基于高斯函數(shù)擬合方差自動(dòng)提取地表植被物候信息的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種遙感圖像地表植被物候信息的提取方法，尤其是高斯函數(shù)擬合方 差自動(dòng)提取地表植被物候信息的方法
【背景技術(shù)】：
[0002] 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，農(nóng)作物春播的預(yù)測(cè)和農(nóng)作物防災(zāi)減災(zāi)都與農(nóng)作物物候研宄關(guān)系緊 密，所以農(nóng)作物物候研宄已經(jīng)成為地理學(xué)研宄的熱點(diǎn)之一。武永鋒等以中國(guó)大陸的地表植 被為研宄對(duì)象，建立了陸地地表植被綠度期的遙感監(jiān)測(cè)模型，即Logistic擬合模型，并驗(yàn) 證了該模型結(jié)果的可靠性和優(yōu)越性。國(guó)志興等以東北地區(qū)地表植被為研宄對(duì)象，選擇分段 式Logistic函數(shù)擬合法模擬了研宄區(qū)20a的植被物候期，分析了在全球環(huán)境變化的背景 下，東北地區(qū)地表植被與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。李曉東等參考常見(jiàn)的幾種遙感監(jiān)測(cè)方法，針 對(duì)吉林西部的植被生長(zhǎng)情況，由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人工判定取代傳統(tǒng)上的回歸方程分析，對(duì)最終 數(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行插值運(yùn)算，得到研宄區(qū)域地表植被生長(zhǎng)期的起始與終止日期（即植被綠 度始期和綠度末期）以及生長(zhǎng)期的持續(xù)天數(shù)，并結(jié)合趨勢(shì)分析研宄了本地區(qū)植被物候期在 最近l〇a的變化特點(diǎn)。以上方法在使用過(guò)程中都不能直接完成生長(zhǎng)季持續(xù)長(zhǎng)度計(jì)算，得到 數(shù)據(jù)結(jié)果。
[0003] 綜上，在遙感監(jiān)測(cè)地表植被生長(zhǎng)狀況的研宄中，物候信息提取方法的實(shí)現(xiàn)主要采 用兩種常規(guī)計(jì)算方式，一種是計(jì)算NDVI的累積頻率，利用Logistic曲線擬合NDVI的累積 分布函數(shù)；另一種是根據(jù)實(shí)際的生長(zhǎng)峰值，利用Logistic曲線分段擬合確定研宄區(qū)地表植 被的生長(zhǎng)前期和后期。這兩種方法都是通過(guò)二階求導(dǎo)計(jì)算曲率，根據(jù)最大曲率和最小曲率 判斷植被綠度的始期和終期，最后得到地表植被生長(zhǎng)季的持續(xù)長(zhǎng)度。
[0004] 現(xiàn)有的植被物候信息提取過(guò)程存在以下問(wèn)題：1)受人工判定的主觀因素影響，并 且人工工作量大；2)Logistic曲線擬合NDVI分布函數(shù)不能直接得出數(shù)據(jù)結(jié)果，并且計(jì)算過(guò) 程復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明的目的就在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種針對(duì)現(xiàn)有的植被物候信 息提取過(guò)程中出現(xiàn)的諸如計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，存在人工判定主觀因素等問(wèn)題而提供一種基于高 斯函數(shù)擬合方差自動(dòng)提取地表植被物候信息的方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 引入變程。變異函數(shù)是一個(gè)單調(diào)遞增函數(shù)，當(dāng)h超過(guò)某一數(shù)值（變程，Range)后， 變異函數(shù)不再繼續(xù)單調(diào)地增大，而往往穩(wěn)定在一個(gè)極值附近，這種現(xiàn)象稱為"躍迀"。變異函 數(shù)通過(guò)"變程"反映變量的影響范圍，變程的大小反映區(qū)域化變量影響范圍的大小。變程不 僅是空間概念，也作為時(shí)間概念應(yīng)用到算法。
[0008] 計(jì)算變程。變量的獲取來(lái)自于研宄區(qū)地表NDVI指數(shù)的分布函數(shù)，本發(fā)明對(duì)NDVI 時(shí)間序列數(shù)據(jù)集進(jìn)行方差函數(shù)計(jì)算，得到的變程是整個(gè)NDVI時(shí)間序列集的變程值，這個(gè)變 程值將是方差函數(shù)的最大變異時(shí)段，這個(gè)變異時(shí)段代表研宄區(qū)地表植被的生長(zhǎng)期。
