ndvi時間曲線與作物生長階段的響應

ndvi時間曲線與作物生長階段的響應

監(jiān)測和作物產(chǎn)量估算是對農(nóng)業(yè)遙感的重要研究領域。農(nóng)作物及其背景地物反射或發(fā)射的電磁波,穿過大氣入射到空間探測器上,這種能量信息被記錄下來,經(jīng)過適當?shù)姆治龊吞幚?可以構(gòu)造出與農(nóng)作物生長情況密切相關的指標,以反映作物的生長發(fā)育狀況,實現(xiàn)對農(nóng)作物長勢的連續(xù)監(jiān)測。1ndvi模型的原理衛(wèi)星遙感記錄的農(nóng)田地面反射率譜,受到許多因素的影響,這些因素可分為環(huán)境影響因子(太陽方位角、云和氣溶膠等)和內(nèi)部影響因子(葉子生理狀況、葉面積、冠層幾何結(jié)構(gòu)等)。在環(huán)境因子基本相同的情況下,輻射亮度和反射率譜的變化,一定程度上體現(xiàn)了作物長勢、生育期和生理狀況。用空間分辨率為1.1×1.1km的NOAAAVHRR氣象衛(wèi)星影像對農(nóng)作物從播種到收獲進行全生育期的連續(xù)監(jiān)測,農(nóng)田的輻射亮度和反射譜率是一個動態(tài)變化的過程,是土壤的輻射亮度和反射率譜逐漸被農(nóng)作物的輻射亮度和反射率譜代替的過程。在作物的農(nóng)學參數(shù)遙感提取中,一般采用光譜植被指數(shù)(SpectralVegetationIndices,SVI),即由衛(wèi)星遙感多光譜數(shù)據(jù),經(jīng)空間轉(zhuǎn)換或不同波段間線性、非線性組合構(gòu)成的對植被有一定指示意義的指標,以盡可能提高植被指數(shù)對感興趣的冠層特征的靈敏度,同時,將其對其它無關的冠層特征(例如背景反射)的靈敏度降到最低。典型的綠色植物發(fā)射光譜曲線上,藍光區(qū)和紅光區(qū)各有一個葉綠素吸收帶(吸收中心在0.45μm及0.65μm),近紅外區(qū)則有一個強反射峰,植被對可見光和近紅外輻射的吸收-反射作用的兩種截然不同的表現(xiàn)是由色素及細胞內(nèi)部機構(gòu)差異造成的。AVHRR觀測通道的設置非常有利于捕捉這種差異:第一波段CH1(0.58～0.68μm)處在葉綠素的吸收帶,第二波段CH2則位于綠色植物的光譜反射區(qū)。因此,第一、第二波段的組合,常被有效地用于作物長勢監(jiān)測。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是最為常用的一種植被指數(shù),即:NDVI=(CH2?CH1)/(CH2+CH1)(1)ΝDVΙ=(CΗ2-CΗ1)/(CΗ2+CΗ1)(1)其中,CH1、CH2分別為NOAAAVHRR的第一波段(紅光)、第二波段(近紅外)反射率值。NDVI綜合利用了四則運算,提高了對土壤背景的鑒別能力,同時削弱了大氣層和地形陰影的影響。NDVI對土壤背景的變化比較敏感,當植被覆蓋度小于15%時,植被的NDVI略大于裸土;當植被覆蓋度為25%～80%時,NDVI隨植被覆蓋度的增加呈近于線性的增長;當植被覆蓋度大于80%時,檢測的靈敏度下降。為了更加有效地消除云遮蔽、大氣影響、觀測中的幾何關系、非天底角觀測等不利因素,可以在一定時間區(qū)間內(nèi)采取逐日NDVI圖象的最大值合成處理方案,現(xiàn)在采用最多的是“準十天”的逐日合成,即對每月的上、中、下旬的NDVI取最大值,形成該旬的NDVI圖像。本次研究中,選擇黃淮海平原為研究區(qū),計算了1999年1月1日起,每天、每旬的NDVI都做了計算,建立了NDVI基礎數(shù)據(jù)庫,為進一步的分析研究奠定了數(shù)據(jù)基礎。2冬小麥ndvi時間曲線的時間特性高時間分辨率的的氣象衛(wèi)星能夠以天為單位對地理過程進行采樣,使得農(nóng)作物的動態(tài)連續(xù)監(jiān)測成為可能。遙感參數(shù),特別是NDVI的時間序列分析,成為人們研究植被變化的有效手段。