一種基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法
2023-05-31 07:27:41 2
一種基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法。基於植被指數年內時序原始數據，首先剔除非植被單元，然後通過多尺度小波變換，分別依次獲取大致對應於月尺度、季節尺度上的時序信號，進而利用三熟制的月尺度時序信號比季節尺度的變化幅度更強的特徵，進行三熟制種植識別，並且基於二熟制的季節尺度時序信號具有峰谷峰谷的變化頻率特徵，進行二熟制種植識別，從而獲得研究區耕地複種指數。本發明方法克服了通過人為設定的參數或閾值方法計算耕地複種指數的局限性，依據月尺度、季節尺度時序信號的變化頻率與幅度特徵進行熟制識別，具有基本不依賴先驗知識、魯棒性好、分類精度高、抗噪聲能力強以及自動化程度高等特點。
【專利說明】一種基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及農業遙感【技術領域】，特別是一種基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法。
【背景技術】
[0002]複種指數(cropping index, Cl)是一塊耕地一年內種植農作物的次數。按照種植的次數，可以分為一熟、二熟、三熟制種植模式。逐步提高與穩定複種指數，鼓勵有條件的地區實施二熟、三熟制種植模式，對於確保我國糧食安全至關重要。
[0003]準確高效地獲取全國耕地複種指數，及時掌握農作物種植模式，成為我國農業領域面臨的重要課題。目前耕地複種指數的提取方法有兩種:其一為土地調查與農業統計，其二為基於遙感的方法。前一種方法雖然簡單易行，但受統計口徑與人為因素的幹擾大，難以滿足大範圍、高時效性快速監測的需求。因此基於遙感技術的耕地複種指數提取方法成為研究的熱點問題。
[0004]目前基於遙感技術的耕地複種指數提取方法大多以植被指數時序數據為基礎，首先通過各種濾波去噪的方法獲得平滑的年內植被指數變化曲線，然後依據峰值法及其相關方法進行不同熟制判別。由於數據噪聲、不同地區管理措施與短期氣候變化的影響，導致峰值數與熟制之間並非一一對應關係，直接影響到峰值法及其相關方法的推廣與使用。雖然可以通過一定的閾值對出現的峰值加以限制，但閾值設置存在區域適應性與局限性。因此目前需求需要一種簡單易行並且具有推廣價值的耕地複種指數提取方法。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於充分利用一熟制、二熟制、三熟制種植模式下植被指數年內時序原始數據信號在不同尺度上的變化頻率與幅度特徵，進行耕地複種指數提取，具有自動化程度高、分類精度高以及便於推廣使用等優點。
[0006]為實現上述目的，本發明提供了一種基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法，其特徵在於:基於時序遙感影像，利用多尺度小波變換，分別依次獲得月尺度時序信號以及季節尺度時序信號，依據其變化頻率與幅度特徵建立熟制判別標準，從而有效地提取耕地複種指數，其具體包括以下步驟:
[0007]SOl:基於N天合成的植被指數遙感數據，逐像元建立研究區某個年份的植被指數年內時序原始數據，N為大於I的自然數；
[0008]S02:通過閾值法剔除研究區非植被單元；
[0009]S03:基於植被指數年內時序原始數據，通過多尺度小波變換，分別依次獲得月尺度以及季節尺度時序信號；
[0010]S04:綜合月尺度與季節尺度時序信號的變化規律，建立三熟制判別標準，進行三熟制種植識別；
[0011]S05:依據季節尺度時序信號的變化規律，建立二熟制判別標準，進行二熟制種植識別；
[0012]S06:統計研究區內一熟制、二熟制、三熟制的像元個數，確定研究區耕地複種指數。
[0013]進一步的，所述的多尺度小波變換的流程為:首先對植被指數年內原始時序信號做I次小波變換，分別獲得低頻成分A1和高頻成分D1，然後繼續對低頻成分A1進行小波變換，進一步獲得第二次小波變換後的低頻成分A2和高頻成分D2，接下來繼續對低頻成分A2進行小波變換，以此類推，直至依次獲得大致對應月尺度以及季節尺度上的時序信號為止。
