一種基于ndvi時(shí)間序列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的冬小麥識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一項(xiàng)冬小麥遙感識(shí)別技術(shù)，提出了一種基于NDVI時(shí)間序列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的 冬小麥識(shí)別方法，通過NDVI時(shí)間序列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，顯著提升冬小麥與其它地物的差異，實(shí) 現(xiàn)了冬小麥的高精度識(shí)別。
【背景技術(shù)】
[0002] 小麥?zhǔn)侨蜃钪匾Z食作物之一，在全球種植范圍最廣泛。我國小麥也是最重要 的糧食作物，種植面積占糧食作物總播種面積的五分之一，在我國糧食構(gòu)成中占重要地位。 我國以冬小麥為主，及時(shí)準(zhǔn)確地提取冬小麥種植面積是開展產(chǎn)量預(yù)測的基礎(chǔ)，是關(guān)系到國 家糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定的重要因素。
[0003] 基于實(shí)地觀測的傳統(tǒng)冬小麥面積獲取方法，不能滿足及時(shí)、準(zhǔn)確的獲取大區(qū)域冬 小麥面積的需求。隨著遙感技術(shù)的高速發(fā)展，遙感影像在冬小麥監(jiān)測領(lǐng)域中得到了廣泛 的應(yīng)用。早期主要采用單一時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)開展冬小麥的識(shí)別，由于作物類型復(fù)雜多 樣，不同作物之間存在明顯的光譜重疊，利用單一時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行作物分類時(shí)易出 現(xiàn)"錯(cuò)分、漏分"現(xiàn)象，很難達(dá)到理想的分類精度。隨著遙感數(shù)據(jù)源的不斷豐富，考慮到不 同作物隨季節(jié)變化的差異，多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)甚至?xí)r間序列遙感數(shù)據(jù)可以增強(qiáng)不同作物之間 的光譜可分性，目前遙感數(shù)據(jù)時(shí)間序列，尤其是歸一化植被指數(shù)（normalizeddifference vegetationindex，NDVI)時(shí)間序列已經(jīng)成為作物識(shí)別研究的熱點(diǎn)。
[0004]NDVI是應(yīng)用遙感技術(shù)提取作物信息的一個(gè)最常用指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于作物分類和 生長狀況評(píng)價(jià)。NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)能夠精確地反映植被物候信息（出苗、拔節(jié)、抽穗、成熟)， 有效削弱"同物異譜，同譜異物"現(xiàn)象，在作物分類研究中發(fā)揮了重要作用，可以應(yīng)用于冬小 麥的識(shí)別。目前較為流行的方法是基于MODIS、N0AA/AVHRR的NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，但由于 影像空間分辨率較低加之我國作物種植類別復(fù)雜多樣、地塊較為破碎，僅有極少的像元是 由單一地物所組成，冬小麥識(shí)別精度有限。隨著我國高分專項(xiàng)首顆衛(wèi)星GF-1衛(wèi)星的發(fā)射， 其搭載的寬覆蓋相機(jī)（WideFieldofView，WFV)具備16米空間分辨率及4天重訪周期 的影像獲取能力，為高空間分辨率NDVI時(shí)間序列的構(gòu)建提供了有效數(shù)據(jù)源。
[0005] 在NDVI時(shí)間序列識(shí)別作物領(lǐng)域，當(dāng)前應(yīng)用較為成熟的方法是決策樹分類法，該方 法僅僅利用時(shí)間序列中的幾個(gè)特征波段，而沒有綜合考慮整個(gè)序列。為此本發(fā)明提出了一 種基于NDVI時(shí)間序列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的冬小麥識(shí)別方法，充分考慮了整個(gè)NDVI時(shí)間序列，而且操 作流程簡單實(shí)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出了一種基于NDVI時(shí)間序列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的冬小麥識(shí)別方法，充分利用冬 小麥區(qū)別于其它作物的特有物候特征，并通過NDVI時(shí)間序列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，顯著提升冬小麥 與其它地物的差異，實(shí)現(xiàn)了冬小麥的高精度識(shí)別。