美國在20世紀80年代初便用用時間序列的NOAAAVHRR的NDVI數(shù)據(jù)估算作物的產(chǎn)量,其后的許多估產(chǎn)模型都是基于該方法。將作物的NDVI值以時間為橫坐標排列起來,便形成了作物生長的NDVI動態(tài)跡線,它以最直觀的形式,反映了作物從播種、出苗、抽穗到成熟收割NDVI的變化過程。作物種類不同,其NDVI曲線具有不同的特征,同類農(nóng)作物生長環(huán)境和發(fā)育狀況的變化也會造成NDVI時間曲線的波動。因此,通過對農(nóng)作物NDVI時間曲線的分析,可以了解作物的生長狀況,進而為作物產(chǎn)量的計算提供依據(jù)。本次在河南省的高產(chǎn)(單產(chǎn)≥300kg/666.7m2)、中產(chǎn)(單產(chǎn)200～300kg/666.7m2)、低產(chǎn)縣(單產(chǎn)<200kg/666.7m2)中,在不同的小麥生長區(qū),分別選擇幾個有代表性的樣本縣,進行冬小麥NDVI的時間曲線分析。所選樣本縣分別為:(1)高產(chǎn)縣,滑縣、扶溝、延津,多年平均單產(chǎn)分別340、310666.7m2和300kg/666.7m2左右;(2)中產(chǎn)縣,正陽、尉氏、潢川,多年平均單產(chǎn)分別260、240666.7m2和210kg/666.7m2左右;(3)低產(chǎn)縣,信陽、光山、羅山,多年平均單產(chǎn)分別180、150和110kg/666.7m2左右。2.1ndvi時序擬合圖1～圖3為1999年河南省高、中、低產(chǎn)縣冬小麥生育期內(nèi)NDVI時間序列數(shù)據(jù)。根據(jù)冬小麥NDVI時間序列數(shù)據(jù)的變化特點(NDVI散點圖具有較明顯的“S”型變化特征),選用三次多項式最小二乘法擬合,得到一條平滑的NDVI時序曲線。為了便于計算和顯示,圖1～圖3的縱坐標是NDVI數(shù)值乘以100,橫坐標是冬小麥從1999年1月1日起的生長天數(shù)。擬合結(jié)果與擬合精度如表1所示。擬合函數(shù)表達式為:NDVI=a×t3+b×t2+c×t+d(2)ΝDVΙ=a×t3+b×t2+c×t+d(2)其中,t為,a、b、c分別為各項的系數(shù),d為常數(shù)項。2.2麥冬小麥ndvi的季節(jié)動態(tài)河南省冬小麥生育期從每年9月份播種起,至第2年6月份初收割,經(jīng)歷出苗、分蘗、越冬、返青、起身、拔節(jié)、孕穗、揚花、灌漿和成熟11個時期,在冬小麥的不同生育期,其光譜特性有所不同,而NDVI對這種變化進行了增強。NDVI數(shù)據(jù)的平滑,突出了NDVI的整體變化趨勢,增強了NDVI-作物長勢之間的規(guī)律性。小麥的物質(zhì)生產(chǎn)主要是依靠其群體的光合作用來完成的,也可以說與小麥冠層的光合面積有直接的關系。王乃斌論述了冬小麥葉面積指數(shù)與NDVI的相關性,王乃斌、楊小喚等以河北省石家莊地區(qū)為例,研究了冬小麥平均生長率與NDVI之間的相關關系,指出用NDVI曲線模擬的冬小麥長勢,完全符合冬小麥的干物質(zhì)積累過程。以河南省為例,不同地區(qū)冬小麥高、中、低產(chǎn)縣NDVI的時間曲線,展示了NDVI隨時間的變化過程,NDVI時間曲線呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性,這種規(guī)律性與冬小麥不同生育階段的生長、發(fā)育進程密切相關。1月份和2月上旬(圖1～圖3的t=10～40d),河南省冬小麥處于越冬期,其NDVI值平緩,波動很小,NDVI值大多處于0.05～0.1之間(圖1～圖3的NDVI×100,為5～10),偶爾有接近0的低值,經(jīng)過對原始的NOAAAVHRR5波段圖像的綜合分析,這些特殊點是由于云或云影的遮蓋,或是地表積雪的存在而導致的結(jié)果,在數(shù)據(jù)平滑時可以予以消除;2月中、下旬開始(t=50～60d),河南省冬小麥開始返青,繼而進入起身和拔節(jié)期,太陽輻射增強,氣溫回升,麥苗生長迅速,NDVI值開始大幅度上升,在3月上旬到4月上旬這段時間(t=70～100d)發(fā)展最快;至4月中下旬(t=110～120d),冬小麥的營養(yǎng)器官的生長達到極致,葉面積趨于最大,NDVI達到峰植,冬小麥開始進入孕穗、抽穗、揚花的生殖期,NDVI不再增長開始緩慢回落;5月份(t=130～150d)是冬小麥乳熟并最終成熟的階段,是產(chǎn)量形成的又一關鍵階段。