[0014]進一步的，所述三熟制判別標準是依據月尺度和季節尺度時序信號的變化幅度特徵來建立。
[0015]進一步的，所述二熟制判別標準是依據不同季節尺度時序信號的變化頻率特徵來建立。
[0016]進一步的，所述建立三熟制判別標準的依據為:三熟制種植在月尺度時序信號的變化幅度比季節尺度時序信號的變化幅度更強，而一熟制、二熟制的月尺度時序信號的變化幅度均弱於季節尺度時序信號的變化幅度。
[0017]進一步的，所述建立二熟制判別標準的依據為:二熟制種植在季節尺度上的時序信號具有峰谷峰谷的變化特徵，而一熟制種植僅有谷峰谷的變化特徵。
[0018]相較於現有技術，本發明具有基本不依賴先驗知識、魯棒性好、分類精度高、自動化程度高等特點，主要表現在:
[0019]1、通過多尺度小波變換的方法，將植被指數年內時序原始數據分別轉換為月尺度、季節尺度時序信號，無形中消除了小於月尺度以內的細節信號，因此既保留了原始信號的主要特徵，同時也具有很強的抗噪能力；
[0020]2、巧妙利用三熟制種植模式在月尺度上植被指數時序信號變化幅度偏強的特點，進行三熟制種植識別；
[0021]3、巧妙利用二熟制種植在季節尺度上的時序信號具有峰谷峰谷的變化特徵，而一熟制種植僅有谷峰谷的變化特徵，依據其變化頻率特徵，進行二熟制種植識別；
[0022]4、所需參數少，不需要人為幹預，方法簡單明了，具有很好的推廣使用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1本發明實施例流程圖。
[0024]圖2 —熟制、二熟制、三熟制的MODIS EVI年內時序原始數據信號圖。
[0025]圖3 —熟制、二熟制、三熟制的MODIS EVI月尺度(D2)、季節尺度(D3S)時序信號圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。
[0027]如圖1所示，本發明的一種基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法，其特徵在於:基於時序遙感影像，利用多尺度小波變換，分別依次獲得月尺度時序信號以及季節尺度時序信號，依據其變化頻率與幅度特徵建立熟制判別標準，從而有效地提取耕地複種指數，其具體包括以下步驟:[0028]SO1:基於N天合成的植被指數遙感數據，逐像元建立研究區某個年份的植被指數年內時序原始數據，N為大於I的自然數；
[0029]S02:通過閾值法剔除研究區非植被單元；
[0030]S03:基於植被指數年內時序原始數據，通過多尺度小波變換，分別依次獲得月尺度以及季節尺度時序信號；
[0031]S04:綜合月尺度與季節尺度時序信號的變化規律，建立三熟制判別標準，進行三熟制種植識別；
[0032]S05:依據季節尺度時序信號的變化規律，建立二熟制判別標準，進行二熟制種植識別；
[0033]S06:統計研究區內一熟制、二熟制、三熟制的像元個數，確定研究區耕地複種指數。
[0034]為了獲得大致對應月尺度以及季節尺度上的時序信號，所述的多尺度小波變換的流程為:首先對植被指數年內原始時序信號做I次小波變換，分別獲得低頻成分A1和高頻成分D1，然後繼續對低頻成分A1進行小波變換，進一步獲得第二次小波變換後的低頻成分A2和高頻成分D2，接下來繼續對低頻成分A2進行小波變換，以此類推，直至依次獲得大致對應月尺度以及季節尺度上的時序信號為止。
[0035]所述三熟制判別標準是依據月尺度和季節尺度時序信號的變化幅度特徵來建立。
`[0036]所述二熟制判別標準是依據不同季節尺度時序信號的變化頻率特徵來建立。
[0037]為了對三熟制判別標準進行具體描述，所述建立三熟制判別標準的依據為:三熟制種植在月尺度時序信號的變化幅度比季節尺度時序信號的變化幅度更強，而一熟制、二熟制的月尺度時序信號的變化幅度均弱於季節尺度時序信號的變化幅度。
[0038]為了對二熟制判別標準進行具體描述，所述建立二熟制判別標準的依據為:二熟制種植在季節尺度上的時序信號具有峰谷峰谷的變化特徵，參見圖3-(b)的D3曲線的所示，而一熟制種植僅有谷峰谷的變化特徵，參見圖3-(a)的D3曲線的所示。