[0009] 基于高斯函數(shù)擬合方差自動(dòng)提取地表植被物候信息的方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1、原始遙感圖像預(yù)處理
[0011]A、通過(guò)遙感軟件ENVI平臺(tái)下的FLAASH模型對(duì)遙感影像的可見(jiàn)光波段進(jìn)行福射定 標(biāo)和大氣校正；
[0012]B、通過(guò)波段比值計(jì)算得到地表植被指數(shù)（NDVI)，根據(jù)研宄區(qū)范圍對(duì)完成計(jì)算的結(jié) 果圖像進(jìn)行裁剪；
[0013]C、重復(fù)上述A-B步驟，得到1年12個(gè)月的月值序列（或1年24旬的旬值序列） 的NDVI遙感圖像數(shù)據(jù)集；
[0014] 步驟2、判定擬合優(yōu)度
[0015] D、在R語(yǔ)言軟件平臺(tái)上編寫(xiě)算法計(jì)算像元的實(shí)際半方差（根據(jù)實(shí)際待計(jì)算的像元 點(diǎn)數(shù)確定本次循環(huán)計(jì)算的次數(shù)），得到該像元的半方差數(shù)值與時(shí)間序列的函數(shù)關(guān)系；
[0016]E、選用高斯函數(shù)對(duì)該像元的地表植被指數(shù)半方差值與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬 合；
[0017]F、判定擬合優(yōu)度（決定系數(shù)）。如果擬合系數(shù)R2多0. 60認(rèn)為擬合結(jié)果通過(guò)檢驗(yàn)， 進(jìn)入第H步驟的計(jì)算；
[0018]G、如果擬合系數(shù)（決定系數(shù)）R2< 0. 60,判定擬合結(jié)果沒(méi)有通過(guò)檢驗(yàn)，該樣點(diǎn)賦0 值，返回第D步驟，進(jìn)入下一個(gè)像元點(diǎn)的計(jì)算；
[0019] 步驟3、變程合理性判定
[0020] H、將遙感影像上像元點(diǎn)的實(shí)際半方差值與相對(duì)應(yīng)的時(shí)間間距值代入高斯函數(shù)公 式，確定高斯函數(shù)公式的各項(xiàng)參變量；
[0021] I、提取擬合函數(shù)的參變量一一變程，即植被指數(shù)半方差數(shù)值在時(shí)間序列軸上到達(dá) 基臺(tái)值的變程；
[0022] J、判定從像元點(diǎn)上提取的變程值。如果range< 12(1年12個(gè)月的月值數(shù)據(jù)集） 或者range< 24(1年24旬的旬值數(shù)據(jù)集），說(shuō)明符合地表植被信息的合理變化范圍，進(jìn)入 第L步驟的計(jì)算；
[0023]K、如果range彡12(1年12個(gè)月的月值數(shù)據(jù)集）或者range彡24(1年24旬的旬 值數(shù)據(jù)集），說(shuō)明不符合地表植被信息的合理變化范圍，該樣點(diǎn)賦〇值，返回第I步驟，進(jìn)入 下一個(gè)像元點(diǎn)的計(jì)算；
[0024]L、逐像元點(diǎn)保存得到的變程值；
[0025] 步驟4,完成物候信息提取
[0026]M、判定是否結(jié)束本次計(jì)算（根據(jù)計(jì)算初始設(shè)定的循環(huán)次數(shù)）；
[0027]N、對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)賦投影信息，投影參數(shù)與原數(shù)據(jù)地圖參數(shù)一致；
[0028] 0、最后保存數(shù)據(jù)，完成地表植被物候信息的提取。
[0029] 有益效果：本發(fā)明有效的解決了擬合參數(shù)較多，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜和人工判定的主觀 因素等問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)了全程依靠計(jì)算機(jī)計(jì)算得出結(jié)果數(shù)據(jù)，消除人工判定的主觀因素，并且簡(jiǎn) 化了計(jì)算過(guò)程。經(jīng)試驗(yàn)，結(jié)果數(shù)據(jù)與研宄區(qū)地表植被實(shí)際物候信息的相關(guān)性強(qiáng)，具有指示性 和代表性。
【附圖說(shuō)明】：
[0030]圖1為基于高斯函數(shù)擬合方差自動(dòng)提取地表植被物候信息的方法的流程圖；
