【doc】利用NDVI指数识别作物及土壤盐碱分布的应用研究

【doc】利用NDVI指数识别作物及土壤盐碱分布的应用研究 利用NDVI指数识别作物及土壤盐碱分布的 应用研究 2003年12月Journal0f 灌溉排水 gationandDrainage 第22卷第6期 文章编号:1000—646X(2003)06—0005—04 利用NDVI指数识别作物及土壤盐碱 分布的应用研究 许迪,王少丽,蔡林根,B.Vincent (1.国家节水灌溉北京工程技术研究中心,北京100044;2.法国农业及环境工程研究院,安东尼) 摘要;利用监督分类,?D指数等遥感影像处理方法,在黄河上游的宁夏青铜峡灌区开展识别作物及土壤盐 碱分布的应用研究.基于LANDSAT卫星遥感影像,依据NDVI指数推断作物及土壤盐碱分布,得到灌区作物及 土壤盐碱分布状况年口相应的估算结果.研究结果表明,灌区上,下游之间在作物长势上存在着较大差异,北部地区 明显低于南部,土壤盐碱分布差别是造成该差异的主要原因之一.受盐碱影响的作物面积在年度内随气候条件的 改变呈现出明显的季节性变化,灌区年内受土壤盐碱危害的面积约为100000hm,近1/3的作物面积受到程度不 一 的土壤盐碱化影响,且灌区下游的盐碱地面积及盐碱化程度均高于上游. 关键词:遥感;影像}NDVI指数}作物;盐碱 中图分类号:S127文献标识码:A 遥感技术侧重在大尺度范围内获取地面以及一定深度的自然资源和生态资源的 信息,适宜于用来解决 区域面积上收集,整理和更新大量信息资料中所遇到的制图,按比例放大,模拟等一系列问题,其获得的信息 具有真实客观,及时准确,重复性强的突出特点和优势.为此,遥感技术已在国内外农业领域中得到了广泛的 应用,引. 1试验与方法 1.1研究区基本情况 研究区位于黄河上游下段的宁夏青铜峡灌区.该灌区地处宁夏银川平原,总土地面积6239km., 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 灌 溉面积33万hm.区内地貌为典型的黄河冲积平原,属大陆性季风气候区,年均降水量18O,220mm,年均 蒸发量1000~1550mm,年均气温8.5?,年均日照时数2870~3080h.灌区自然地形是南(上游)高,北(下 游)低,西高东低,地面坡度在1/4000~1/8000之间,土壤类型有潮土,灌淤土,盐(碱)土等,表层土质主要以 壤土和轻壤土为主.作物种植以春小麦和水稻为主,套种玉米,可利用的水资源有雨水,黄河水和地下水,潜 层地下水平均埋深1.5m,矿化度2,4g/L.惠农灌区是青铜峡灌区的一部分,东临黄河,形状呈狭长带状, 南北长130km,东西平均宽10km,总土地面积1290km,灌溉面积74400hm..青铜峡灌区降水稀少,蒸发 强烈,多年来大量引用黄河水灌溉加之农田排水不畅,导致地下水位居高不下,造成大面积土壤盐碱化,成为 制约当地农业生产发展的主要障碍因素. 1.2遥感数据选用及地物调查验证 考虑到当地大陆性季风气候对作物生长的影响,选用遥感影像的最佳时相是在雨 . 季前后的4月或9月 研究中选用的遥感影像有2幅LANDSAT5正片(1999年4月和6月)和1幅 LANDSAT7正片(1999年9 收稿日期:2003—09—18 基金项目:中国一欧盟重大科技合作项目(ERBIC18CT970170) 作者简介:许迪(1957一),男,北京人,教授级高级工程师,博士,主要从事节水灌溉理论与技术研究 5 月).正片是在原始数据源上经不同光谱波段暴光后制备的,并采用可将信息正确的分解为具有JPEG格式 的红,绿,蓝通道的高精度扫描设备进行数字化处理.通过GPS实地采集的数据对上述全部影像进行了几何 精度校正. 通过野外实际调研的方式开展作物与土壤盐碱分布的地物验证工作.采用在实验小区内做详细调研,在 小区外做随机选点相结合的调查模式,发现作物及土壤盐碱与其影像特征之间的对应关系,对经目视判译后 标记在遥感影像上的作物及土壤盐碱状况进行实地验证.实验小区分别建在惠农灌区下游的惠农县和中游 的平罗县,每个小区的面积约300hm.. 1.3遥感影像识别方法 采用监督分类,规一化植被指数NDVI等遥感影像处理方法完成对影像上记录的作物和土壤盐碱进行 识别分类与统计估算工作.监督分类法需要在对遥感影像进行分类前,对所拟进行识别的地物类别情况具有 一 些先验知识,并以这些已有的知识作指导,完成对全部影像的分类计算[4].规一化植被指数NDVIF(IR -- R)/(IR+R)]是遥感影像分类识别中最为广泛应用的指数之一,它是红外光(IR)与可 见红光(R)谱段组 合的产物,NDVI与高密度的地表植被覆盖呈正相关,对土壤和水体则趋于零[7],较高的NDVI值反映了较 强的作物长势及种植密度. 