地球信息科学学报 ›› 2021, Vol. 23 ›› Issue (7): 1169-1184.doi: 10.12082/dqxxkx.2021.200465
葛中曦1,2,3(), 黄静1,2,3, 赖佩玉1,2,3, 郝斌飞4, 赵银军5,6, 马明国1,2,3,*(
)
收稿日期:
2020-08-15
修回日期:
2020-09-25
出版日期:
2021-07-25
发布日期:
2021-09-25
通讯作者:
马明国
作者简介:
葛中曦(1989— ),男,云南腾冲人,博士生,研究方向为环境遥感。E-mail: zhongxige0710@163.com
基金资助:
GE Zhongxi1,2,3(), HUANG Jing1,2,3, LAI Peiyu1,2,3, HAO Binfei4, ZHAO Yinjun5,6, MA Mingguo1,2,3,*(
)
Received:
2020-08-15
Revised:
2020-09-25
Online:
2021-07-25
Published:
2021-09-25
Contact:
MA Mingguo
Supported by:
摘要:
复种指数是进行粮食估产、耕地集约利用评价、农业生态系统模拟等的关键参数,及时、准确地提取复种指数对于粮食安全、土地管理和生态环境安全具有重要意义。在传统的研究中,复种指数主要来源于地面统计数据。使用统计数据来计算复种指数虽然过程简单,但是计算结果存在信息滞后、无法体现统计单元内部的空间异质性、精度低等不足。遥感技术因具有大范围、高时效、低成本等优点而被用于耕地复种指数监测,已有学者对耕地复种指数的遥感监测开展了大量工作。本文以复种指数遥感提取的关键环节为主线,对1997—2020年国内外相关研究进行综述:首先,梳理了已有研究中的监测方法、高质量时间序列遥感数据获取方法及提取结果精度验证方法,并对不同方法的优缺点进行了总结;其次,对已有研究中存在的不足进行了探讨,并提出未来研究的侧重点:① 开展已有监测方法的对比和分析;② 加强地形复杂地区、小农尺度的监测力度;③ 提高遥感数据时空分辨率及处理效率;④ 对提取结果进行多尺度验证。
葛中曦, 黄静, 赖佩玉, 郝斌飞, 赵银军, 马明国. 耕地复种指数遥感监测研究进展[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(7): 1169-1184.DOI:10.12082/dqxxkx.2021.200465
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表1
复种指数监测方法对比
监测 方法 | 是否需要去噪重建 | 优点 | 缺点 | 辅助 数据 | 复种指数提取 限制条件 | 代表 文献 | 应用 范围 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
特征时相分离法 | - | 否 | ① 只需部分时相遥感数据 ② 对遥感数据的时间分辨率要求低 ③ 信息提取速度快 | ① 需要对研究区的作物类型及种植模式比较熟悉 ② 适用范围有限 | ① 土地利用数据 ② 物候观测数据 | 无 | Panigraphy 等[ 等[ | 印度孟加拉邦、河西走廊、我国南方稻区 |
曲线特征对比法 | 交叉拟合度检验法 | 是 | ① 充分利用曲线信息 ② 样本曲线和标准曲线之间的比较定量且客观 | ① 对典型样点的依赖性较大,典型样点存在错选、漏选的可能 ② 由于交叉拟合度对较短时间的波动敏感性低,影响高频复种模式的精度 | ① 种植制度区划图 ② 植被矢量图 ③ 物候观测数据 | 生长季长度最小值 | 辜智慧[ | 我国大陆 地区 |
形状匹配法 | 否 | ① 不需对时间序列遥感数据去噪重建,直接从时间序列曲线中提取熟制信息 ② 模型仅需两个输入参数,且参数直接来源于时间序列曲线 | ① 关键参数之一的作物最小生长振幅的阈值需人为确定 ② 存在迭代过程,信息提取耗时长 | ① 土地利用数据 ② 物候观测数据 | 作物生长幅度 最小值 | Liu等[ | 江苏省 | |
峰值点探测法 | 二次差分法 | 是 | 原理简单、算法容易实现 | 对曲线的峰较敏感,需要多个限制条件去除“伪波峰” | ① 土地利用数据 ② 物候观测数据 ③ 植被矢量图 ④ 种植制度区划图 ⑤ 气象数据 | ① 峰值点植被指数的最小值 ② 可能的峰值点振幅占曲线最大振幅的比例 ③ 峰值点出现的最早、最晚时间 ④ 最短生长季间隔 ⑤ 不同熟制年积温最小值 | 范锦龙等[ | 全球主要粮食产区、我国大陆地区、华北平原、太湖流域、江西进贤县等 |
特征点检 测法 | 是 | 原理简单、算法容易实现 | ① 要求去噪重建后的时间序列曲线平滑 ② 需要限制条件去除“伪波峰” | ① 土地利用数据 ② 物候观测数据 ③ 气象数据 | ① 不同熟制年积温最小值 ② 峰值点植被指数的最小值 ③ 峰值点出现前后曲线的单调性 | 闫慧敏等[ | 全球典型农作区、我国大陆地区、湄公河三角洲 | |