[0031] 圖2為遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正的過(guò)程圖，數(shù)據(jù)類型：Landsat-8的0LI傳感器 陸地觀測(cè)數(shù)據(jù)；大地高程：〇. 143km(從相應(yīng)區(qū)域的DEM獲得平均值）；
[0032] 圖3為地表植被指數(shù)時(shí)序數(shù)據(jù)集中確定時(shí)間點(diǎn)下的NDVI數(shù)據(jù)圖；
[0033] 圖4為高斯函數(shù)對(duì)地表植被指數(shù)的實(shí)際半方差的擬合結(jié)果圖；
[0034] 圖5為地表植被物候信息的結(jié)果圖；
[0035] 圖6表1為實(shí)際方差、高斯函數(shù)與變程的關(guān)系表。
【具體實(shí)施方式】：
[0036] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0037] 基于高斯函數(shù)擬合方差自動(dòng)提取地表植被物候信息的方法，包括以下步驟：
[0038] 步驟1、原始遙感圖像預(yù)處理
[0039]A、通過(guò)遙感軟件ENVI平臺(tái)下的FLAASH模型對(duì)遙感影像的可見(jiàn)光波段進(jìn)行福射定 標(biāo)和大氣校正；
[0040]B、通過(guò)波段比值計(jì)算得到地表植被指數(shù)（NDVI)，根據(jù)研宄區(qū)范圍對(duì)完成計(jì)算的結(jié) 果圖像進(jìn)行裁剪；
[0041]C、重復(fù)上述A-B步驟，得到1年12個(gè)月的月值序列（或1年24旬的旬值序列） 的NDVI遙感圖像數(shù)據(jù)集；
[0042] 步驟2、判定擬合優(yōu)度
[0043] D、在R語(yǔ)言軟件平臺(tái)上編寫(xiě)算法計(jì)算像元的實(shí)際半方差（根據(jù)實(shí)際待計(jì)算的像元 點(diǎn)數(shù)確定本次循環(huán)計(jì)算的次數(shù)），得到該像元的半方差數(shù)值與時(shí)間序列的函數(shù)關(guān)系；
[0044]E、選用高斯函數(shù)對(duì)該像元的地表植被指數(shù)半方差值與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬 合；
[0045]F、判定擬合優(yōu)度（決定系數(shù)）。如果擬合系數(shù)R2多0. 60認(rèn)為擬合結(jié)果通過(guò)檢驗(yàn)， 進(jìn)入第H步驟的計(jì)算；
[0046]G、如果擬合系數(shù)（決定系數(shù)）R2< 0. 60,判定擬合結(jié)果沒(méi)有通過(guò)檢驗(yàn)，該樣點(diǎn)賦0 值，返回第D步驟，進(jìn)入下一個(gè)像元點(diǎn)的計(jì)算；
[0047] 步驟3、變程合理性判定
[0048]H、將遙感影像上像元點(diǎn)的實(shí)際半方差值與相對(duì)應(yīng)的時(shí)間間距值代入高斯函數(shù)公 式，確定高斯函數(shù)公式的各項(xiàng)參變量；
[0049] I、提取擬合函數(shù)的參變量一一變程，即植被指數(shù)半方差數(shù)值在時(shí)間序列軸上到達(dá) 基臺(tái)值的變程；
[0050]J、判定從像元點(diǎn)上提取的變程值。如果range< 12(1年12個(gè)月的月值數(shù)據(jù)集） 或者range< 24(1年24旬的旬值數(shù)據(jù)集），說(shuō)明符合地表植被信息的合理變化范圍，進(jìn)入 第L步驟的計(jì)算；
[0051]K、如果range彡12(1年12個(gè)月的月值數(shù)據(jù)集）或者range彡24(1年24旬的旬 值數(shù)據(jù)集），說(shuō)明不符合地表植被信息的合理變化范圍，該樣點(diǎn)賦〇值，返回第I步驟，進(jìn)入 下一個(gè)像元點(diǎn)的計(jì)算；
[0052]L、逐像元點(diǎn)保存得到的變程值；
[0053] 步驟4,完成物候信息提取
[0054]M、判定是否結(jié)束本次計(jì)算（根據(jù)計(jì)算初始設(shè)定的循環(huán)次數(shù)）；
[0055]N、對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)賦投影信息，投影參數(shù)與原數(shù)據(jù)地圖參數(shù)一致；
[0056] 0、最后保存數(shù)據(jù)，完成地表植被物候信息的提取。
[0057] 算法說(shuō)明：
[0058] 1)地表植被指數(shù)（NDVI)具有較為顯著的季相變化，說(shuō)明基于NDVI遙感數(shù)據(jù)的植 被物候提取方法具有可行性。從年內(nèi)NDVI變化曲線來(lái)看，地表植被生長(zhǎng)特點(diǎn)大致呈現(xiàn)"S" 型曲線，符合地表植被生物量變化規(guī)律。就目前來(lái)看