI指數(shù)不同的特點(diǎn)和冬小麥的EVI曲線，結(jié)合冬小麥的物候歷，提取冬小麥在不同生育期的特征參數(shù)，對(duì)這些參數(shù)應(yīng)用決策樹分類法提取河南省冬小麥的種植面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生育期特征

冬小麥有11個(gè)生育期，時(shí)間一般為230～240 d，通常10月上旬播種，10月中旬出苗，11月上旬分蘗，12月上旬進(jìn)入越冬期，在越冬期冬小麥地面以上部分停止生長(zhǎng)，次年3月上旬返青，4月中旬拔節(jié)，4月下旬孕穗，5月中旬開花，6月中旬成熟收獲。氣候和環(huán)境條件對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)影響很大，導(dǎo)致冬小麥的生育期在不同條件下有所差別。河南省跨度較大，冬小麥南北生育期的差別可以達(dá)到10～20 d，因此需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)河南省的冬小麥進(jìn)行分區(qū)研究。

2.2 河南省冬小麥生態(tài)區(qū)劃

考慮全省的氣候和環(huán)境條件等影響因素，參照河南省農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室提供的區(qū)劃圖（圖1），將河南省劃分為5個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域：豫東地區(qū)、豫西地區(qū)、豫南地區(qū)、豫中南地區(qū)和豫北地區(qū)[8]。

2.3 冬小麥MODIS EVI時(shí)間譜曲線

以河南省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)提取的河南省耕地?cái)?shù)據(jù)為掩膜，處理2012年河南省冬小麥的豐度數(shù)據(jù)得到冬小麥種植面積。使用Sacitzky-Golay濾波對(duì)2012-2013年冬小麥生育期內(nèi)的MODIS EVI時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，再進(jìn)行掩膜處理得到冬小麥的EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)。應(yīng)用ENVI軟件統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同階段的像元均值得到冬小麥的EVI均值，以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)得到河南省冬小麥的EVI時(shí)間序列曲線，反映了冬小麥生育期內(nèi)EVI值的變化。同理計(jì)算各區(qū)域的EVI值，得到河南省冬小麥EVI時(shí)間譜曲線（圖2），以此反映河南省各監(jiān)測(cè)區(qū)域的冬小麥生育期內(nèi)的EVI值變化。

如圖2所示，隨著冬小麥的EVI時(shí)間序列曲線變化，冬小麥出苗后迅速生長(zhǎng)，EVI值在第3個(gè)16 d達(dá)到第一個(gè)極大值，第7個(gè)16 d降到第一個(gè)極小值，隨后在第11或12個(gè)16 d達(dá)到最大值又迅速下降。結(jié)合冬小麥的實(shí)際生長(zhǎng)過程，冬小麥生長(zhǎng)出苗后分蘗生長(zhǎng)，分蘗期，在生長(zhǎng)區(qū)域的麥苗和地表的共同作用下EVI值達(dá)到第一個(gè)極大值；隨后由于氣溫下降，冬小麥基本停止生長(zhǎng)進(jìn)入越冬期，在越冬期內(nèi)EVI值達(dá)到第一個(gè)極小值；隨著氣溫回升，良好的光熱條件使冬小麥快速返青拔節(jié)生長(zhǎng)，表現(xiàn)為EVI值逐漸增加，第11個(gè)16 d冬小麥基本覆蓋地表，到第12個(gè)16 d左右EVI值達(dá)到最大值；冬小麥開花期和灌漿期之后進(jìn)入成熟期，冬小麥的EVI值開始降低，具體表現(xiàn)為葉片葉綠素的減少。由此可知，冬小麥獨(dú)特的EVI時(shí)間序列變化特征為應(yīng)用遙感提取冬小麥種植面積奠定了基礎(chǔ)。

2.4 冬小麥種植面積的提取

河南省冬小麥生育期從每年的10月中旬到次年6月中旬大致經(jīng)歷15個(gè)16 d。由圖2可知，冬小麥生育期內(nèi)的EVI值變化反映出，冬小麥在進(jìn)入越冬期前分別在11月下旬和12月上旬達(dá)到峰值，期間EVI值在極大值和極小值范圍波動(dòng)。根據(jù)第1、3、5時(shí)段EVI值關(guān)系（b1

2.5 驗(yàn)證與分析

由圖3可知，河南省冬小麥主要分布在豫北地區(qū)、豫東地區(qū)和豫中南地區(qū)。駐馬店、南陽、周口、商丘、新鄉(xiāng)、安陽、開封、濮陽及平頂山等地冬小麥種植面積較大。將提取得到的河南省各地市冬小麥種植面積與2012年河南統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示。

由表1可知，提取的冬小麥種植面積精度為90.88%，比官方統(tǒng)計(jì)的面積（5 287.87×103 hm2）大，主要存在兩個(gè)方面的原因，一方面由于2012年河南省冬小麥種植面積有所增加；另一方面由于 MODIS數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m，存在混合像元的問題。因此，統(tǒng)計(jì)結(jié)果比實(shí)際情況偏大具有一定的合理性。除了駐馬店市的統(tǒng)計(jì)面積相差較大外，其他地市面積相差不大。由此得出，通過MODIS EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)提取的河南省耕地面積精度較高。

3 小結(jié)與討論

冬小麥?zhǔn)侵袊?guó)主要的糧食作物，利用遙感技術(shù)獲取冬小麥種植面積與分布對(duì)于研究糧食區(qū)域平衡，預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)資源綜合生產(chǎn)能力以及產(chǎn)量預(yù)測(cè)具有重要的意義。采用NASA USGS提供的2012年10月至2013年6月MODIS NDVI/EVI MOD13Q1的遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合冬小麥生育期形態(tài)變化特征，以MODIS EVI構(gòu)建的時(shí)間序列譜對(duì)河南省冬小麥種植面積的提取方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明冬小麥EVI值的變化具有獨(dú)特的序列特征，冬小麥EVI值在返青后逐漸升高，開花期后下降，灌漿后期快速降低；采用決策樹分類方法實(shí)現(xiàn)冬小麥分離提取，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析與驗(yàn)證；EVI時(shí)間序列譜反映的作物生長(zhǎng)過程的生理意義明確，采用MODIS EVI時(shí)間序列譜的遙感監(jiān)測(cè)提取的冬小麥種植面積精度較高，能夠滿足冬小麥的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和遙感產(chǎn)量估算的需要。

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