[0007] 步驟一：獲取冬小麥生長周期內(nèi)的GF-1WFV影像序列，并構(gòu)建NDVI時(shí)間 序列，形成以時(shí)間為橫坐標(biāo)，NDVI為縱坐標(biāo)的NDVI時(shí)間序列曲線；步驟二：通過實(shí) 地調(diào)查或歷史數(shù)據(jù)，獲取冬小麥樣本數(shù)據(jù)；步驟三：基于冬小麥樣本，獲取相應(yīng)的 像元的NDVI時(shí)間序列曲線，對(duì)所有樣本像元的NDVI時(shí)間序列進(jìn)行算術(shù)平均，形成 冬小麥NDVI時(shí)間序列的參考曲線；步驟四：以冬小麥NDVI時(shí)間序列參考曲線為基 準(zhǔn)對(duì)NDVI時(shí)間序列曲線進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也就是將試驗(yàn)區(qū)內(nèi)所有像元對(duì)應(yīng)NDVI時(shí)間 序列曲線減去參考曲線，其中，像元的NDVI時(shí)間序列表示為 ，冬小麥的NDVI時(shí)間序列參考曲線表不為，，按照公式
|計(jì)算得到每個(gè)像元的NDVI時(shí)間序列 轉(zhuǎn)換曲線；步驟五：基于NDVI時(shí)間序列轉(zhuǎn)換曲線，利用冬小麥樣本數(shù)據(jù)，分別計(jì)算樣本像元 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換曲線的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，然后通過統(tǒng)計(jì)分析獲取均值絕對(duì)值和標(biāo)準(zhǔn)差的最大值作 為小麥識(shí)別的閾值，實(shí)現(xiàn)閾值的自動(dòng)確定；步驟六：利用步驟四得到的轉(zhuǎn)換曲線，分別計(jì)算 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換曲線的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，并利用步驟五得到的閾值進(jìn)行判斷， 當(dāng)均值和標(biāo)準(zhǔn)差都在閾值范圍時(shí)，則判定該像元為冬小麥，遍歷整個(gè)試驗(yàn)區(qū)，最后形成冬小 麥分布圖。
[0008] 進(jìn)一步地，所述步驟一中冬小麥的生長周期為當(dāng)年10月至次年6月，盡量確保每 個(gè)月有一期GF-1WFV數(shù)據(jù)，NDVI時(shí)間序列構(gòu)建前需要對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正、幾 何校正等處理，然后利用紅光波段與近紅外波段計(jì)算得到NDVI，最后形成NDVI時(shí)間序列。
[0009] 進(jìn)一步地，所述步驟四中，以冬小麥NDVI參考曲線為基準(zhǔn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可以將 冬小麥的NDVI時(shí)間序列控制在0值附近，并降低冬小麥NDVI時(shí)間序列的離散度，同時(shí)提高 其它地物NDVI時(shí)間序列均值的絕對(duì)值或NDVI時(shí)間序列的離散度，有利于提升冬小麥的識(shí) 別精度。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟五中，冬小麥樣本數(shù)據(jù)具有代表性，即利用樣本像元獲取的轉(zhuǎn) 換曲線均值與標(biāo)準(zhǔn)差的動(dòng)態(tài)范圍能代表整個(gè)試驗(yàn)區(qū)冬小麥NDVI時(shí)間序列轉(zhuǎn)換曲線均值與 標(biāo)準(zhǔn)差的動(dòng)態(tài)范圍，并采用均值與標(biāo)準(zhǔn)差兩個(gè)量的閾值范圍作為冬小麥識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明采用單一數(shù)據(jù)源構(gòu)建了高空間分辨率NDVI時(shí)間序列，NDVI時(shí)間序列覆蓋整個(gè)冬小麥生長周期，通過建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，降低冬小麥NDVI時(shí)間序列的 離散度，并利用樣本數(shù)據(jù)完成了閾值的自動(dòng)獲取，實(shí)現(xiàn)了冬小麥識(shí)別精度的提升。
【附圖說明】
[0012] 圖1為基于NDVI時(shí)間序列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的冬小麥識(shí)別方法流程圖。
[0013] 圖2為2014年10月到2015年5月試驗(yàn)區(qū)典型地物的NDVI時(shí)間序列曲線。
[0014] 圖3為試驗(yàn)區(qū)典型地物的NDVI時(shí)間序列轉(zhuǎn)換曲線。
