基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法
2023-05-23 13:34:26
基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法。該方法基於水體指數與植被指數的年內時序數據集，逐像元檢測每個生長周期內植被指數最大值所對應的植被生長盛期，依據植被開始生長到生長盛期內遙感水體指數與植被指數的變化幅度，建立水體與植被指數變化比值指數，進行水稻自動製圖。該方法充分利用相對其他農作物和自然植被而言，水稻田在移栽到抽穗這段時間內，水體指數變化幅度較小而植被指數變化幅度較大的特點，通過設計基於兩者比值的水體與植被指數變化比值指數，用於水稻製圖，具有魯棒性好、分類精度高、自動化程度與抗幹擾能力強等特點。
【專利說明】基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及遙感影像信息處理【技術領域】，特別是一種基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法。
【背景技術】
[0002]及時準確掌握農作物空間分布信息對於制定相關政策並確保國家糧食安全至關重要。水稻作為我國最主要的糧食作物之一，在糧食生產中佔有重要地位。快速自動監測水稻的空間分布範圍，具有重要意義。傳統的人工調查方法不僅費時費力，而且難以實現全覆蓋，容易受到主觀因素的幹擾。遙感影像具有時效性強、覆蓋範圍大的特點，在農作物面積監測中發揮著重要作用。然而，由於不同農作物之間的光譜相似性的幹擾，以及遙感分類人員的經驗、分類器、相關數據的豐富程度以及研究區特點等眾多因素的影響，導致水稻分布遙感製圖精度難以保證。
[0003]由於時序遙感數據能提供不同季節、不同時期的遙感信息，能有效地增強不同農作物之間的區分度，因此基於時序遙感數據的農作物遙感監測已經成為近年來的主導發展趨勢。目前水稻製圖的相關研究方法以Xiangming Xiao (2005)提出的基於植被指數與水體指數相結合的方法為主，該方法的核心思想為:在水稻移栽期，由於通常需要漫灌，水體指數會增大，而水稻剛剛移栽，植被指數通常比較小，因此通過判斷水體指數與植被指數之差，可以識別水稻移栽期。如設定判斷依據為:如果滿足LSWI+0.05>EVI，則該像元在該時刻處於水稻移栽期。其中LSWI為水體指數，EVI為增強型植被指數。該方法充分利用水稻移栽期灌水這一特徵，綜合利用遙感植被指數與水體指數開展水稻製圖，具有一定的合理性，因此在中國乃至世界不同地區，特別是東南亞地區得到了很好的應用。但該方法的不足之處在於:由於噪聲幹擾、降水的影響以及不同地區遙感指數值域範圍可能存在一定差異等等各種因素，導致直接基於某一期的植被指數與水體指數原始信號進行的方法存在一定的局限性。例如:由於雲的因素，可能導致EVI時序數據出現異常低值，甚至低於水體指數，從而造成誤判。強降水可能直接導致水體指數升高並且高於植被指數，同樣引起誤判。因此需要引入一種基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，該方法不需要人工幹預、魯棒性好以及分類精度高。
[0005]為實現上述目的，本發明的技術方案是:一種基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，包括如下步驟，
501:構建平滑的水體指數、植被指數時序數據集；
502:剔除研究區非植被與常綠植被像元；
503:逐像元獲取每個植被生長周期所對應的生長盛期；
504:計算從植被開始生長到生長盛期間的水體指數和植被指數的變化幅度； 505:構建水體與植被指數變化比值指數；
506:依據水體與植被指數變化比值指數進行水稻製圖。
[0006]在本發明實施例中，所述步驟S3中，如果在年內植被指數時序曲線中同時找到兩個或兩個以上的局部最大值，依據兩個最大值相隔的時間與相對大小以及與臨近的局部最小值的差距條件，篩選出每個植被生長周期所對應的生長盛期。
[0007]在本發明實施例中，所述步驟S4中，依據水稻移栽到抽穗所需時間，基於每個像元的植被生長盛期，逐像元推測出每個生長周期內植被開始生長到生長盛期這段時間，用於計算水體指數與植被指數從植被開始生長到生長盛期內的變化幅度，分別記錄為Cw和Cv。
[0008]在本發明實施例中，所述步驟S5中，水體與植被指數變化比值指數M為Cw和Cv的比值，其表達式為:M=CW/CV。
[0009]在本發明實施例中，所述步驟S6中，依據水稻的水體與植被指數變化比值指數的特徵進行水稻識別，即水體與植被指數變化比值指數小於某個閾值ω，則判斷為水稻。