此時,葉子內(nèi)葉綠素含量降低,葉子變黃,NDVI急劇下降并到達最低點。從總體上說,在冬小麥的NDVI時間曲線上,有3個極為重要的關鍵點:(1)冬小麥起身點該點是植株迅速生長的開端,此時雖然隨著春天的到來,草木發(fā)芽,大豆棉花開始播種,但冬小麥已進入生長旺盛的階段,其相對極高的NDVI值使得仍然比較容易與其它植被分開。因此,該點(每年的3月上中旬,t=70～80d)是對NDVI數(shù)據(jù)進行圖像分割,提取冬小麥播種面積的最佳時期。(2)NDVI的峰值點該點是冬小麥營養(yǎng)器官得到充分發(fā)育,生殖期開始的轉(zhuǎn)折點。較大的NDVI峰值(NDVImax)表明,冬小麥在生長發(fā)育過程中環(huán)境適宜,限制因素少,脅迫程度低,營養(yǎng)器官發(fā)育良好,葉面積大,為花期的順利進行奠定了良好的物質(zhì)基礎,是豐產(chǎn)高產(chǎn)的有力保證;反之,較低的NDVImax則往往預示著較低的單位面積產(chǎn)量。這一點在河南省的高、中、低產(chǎn)縣的NDVI-時間圖上體現(xiàn)得十分明顯:高產(chǎn)的3個縣,NDVImax在35～40之間(即0.35～0.4),中產(chǎn)的3個縣,NDVImax在30～35之間(即0.30～0.35),低產(chǎn)的3個縣中,光山縣、羅山縣的NDVImax只有20左右,較高的信陽縣的NDVImax也<30;(3)NDVI峰值后的最低點。該點是冬小麥發(fā)育成熟的終點。冬小麥NDVI從峰值到最低值的過程,是冬小麥生殖期開始到成熟的階段,在此期間,如果遇到干熱風,會造成冬小麥的“逼熟”現(xiàn)象,生殖期變短,成熟時間提前。因此,一些學者利用該階段的時間跨度,或該階段內(nèi)NDVI的變化速率,來反映冬小麥生殖期的發(fā)育狀況。3冬小麥ndvi積分與產(chǎn)量有關研究表明,農(nóng)作物特定生育期內(nèi)NDVI的積分與其最終生物量(或產(chǎn)量)有較好的相關關系。在河南省不同冬小麥生長區(qū),選取不同單產(chǎn)水平的60個縣,計算出1999年1月～5月初冬小麥NDVI的積分,計算公式為:iNDVI=∫21NDVI×dt(3)iΝDVΙ=∫12ΝDVΙ×dt(3)其中,iNDVI為NDVI積分,t1、t2為積分的起始、終了時間。將冬小麥NDVI積分與當年產(chǎn)量,投放到單產(chǎn)-NDVI積分坐標系中,其散點圖如圖4。從圖4可以看出,NDVI積分與冬小麥的產(chǎn)量具有較為明顯的正相關關系。分別用線性、三次多項式、指數(shù)函數(shù)進行回歸擬合,結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出,3種擬合方法的相關系數(shù)R2>0.7,R>0.85,擬合效果良好。3種方法以三次多項式的擬合效果最好,這表明冬小麥產(chǎn)量與產(chǎn)量因子之間的關系并非簡單的線性關系,這符合對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的認識。同時,也認識到,作物產(chǎn)量的影響因素多種多樣,因此,如果將這些因素也一齊納入到產(chǎn)量估算之中,構(gòu)建多因子產(chǎn)量估算模型,可以進一步提高產(chǎn)量估算的準確性和合理性,這有待于今后與學界同仁一齊在研究工作中加以提高。4ndvi時間曲線的積分(1)在農(nóng)作物生育期內(nèi),作物生長狀況和生長條件的改變,會造成NDVI時間曲線產(chǎn)生相應的動態(tài)