[0015] 圖4為試驗(yàn)區(qū)冬小麥識(shí)別結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實(shí)施流程如圖1所示，各部分具 體實(shí)施細(xì)節(jié)如下。
[0017] 步驟一：獲取冬小麥生長周期內(nèi)的GF-1WFV數(shù)據(jù)，并構(gòu)建NDVI時(shí)間序列；本發(fā)明 以河北省衡水冀州市為試驗(yàn)區(qū)，獲取了從2014年10月至2015年5月覆蓋冬小麥生長周期 的GF-1WFV數(shù)據(jù)共8景(見表1)，經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等處理后，提取NDVI 并構(gòu)建NDVI時(shí)間序列，以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期的連續(xù)觀測。其中NDVI是利用GF-1 WFV數(shù)據(jù)的紅光波段與近紅外波段，通過公式（1)計(jì)算得到。
式中邊為近紅外波段反射率，:為紅光波段反射率。
[0019]表 1GF-1WFV影像
試驗(yàn)區(qū)典型地物包括林地、不透水面、水體、裸地，在2014年10月至2015年5月期間 農(nóng)作物以冬小麥為主，典型地物的NDVI曲線圖如圖2所示。
[0020] 步驟二：通過實(shí)地調(diào)查在試驗(yàn)區(qū)獲取了 1500個(gè)冬小麥樣本數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)在試驗(yàn) 區(qū)盡可能均勻分布。
[0021] 步驟三：基于冬小麥樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建參考曲線。本發(fā)明案例中NDVI時(shí)間序列含8個(gè) 時(shí)相，則每個(gè)像元的NDVI時(shí)間序列曲線可表示為不同位置的小麥 由于播種時(shí)間、水肥條件等方面的影響，其NDVI時(shí)間序列曲線會(huì)有所差異，因此，對(duì)所有樣 本像元的NDVI時(shí)間序列曲線進(jìn)行算術(shù)平均(見式（2))，形成冬小麥NDVI時(shí)間序列參考曲線 1.W〇
步驟四：NDVI時(shí)間序列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。以參考曲線為基準(zhǔn)對(duì)NDVI時(shí)間序列曲線進(jìn)行坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換，也就是將試驗(yàn)區(qū)內(nèi)所有像元對(duì)應(yīng)NDVI時(shí)間序列曲線減去參考曲線(見式（3))，得到 每個(gè)像元的NDVI時(shí)間序列轉(zhuǎn)換曲線|。
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的NDVI時(shí)間序列曲線如圖3所示，從圖中可以看出，冬小麥的NDVI時(shí)間序 列轉(zhuǎn)換曲線相對(duì)其它地物，其均值更接近〇,且離散度更小，本發(fā)明充分利用了這一特征，實(shí) 現(xiàn)了冬小麥的高精度識(shí)別。
[0024]步驟五：冬小麥識(shí)別閾值的確定。假設(shè)冬小麥樣本數(shù)據(jù)具有代表性，即樣本像元的 轉(zhuǎn)換曲線的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的動(dòng)態(tài)范圍能夠代表整個(gè)試驗(yàn)區(qū)冬小麥轉(zhuǎn)換曲線的均值和標(biāo)準(zhǔn) 差的動(dòng)態(tài)范圍；冬小麥識(shí)別的閾值包括冬小麥轉(zhuǎn)換曲線的均值絕對(duì)值和標(biāo)準(zhǔn)差，基于NDVI 時(shí)間序列轉(zhuǎn)換曲線，利用冬小麥樣本數(shù)據(jù)，分別計(jì)算樣本像元對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換曲線的均值(見式 (4))與標(biāo)準(zhǔn)差(見式（5))，并對(duì)所有樣本像元的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到均值絕對(duì) 值的最大值議_|_鍵診、標(biāo)準(zhǔn)差的最大值，作為冬小麥識(shí)別的閾值。