峰值点探测法 | 邻域比较法 | 是 | 原理简单、算法容易实现 | 需要限制条件去除“伪波峰” | 土地利用数据 | ① 峰值点植被指数的最小值 ② 可能的峰值点振幅占曲线最大振幅的比例 | Galford等[ Wu等[ | 全球、巴西马托格罗索州 |
滑动分割法 | 是 | ① 原理简单、算法容易实现 ② 不需熟制分区、物候等辅助数据 | 已有研究中部分地区提取结果精度与统计数据、前人结果存在较大差异 | 土地利用数据 | 峰值点植被指数的最小值 | 刘爽等[ | 我国大陆地区 | |
监测 方法 | 是否需要去噪重建 | 优点 | 缺点 | 辅助 数据 | 复种指数提取 限制条件 | 代表 文献 | 应用 范围 | |
线性混合模型法 | - | 是 | 以少量的端元作为辅助信息即可获得较大区域的复种指数 | ① 端元选取严格,异质性较高区域精度低 ② 应用于小范围时精度低 | 土地利用数据 | 无 | Chen等[ Jain等[ | 湄公河三角洲上游、印度古吉拉特邦和中央邦 |
层次训练法 | - | 是 | 仅需样区关键生长期的高分辨率影像即可获得较大范围的复种指数 | 受关键生长季高分辨率影像可得性限制较大 | 土地利用数据 | 无 | Jain等[ | 印度古吉拉特邦和中央邦 |
连续小波变换法 | - | 否 | ① 不需要对时间序列遥感数据去噪重建,直接从时间序列曲线中提取熟制信息 ② 将时间序列数据转换为时间-频率信号,有效地避免了曲线波动的影响 | 需要人为确定特征峰阈值,区分一熟和两熟的阈值较难确定 | 土地利用数据 | 特征峰阈值 | Qiu等[ Qiu等[ | 河南省、全国 |
生长周期判断法 | 关键物候参数比较法 | 是 | ① 原理简单、算法容易实现 ② 可以区分农作物和自然植被,提高了研究对象的准确性 ③ 能够识别跨年际复种模式 | ① 为了设置合理的物候参数阈值,需要对研究区的作物种植信息比较了解 ② 采用同一阈值确定不同作物物候期,可能影响提取结果的精度 | ① 土地利用数据 ② 物候观测数据 | ① 生长季长度最小值、最大值 ② 生长曲线变化幅度最小值 | Liu等[ | 河南省 |
全生长过程模拟法 | 是 | ① 使用地表水指数进行作物播种前和收割后的耕地状态判定,有效地避免了“伪波峰”的干扰 ② 基于作物生长全过程进行建模,更加符合作物生理特点 ③ 该方法考虑了多种复种模式,适用场景较广 | 受影像质量和植被类型差异影响,可能存在预先设置生长季最大NDVI阈值无法区分作物和自然植被的情况 | ① 土地利用数据 ② 物候观测数据 | ① 区分作物和自然植被的NDVI阈值 ② 识别裸土的LSWI阈值 | Liu等[ | 我国7个代表性粮食产区 | |
时间序列分箱法 | - | 是 | ① 充分利用遥感数据多波段信息,弥补了单一植被指数提取熟制信息的不足 ② 可以同时兼顾大范围和高精度 | ① 遥感数据收集和处理的工作量较大 ② 低纬度、多云多雨地区受天气影响较大,该方法可能不适用 | 数字高程模型 | 无 | Rufin等[ | 土耳其 |
表2
应用于复种指数监测的主要遥感卫星数据源
卫星 | 传感器 | 数据类型 | 空间分辨率 | 时间分辨率/d | 数据时间 | 代表文献 |
---|---|---|---|---|---|---|
NOAA | AVHRR | NDVI3g | 8 km | 15 | 1981—2015 | Wu等[ |
NOAA | AVHRR | NDVI | 8 km | 10 | 1982—现在 | 闫慧敏等[ |
SPOT | VGT | NDVI | 1 km | 10 | 1998—2014 | 朱孝林等[ 丁明军等[ |
Terra/Aqua | MODIS | NDVI/EVI | 250 m、500 m、 1000 m | 8、16 | 2000—现在 | 李卓等[ 彭代亮等[ |
NOAA&Terra&Aqua | AVHRR&MODIS | GLASS LAI | 1 km、5 km | 8 | 1981—2018 | Zhao等[ |
TM | Landsat5 | NDVI | 30 m | 16 | 1982—2011 | Li等[ |
ETM+ | Landsat7 | NDVI | 30 m | 16 | 1999—现在 | |
OLI | Landsat8 | NDVI | 30 m | 16 | 2013—现在 | |
OLI&Sentinel-2 | Landsat8&MSI | NDVI/EVI | 30 m | 5 | 2017—现在 | Hao等[ |
Gaofen-1 | WFV | Image | 16 m | 4 | 2013—现在 | Xiang等[ |
Sentinel-2A&2B | MSI | Image | 10 m、20 m、60 m | 5 | 2017—现在 | Liu等[ |
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