[0039]以下結合附圖1-3及具體實施例進行對本發明進行講述:
[0040]如圖1所示，通過多尺度小波變換分別依次獲取對應到月尺度、季節尺度上的時序信號，綜合依據其變化頻率和幅度特徵，確定耕地複種指數；具體的，本實施例提出一種基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法，包括以下步驟:
[0041]步驟SOl:建立研究區植被指數年內時序原始數據集:
[0042]基於16天合成的MODIS EVI (增強型植被指數)數據(M0D09Q1)，逐像元建立研究區植被指數年內時序原始數據信號，總計23期，表示為=NtIn1, n2,……n23}，一熟制、二熟制、三熟制的MODIS EVI年內原始時序信號如圖2所示；
[0043]步驟S02:剔除研究區非植被單元:
[0044]通過閾值法首先可以將研究區非植被單元剔除，如設置判斷條件為:某像元的植被指數年內時序信號Nt In1, n2，……n23}最大值為A，如果Α〈 Θ，則判斷該像元為非植被單元，其中0為常數，在本實施例中為0.18 ;
[0045]步驟S03:通過多尺度小波變換，分別依次獲得月尺度、季節尺度時序信號:
[0046]小波變換可表示為:
【權利要求】
1.一種基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法，其特徵在於:基於時序遙感影像，利用多尺度小波變換，分別依次獲得月尺度時序信號以及季節尺度時序信號，依據其變化頻率與幅度特徵建立熟制判別標準，從而有效地提取耕地複種指數，其具體包括以下步驟: 501:基於N天合成的植被指數遙感數據，逐像元建立研究區某個年份的植被指數年內時序原始數據，N為大於I的自然數； 502:通過閾值法剔除研究區非植被單元； 503:基於植被指數年內時序原始數據，通過多尺度小波變換，分別依次獲得月尺度以及季節尺度時序信號； S04:綜合月尺度與季節尺度時序信號的變化規律，建立三熟制判別標準，進行三熟制種植識別； S05:依據季節尺度時序信號的變化規律，建立二熟制判別標準，進行二熟制種植識別； S06:統計研究區內一熟制、二熟制、三熟制的像元個數，確定研究區耕地複種指數。
2.根據權利要求1所述的基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法，其特徵在於:所述的多尺度小波變換的流程為:首先對植被指數年內時序原始數據信號做I次小波變換，分別獲得低頻成分A1和高頻成分D1，然後繼續對低頻成分A1進行小波變換，進一步獲得第二次小波變換後的低頻成分A2和高頻成分D2，接下來繼續對低頻成分A2進行小波變換，以此類推，直至依次獲得大致對應月尺度以及季節尺度上的時序信號為止。
3.根據權利要求1所述的基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法，其特徵在於:所述三熟制判別標準是依據月尺度和季節尺度時序信號的變化幅度特徵來建立。
4.根據權利要求1所述的基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法，其特徵在於:所述二熟制判別標準是依據不同季節尺度時序信號的變化頻率特徵來建立。
5.根據權利要求1或3所述的基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法，其特徵在於:所述建立三熟制判別標準的依據為:三熟制種植在月尺度時序信號的變化幅度比季節尺度時序信號的變化幅度更強，而一熟制、二熟制的月尺度時序信號的變化幅度均弱於季節尺度時序信號的變化幅度。
6.根據權利要求1或4所述的基於頻率特徵的耕地複種指數提取方法，其特徵在於:所述建立二熟制判別標準的依據為:二熟制種植在季節尺度上的時序信號具有峰谷峰谷的變化特徵，而一熟制種植僅有谷峰谷的變化特徵。
【文檔編號】G06K9/46GK103500421SQ201310466137
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月9日 優先權日:2013年10月9日
【發明者】邱炳文, 範佔領 申請人:福州大學