步驟六：冬小麥的識(shí)別?；贜DVI時(shí)間序列轉(zhuǎn)換曲線對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各個(gè)像元按照公 式（4)和（5)計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差，然后按照公式（6)判斷該像元是否為冬小麥，遍歷整個(gè)試 驗(yàn)區(qū)，最后形成冬小麥分布圖（圖4)。本次試驗(yàn)的冬小麥的識(shí)別精度為97.8%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于NDVI時(shí)間序列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的冬小麥識(shí)別方法，該方法包括如下步驟： 步驟一：獲取冬小麥生長周期內(nèi)的GF-1WFV影像序列，并構(gòu)建NDVI時(shí)間序 列，形成W時(shí)間為橫坐標(biāo)，NDVI為縱坐標(biāo)的NDVI時(shí)間序列曲線；步驟二：通過實(shí)地 調(diào)查或歷史數(shù)據(jù)，獲取冬小麥樣本數(shù)據(jù)；步驟Ξ:基于冬小麥樣本，獲取相應(yīng)的像 元的NDVI時(shí)間序列曲線，對(duì)所有樣本像元的NDVI時(shí)間序列進(jìn)行算術(shù)平均，形成冬 小麥NDVI時(shí)間序列的參考曲線；步驟四：W冬小麥NDVI時(shí)間序列參考曲線為基準(zhǔn) 對(duì)NDVI時(shí)間序列曲線進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也就是將試驗(yàn)區(qū)內(nèi)所有像元對(duì)應(yīng)NDVI時(shí)間 序列曲線減去參考曲線，其中，像元的NDVI時(shí)間序列表示為咳;CI?辨辨^:察藻 ，冬小麥的NDVI時(shí)間序列參考曲線表示為!發(fā)皆=:;《挺，游;巧縣…:嘴，按照公式 襲彎-礙茲;心維跨裝甘*，鷄K涕裝^―;變論矜、，錢-纖滅0^計(jì)算得到每個(gè)像元的NDVI時(shí)間序歹I] 轉(zhuǎn)換曲線；步驟五：基于NDVI時(shí)間序列轉(zhuǎn)換曲線，利用冬小麥樣本數(shù)據(jù)，分別計(jì)算樣本像元 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換曲線的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，然后通過統(tǒng)計(jì)分析獲取均值絕對(duì)值和標(biāo)準(zhǔn)差的最大值作 為小麥識(shí)別的闊值，實(shí)現(xiàn)闊值的自動(dòng)確定；步驟六：利用步驟四得到的轉(zhuǎn)換曲線，分別計(jì)算 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換曲線的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，并利用步驟五得到的闊值進(jìn)行判斷， 當(dāng)均值和標(biāo)準(zhǔn)差都在闊值范圍時(shí)，則判定該像元為冬小麥，遍歷整個(gè)試驗(yàn)區(qū)，最后形成冬小 麥分布圖。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于NDVI時(shí)間序列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的冬小麥識(shí)別方法，其特征 在于，所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將冬小麥的NDVI時(shí)間序列控制在0值附近，并降低冬小麥NDVI時(shí)間序 列的離散度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于NDVI時(shí)間序列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的冬小麥識(shí)別方法，其特征 在于，所述冬小麥樣本數(shù)據(jù)為冬小麥的幾何位置信息，且在試驗(yàn)區(qū)相對(duì)均勻分布，具有代表 性。
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于NDVI時(shí)間序列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的冬小麥識(shí)別方法，本發(fā)明采用覆蓋冬小麥生長周期NDVI時(shí)間序列，充分利用冬小麥區(qū)別于其它地物的特有物候特征，并通過NDVI時(shí)間序列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，顯著提升冬小麥與其它地物的差異，并基于均值與標(biāo)準(zhǔn)差閾值分割法實(shí)現(xiàn)了冬小麥的高精度識(shí)別。
【IPC分類】G06K9/00
【公開號(hào)】CN105404873
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510845296
【發(fā)明人】占玉林, 孟慶巖, 顧行發(fā), 余濤, 王春梅, 李娟 , 魏香琴, 劉苗, 李玲玲
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所
【公開日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年11月30日