2结果与讨论 2.1作物面积 图1给出在不同时相(1999年4月,6月和9月)得到的青铜峡灌区LANDSAT影像,它是由近红外 (NIR),可见红光(R),可见绿光(G)组合的彩色图.图1中被网格环绕的区域为惠农灌区,结合灌区行政区 划和地域特点将其由上游(南部)至下游(北部)分为8个面积不等的区段,其中箭头所指处从上到下顺序为 位于区段一8内的惠农和位于区段一4内的平罗实验小区.对图1进行目视判别可发现,由于4月正值春小 麦苗期,玉米,水稻,大豆等其它作物尚未播种,故无法探测出地表植被的存在,能明显观察到的成片白色斑 块是地表盐痂层.在干旱少雨的4月期间,青铜峡灌区土壤盐碱分布较为广泛,但在6月和9月,盐碱分布状 况有所减弱,尤其是惠农灌区土壤盐碱化相对较轻. (a)4月(b)6月(C)9月 图1LANDSAT影像(1999年) 依据计算得到的NDVI指数可从图1推断出作物的分布状况.对青铜峡灌区所处的干旱地区而言,作 物覆盖与地表裸露间的差别是非常明显的,一般无需进行实际地物校验就可凭借定义的阈值从影像上准确 地对二者加以划分.但在作物覆盖范围内,作物长势及种植密度上的差异将通过对高,低NDVI值的分类进 行识别与划分,需将监督分类法分别应用到高,低二类NDVI值上,以便探测出具有同类NDVI值的作物均 质区域.在近似均质的作物种植模式假设下,同类NDVI值的作物均质区域或许与作物的生理特性有关,要 对具有高,低二类NDVI值的作物均质区域做出正确的解译,仍需要借助实际地物调查的方法进行校验.从 图1(b)中可划分出高,低二类NDVI值,而图1(c)中则能划分出高,中,低3类NDVI值,这是由于 LANDSAT5和LANDSAT7之间在光谱容量上的差别所引起的,前者中的低NDVI值大致对应于后者的 中,低二类NDVI值. 6 表1给出1999年不同时相内得到的青铜 峡灌区作物面积和具有高,低二类NDVI值的 作物面积的估算结果.青铜峡灌区9月的作物 面积比6月增长了约130,产生作物面积较 大差异的原因可能有如下几点:?当地的玉米 袁1不同时相估算的青铜峡灌区作物面积和具有 高,低二类NDVI值的作物面积 和春小麦之间实行套种,9月时逢玉米生长旺季而春小麦又临近成熟,较高的地面作物种植密度有可能使得 计算的NDVI值超出了常规范围;?水稻或玉米在6月刚步入快速成长期,故计算的NDVI值有可能偏低, 高ND~l低ND~ 图2青铜峡灌区高,低NDVI值作物面积分布 不能真实的反映出地面植被覆盖状况;?没能及时有效 地开展对作物分布的地物验证工作;?玉米和春小麦问 的套种增大了准确探测玉米的难度;?利用扫描的正片 来探测水稻或玉米的问题并没有很好地得到解决.表1 说明6月至9月期间,低NDVI值作物面积(A)始终是 高NDVI值作物面积(A.)的2,4倍,高,低二类? 值的面积占同期作物面积(A)的比例分别在1O%上下浮 动,总体上变幅不大.图2显示出9月期间具有高?Dw 值的作物面积主要分布在青铜峡灌区中,南部,而低 NDVI值的作物面积则遍布在灌区北部,灌区内NDVI 值的这个分布特点可从局部放大的惠农和平罗实验小区 呈现的状况给出验证. 图3给出1999年6月和9月期间惠农灌区各区段作 物面积以及具有高,低二类NDVI值的作物面积占相应 区段面积比例的分布变化趋势.其中位于惠农灌区上游 的区段一1至区段一4内的作物面积占区段面积的比例大体呈上升趋势,而下游的区段一5至区段一8内的 作物面积占区段面积的比例总体上呈下降趋势,6月份各区段的作物面积占相应区段面积的比例都分别高 于9月份,且6月期间全灌区该比例的平均值为71.3%,大于9月期间的43.6%,这表明6月份惠农灌区受 土壤盐碱的影响程度似乎低于9月份,这与6月适逢雨季,降雨有利于土壤盐分淋洗有关.另一方面,6月期 间各区段内高NDVI值的面积占作物面积的比例呈下降趋势,而低?D值的面积占作物面积的比例却呈 上升趋势,二者间的差别在区段一5至区段一8之间最为显着;9月期间各区段内高,低二类NDVI值的面积 占作物面积比例的变化状况相对较为平缓,二者间的差别相对较小,但前者低于后 ,低二类NDVI值 者.高 的面积占作物面积比例的变化趋势表明,惠农灌区的作物长势及种植密度在不同时段内沿各区段的变异分 布是十分明显的,且在灌区下游,低?Dw值面积占作物面积的较高比例意味着灌区北部的土壤盐碱状况 要比南部严重. 图3惠农灌区不同时段内各区段作物面积的分布趋势 r b1q月 7 ?h 墨|j1.董_>llJl— n?n?,一 三兰三一一一 2.2盐碱面积 对NDVI值分类的结果突出表明,青铜峡灌区南,北部之间存在着明显的水土条件差异,其中土壤盐碱 分布差别是产生该差异的重要因素.