基于MODIS数据的低山丘陵区水稻估产模型研究

【摘要】面对世界粮食危机,水稻的产量在中国的粮食安全和提高中国对世界粮食危机的抵抗力上显得非常重要,而庞大的人口和有限的播种面积是我国的基本国情。立足于基本国情和现状,对农作物增产方面的研究、种植面积的监测以及产量的估算对我国粮食的安全具有重要的意义。重庆市合川区低山、丘陵的地形地貌特征显著,研究合川区水稻估产模型,对重庆市乃至南方丘陵区水稻产量估算方法的研究和粮食安全、环境变化具有重要的意义,为低山丘陵区水稻估产精度的提高和估产的产业化建立基础,进而为中国粮食生产、粮食安全和环境保护提供参考。本文利用2003-2012年合川区EOS/MODIS-EVI数据和2006-2009年调查统计的村级水稻的产量及播种面积数据,结合重庆市气象站点提供的物候信息、相关的气候数据信息、行政区划数据、土地利用数据和DEM等数据。经过遥感数据的预处理,对EVI时间序列数据进行重建(S-G滤波、AG拟合和D-L拟合)和结果评价,利用时序分析方法(Theil-SenMedian趋势分析法、Mann-Kendall检验法、Hurst指数)综合分析了合川区10年植被覆盖的时空动态变化特征；通过线性回归分析,在区域和不同生态分区下,建立水稻的估产模型并选取和分析了最优估产模型,对2009年水稻的产量进行预测和误差分析。主要的结论如下：(1)利用3种最常见和经典的植被指数时间序列重建方法对合川区EVI数据重建后,直接比较和定量统计分析了重建后的结果,综合得出AG(非对称高斯函数)拟合方法重建的结果最好。(2)合川区植被覆盖年际变化特征表现为：年均EVI值在0.38-0.44之间变化,整体情况处于良好的态势,10年EVI总体趋势表现为增长。EVI值空间分布总体呈现为中部河谷区较高,东北中丘宽谷区次之,西北方山丘陵区和南部深丘低山区较低的特征；与土地利用和地形地貌的分布呈显著的耦合性；而多年EVI均值表现为农业植被>常绿植被。(3)合川区植被覆盖季际变化特征表现为：10年EVI均值总体表现为夏季最大,春季和秋季次之,冬季最小。西北方山丘陵区和南部深丘低山区分布有常绿植被,因农业植被和常绿植被四季长势的不同,夏季农业植被的长势明显强于常绿植被,故该区夏季的EVI值空间分布主要呈紫色(低值)；东北中丘宽谷区和中部河谷区主要是农业植被,夏季是农作物的生长旺季,故该区EVI值最高,空间分布主要呈黄色。(4)合川区植被覆盖变化的趋势表现为植被改善的区域远远大于退化的区域,处于绝对的优势。各生态分区植被变化趋势(改善趋势)表现为：东北中丘宽谷区和南部深丘低山区较强,中部河谷区次之,西北方山丘陵区相对较差。(5)合川区植被覆盖变化的可持续性分析表明研究区植被变化的趋势具有较强的一致性和连续性的像元占明显优势。各生态分区植被覆盖变化的持续性表现为南部深丘低山区最强,中部河谷区和东北中丘宽谷区次之,西北方山丘陵区最弱。根据其空间分布,可以看出植被变化显著,受人类活动影响较大的地区,其Hurst指数往往偏小。(6)合川区植被覆盖变化趋势的动态特征表现为：植被变化趋势表现为改善且未来具有持续性的像元占绝对优势；4个生态分区均以改善不明显且具有持续性的像元为主；西北方山丘陵区内植被变化趋势及可持续性表现为持续性改善不明显和持续性退化不明显特征为主,而其余3个生态分区内植被的变化趋势及可持续性特征趋同,均以持续性改善不明显和持续性改善明显为主。(7)水稻EVI空间累积值与产量之间的Pearson相关性分析显示出显著的正相关(p=0.01)。区域的影像时相为137和153的EVI空间累积值与水稻产量的相关性最高。东北中丘宽谷区和中部河谷区内的影像时相为137(拔节期)和153(孕穗期)EVI空间累积值与水稻产量的相关性最高；南部低山丘陵区和西北方山丘陵区的影像时相为217(乳熟期)和233(完熟期)EVI空间累积值与水稻产量的相关性最高。各生态分区之间,对应各生育期EVI空间累积值与水稻产量相关性表现为低海拔区的相关性大于高海拔区。(8)基于统计相关分析模式,建立区域和不同生态分区下水稻的遥感估产线性模型。通过模型精度分析可知,生态分区下的水稻估产模型更具有适应性,预测的精度更高；平均海拔较高的南部低山丘陵区和西北方山丘陵区,水稻估产的最佳生育期集中在生殖生长阶段；平均海拔相对较低的东北中丘宽谷区和中部河谷区,水稻估产的最佳生育期集中在营养生长阶段。特别是时相为137(拔节期)的EVI影像是整个区域和低海拔区的最佳时相。通过区域和各生态分区最优模型预测的2009年水稻产量结果较好。综上所述,本文通过重建EVI时间序列数据后,分析了研究区10年植被覆盖的时空动态变化特征,建立区域和不同生态分区的水稻线性估产模型并分析,得到了不同生态分区的模型更具有适应性,为进一步研究低山丘陵区水稻估产和农作物估产的产业化提供了一定的基础。
【作者】宁佐荣；
【导师】刘洪斌；
【作者基本信息】西南大学，土地资源管理，2014，硕士
【关键词】MODIS-EVI数据；时间序列；低山丘陵区；时空变化；水稻估产；

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