[0010]在本發明實施例中，設置閾值ω取值為0.25，該閾值ω在不同區域實際應用中在
0.05範圍內適當調整。
[0011 ] 在本發明實施例中，該方法適用於農作物或土地利用遙感自動分類領域中。
[0012]相較於現有技術，本發明具有以下有益效果:
(1)通過鎖定最能體現不同植被生長特徵的、植被開始生長到生長盛期這段時間，有效地排除了其他時段內信號的幹擾；
(2)通過計算植被開始生長到生長盛期這段時間內水體指數與植被指數的變化幅度，而非某個時刻兩者數值的相對大小，能在很大程度上消除噪聲和降水帶來的幹擾；
(3)基於水體指數與植被指數的變化比值，一方面消除植被生長帶來的水體指數變化幹擾，另一方面進一步強化水稻田在移栽期水體指數偏高並且變化幅度較小的這一特徵，從而提高了分類精度；
(4)可以不藉助其他輔助數據，抗噪能力強，結果穩定可靠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明實施例的實現流程圖。
[0014]圖2是水稻的MODIS EV1、LSWI年內時序信號圖。
[0015]圖3是大豆的MODIS EV1、LSWI年內時序信號圖。
[0016]圖4是冬小麥+玉米雙季輪作農作物的MODIS EV1、LSWI年內時序信號圖。【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。
[0018]本發明的一種基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，包括如下步驟，
501:構建平滑的水體指數、植被指數時序數據集；
502:剔除研究區非植被與常綠植被像元；
503:逐像元獲取每個植被生長周期所對應的生長盛期； 504:計算從植被開始生長到生長盛期間的水體指數和植被指數的變化幅度；
505:構建水體與植被指數變化比值指數；
506:依據水體與植被指數變化比值指數進行水稻製圖。
[0019]本發明方法適用於農作物(諸如小麥、大豆、玉米等)或土地利用遙感自動分類領域中。
[0020]以下為本發明的具體實施例。
[0021]本發明一種基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，如圖1所示，首先建立研究區平滑去噪後的LSWI和EVI指數的年內時序數據集，在對研究區非植被以及常綠植被像元進行掩膜的基礎上，逐像元獲取每個生長周期內的植被指數最大值，獲取對應的植被生長盛期，計算遙感植被指數與水體指數從植被開始生長到生長盛期內的變化幅度，基於兩者的比值構建水體與植被指數變化比值指數，依據水體與植被指數變化比值指數進行水稻識別。
[0022]所述一種基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，進一步包括以下步驟:
步驟S1:構建平滑去噪的植被指數、水體指數時序數據集:
首先建立研究區基於日值的LSWI和EVI指數的原始年內時序數據集，可以基於每日的遙感影像波段值分別計算或者依據8天最大化合成的MODIS EVI, LSffI指數進行線性插值獲得。利用Whittaker smoother、Hants等等相關的去噪方法,對原始年內時序數據集進行平滑去噪處理，從而獲得研究區平滑去噪後的水體指數、植被指數時序數據集，作為水稻製圖的基礎。
[0023]步驟S2:剔除研究區非植被像元和常綠植被像元:
基於土地利用現狀圖或者依據植被指數值域分布特徵，對研究區域內水體、未利用地、建築用地等非植被以及常綠植被進行掩膜處理。如設置非植被的判斷條件為:某像元平滑去噪後的植被指數年內時序信號的最大值為A，如果Α〈 Θ 1，則判定該像元為非植被單元，其中Θ I為常數，在本實施例中為0.2。常綠植被的判斷條件為:某像元平滑去噪後的植被指數年內時序信號的最小值為B，方差為C，如果滿足Α> Θ 2並且C〈 Θ 3，則判定該像元為常綠植被，其中Θ2、Θ 3均為常數，在本實施例中分別為0.35、0.2。
[0024]步驟S3:逐像元計算每個生長周期內的植被指數最大值，獲取所對應的植被生長盛期:
針對研究區域內的植被區域，逐像元求算EVI時序曲線中數值大於0.35的局部最大值，如果同時找到兩個或兩個以上的局部EVI最大值，依次判斷相鄰的兩個局部最大值相隔的時間是否大於60天，如果小於60天，則只保留其中數值較大的那個局部最大值，進一步設置該局部最大值與臨近的局部最小值之間的差異必須在0.15以上的判斷條件，從而最終獲得滿足條件的所有的EVI局部最大值。將這些EVI局部最大值記錄為Pn，其中η可以取值為1，2，3，分別對應自然植被或單季作物、雙季作物以及三季作物的生長周期內所對應的植被生長盛期。