图1(a)显示出,由于春季干旱少雨,没有灌溉,土壤盐分淋洗不足导致 表层盐分的高度积累,形成成片的白色盐斑,灌区北部受土壤盐碱影响的面积要明显大于南部.通常很难从 空中观测到如图1显示的景观[8],不仅土壤盐碱问题一目了然,而且水体也以暗色区域清晰地出现在影像 上,这些水体可能是鱼池(塘),水库,灌溉区域或是农田低洼涝渍区等. 表2估算结果表明,1999年4月青铜峡灌区的盐碱地面积(A.)为96580hm,到6月减少到19180hm, 占灌区作物面积的14.3%,随后9月又增长至25000hm,占灌区作物面积的8.2,尽管盐碱地占作物面积 的比例有所下降,但盐碱地面积仍增长了3O.据灌区内实地调查发现,新增盐碱地面积主要发生在灌区北 部,这些盐碱地在6月还曾是农田.因此,1999年期间青铜峡灌区相对固定的重盐 19180hm. 碱地面积约为 表2不同时相估算的青铜峡灌区盐碱地面积青铜峡灌区4月的96580hm盐碱地 面积到6月份减少到 19180hm,其余77400hm面积中,种有作物但却具有低 NDVI值的面积为9000hm,另有68400hm的面积由于盐碱 等原因被弃耕.进入9月,灌区盐碱地面积增长到25000hm, 种有作物但具有低NDVI值的面积仍为9000hm,在6月被弃 耕的68400hm面积中,种有作物并显示出高NDVI值的面积有7000hm,全部出现在灌区的南部,种有作 物但显示出低NDVI值的面积有47000hm,都发生在灌区的北部,其余14400hm面积仍被弃耕.故在 1999年9月,灌区盐碱地面积(25000hm)与弃耕面积(14400hm)之和达到了39400hm,若采用适当的农 田水土改良措施,这类耕地可在一定程度上得到修复.另一方面,9月份在原有9000hm低NDVI值的面积 上再新增47000hm低NDVI值的面积,其总数达到了56000hm,约占同期作物面积中具有低NDVI值的 作物面积总和242560hm的23,其余低NDVI值作物面积的存在尽管可能与许多制约因素有关,但受到 程度不同的土壤盐碱化影响仍然是潜在的重要因素之一. 3结论 在黄河上游的青铜峡灌区,1999年期间采用遥感技术估测作物及土壤盐碱分布状况的结果表明,灌区 南(上游),北部(下游)之间在作物长势上存在着较大差异,北部地区明显低于南部,作物长势及种植密度在 灌区内的变异状况显着,土壤盐碱分布差别是造成该差异的主要原因之一.灌区内受盐碱影响的面积在年度 内随气候条件的改变呈现出明显的季节性变化,下游的盐碱地面积及盐碱化程度均高于上游.整个灌区由于 盐碱等原因被迫弃荒的面积为39400hm,虽种有作物但仍受到盐碱影响的具有低NDVI值的面积为 56000hm,则年内受土壤盐碱危害的总面积约为100000hm,这与灌区现有统计的 盐碱地面积120000hm 相接近,近1/3的作物面积受到程度不一的土壤盐碱化影响,遥感技术可用来监测 区域土壤盐碱化的动态变 化过程. 参考文献: [1陆登槐,郑学坚.遥感技术在农业工程中的应用[M].北京:清华大学出版社,1997. [2]陈正宜.天然文岩渠流域遥感应用研究EM].北京:科学出版社,1987. [35VincentB,FrejefondE,VidalAandBaqriA.Drainageperformanceasse~ssmentbyllseofremotesensingtechniquesinirrigationanddrainage ER].Cemagref—FAO,Montpenier,1993. E41冯仲科,余新晓."3s"技术及其应用EM].北京:中国林业出版社,2000. [5郭德方.遥感图像的计算机处理和模式识别EM].北京:电子工业出版社,1987. E62宋述龙,张占睦.遥感图像获取与分析EM].北京:科学出版社,2000. [7:李保国,龚元石,左强.农田土壤水的动态模型及应用EM5.北京:科学出版 社,2000. Es?Tabet,D.Int6r~tdyuneapprochespatialepourlesuividelasalinit~dessolsdanslessyst~mesirrigu~s.CasdelasubdivisiondeChistiandans lePunjabER~.ENGREF,Montpenier,1999. 8 (下转第32页) AnalysisonAgriculturalWaterResourcesandWaterPriceTheoryinChina GAOFeng,XUJian—zhong (1.FarmlandIrrigationResearchInstitute,Xinxiang453003,China; 2.ChinaCenterofIrrigationandDrainageDevelopment,Beijing100053,China) Abstract:ThestateofwaterresourcesinChinaisthoroughlyanalyzedthatexcess,shortage,pollutionand ecologicalimbalanceofwaterresourcesarethemainproblems.Comparedwithdevelopedco untries,westill havealongwaytOgoinwaterproductivityandutilizationratio.Theadjustableactionofwaterpricesystemon thedistributionofwaterresourcesandthemajorproblemsexistinginthepresentwaterpriceareexploredin thispaper.Besides,thevariationlocusofthedynamicbalancepricevectorofwaterresourcesanditsstability arediscussed.Whenvaryingthroughtheidealvariationlocus,thepricevectoristhestablest.Thesufficient andnecessarvconditionfortherelativestablepricevectorisputforwardwhenitvariesthroughthenon—ideal locus. Keywords:waterresources;agriculturalwaterprice;balanceprice (上接第8页) AppliedStudyonIdentificationof DistributionbyNDVI CropsandSalinity Index XUDi1,WANGShao-li,CAILin—gen,BVincent (1.NationalCenterofEfficientIrrigationEngineeringandTechnologyResearch,Beijing100044,China; 2.LaRecherchePourL'IngenieriedeL'AgricultureetdeL'Environnement,Antony,France) Abstract:ByapplyingremotesensingtechniquestOtheQingtongxiaIrrigationSystem(QIS)inNingxia,this paperpresentedtheappliedstudyonidentificationofcropsandsalinitydistributionbytheNDVIIndex? Extensiveuseofvariousimageprocessingmethods,includingthesupervisedclassificationandtheNDVIindex, weremadetoidentifythecropsandsalinitydistribution.FortheQIS,basedontheLANDSATscene,the distributionofcroppedareaandsaltaffectedareaweredeductedfromNDVIcomputation.Theresultsindicated thatasharpcontrastincroppingintensitiesiSshowedbetweensouthandnorth,i.e.upstreamand downstream.ThephenomenonthatthenorthernpartofQISshows1essintensecroppingintensitiesisstrongly aSsumedtObetheconsequenceofthesalinity.Duringtheyear1999inQIS,itisclearthataseasonalvariation inthetotalsaltaffectedareaisevidentlyobservedaschangeoftheclimaticconditions,andtheRSapproachhas shownthegeographicextendofsalinity,representingabout100000hm.,i.e.onethirdofthetotalcropped areaisaffectedbysalinity. Keywords:remotesensing(RS);image;NDVIindex;crop;salinity 32