[0025]步驟S4:計算遙感植被指數與水體指數從開始生長到生長盛期內的變化幅度: 以每個生長周期所對應的植被生長盛期前D天(本實施例中D設為50天)，代表植被開
始生長到植被生長盛期的這段時間，分別計算期間遙感植被指數與水體指數的變化幅度，記錄為Cv和Cw (見圖2-圖3)。
[0026]步驟S5:構建水體與植被指數變化比值指數:
基於植被開始生長到被生長盛期內遙感水體指數與植被指數的變化幅度，利用兩者的比值，構建水體與植被指數變化比值指數，表示為:M=Cw/Cv。
[0027]步驟S6:依據水體與植被指數變化比值指數進行水稻識別:
水稻在移栽期通常需要漫灌，此時水體指數已經偏於高位，並且由於灌水的影響此時的植被指數非常低，甚至為負值，隨著水稻的不斷生長分櫱，植被指數不斷升高，到水稻抽穗期時植被指數接近最大值，而水體指數僅僅有小幅的增長(見圖2)。對非水稻農作物或者自然植被而言，在植被生長開始時期，植被指數通常會大於處於水稻田移栽期的水平，並且由於該時期植被和土壤的含水量均比較低，其水體指數通常比較低，遠遠低於水稻移栽期時的水體指數水平；隨著植被的不斷生長，植被指數和水體指數均不斷提高，當達到植被生長盛期時，通常地表基本已被植被所覆蓋，此時植被的含水量也是非常豐富的時期，植被指數達到最大值，水體指數通常也同步達到或接近最大值(見圖3)。因此相對其他植被而言，從植被開始生長到生長盛期這段時間內，水稻田的水體指數變化幅度小，而植被指數變化幅度大，因此水體與植被指數變化比值指數偏低，可以依據水體與植被指數變化比值指數進行水稻識別(見圖2-圖3)。判斷條件為:如果滿足Μ〈ω，則該像元為水稻，否則為其他農作物或自然植被，ω為常數，在本實施例中ω設定為0.25。如果採用Xiao (2005)的方法，在原始LSWI時序信號多次出現大於或非常接近EVI的情況下，則將會誤判為水稻，而採用本發明所提出的方法能較好地進行判斷(圖4)。
[0028]依據上述水稻識別流程，可實現較精確的水稻自動製圖。
[0029]以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，其特徵在於:包括如下步驟， 501:構建平滑的水體指數、植被指數時序數據集； 502:剔除研究區非植被與常綠植被像元； 503:逐像元獲取每個植被生長周期所對應的生長盛期； 504:計算從植被開始生長到生長盛期間的水體指數和植被指數的變化幅度； 505:構建水體與植被指數變化比值指數； 506:依據水體與植被指數變化比值指數進行水稻製圖。
2.根據權利要求1所述的基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，其特徵在於:所述步驟S03中，如果在年內植被指數時序曲線中同時找到兩個或兩個以上的局部最大值，依據兩個最大值相隔的時間與相對大小以及與臨近的局部最小值的差距條件，篩選出每個植被生長周期所對應的生長盛期。
3.根據權利要求1所述的基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，其特徵在於:所述步驟S04中，依據水稻移栽到抽穗所需時間，基於每個像元的植被生長盛期，逐像元推測出每個生長周期內植被開始生長到生長盛期這段時間，用於計算水體指數與植被指數從植被開始生長到生長盛期內的變化幅度，分別記錄為Cw和Cv。
4.根據權利要求1所述的基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，其特徵在於:所述步驟S05中，水體與植被指數變化比值指數M為Cw和Cv的比值，其表達式為:M=CW/CV。
5.根據權利要求1所述的基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，其特徵在於:所述步驟S06中，依據水稻的水體與植被指數變化比值指數的特徵進行水稻識另IJ，即水體與植被指數變化比值指數小於某個閾值ω，則判斷為水稻。
6.根據權利要求5所述的基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，其特徵在於:設置閾值ω取值為0.25，該閾值ω在不同區域實際應用中在0.05範圍內適當調整。
7.根據權利要求1至6任意一項所述的基於水體與植被指數變化比值指數的水稻自動製圖方法，其特徵在於:該方法適用於農作物或土地利用遙感自動分類領域中。
【文檔編號】G06F19/00GK103971027SQ201410232876
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月29日 優先權日:2014年5月29日
【發明者】邱炳文, 齊文, 李維嬌 申請人:福州大學