时序NDVI数据集重建方法评价与实例研究

时序NDVI数据集已经成功地应用于全球与区域环境变化、植被动态变化、土地覆盖变化和植物生物物理量参数反演等方面的研究。受到大气条件和传感器自身因素的制约,虽然经过严格的预处理,时序NDVI数据集仍包含很多噪声,影响其进一步的应用。首先介绍了近几年来普遍使用的6种时序NDVI数据集的重建方法：改进的最佳指数斜率提取法、均值迭代滤波法、Savitzky-Golay滤波法、傅立叶变换法、非对称高斯函数拟合法和时间序列谐波分析法 |然后采用这几种方法对张掖地区2007年和2008年10 d最大值合成的SPOT/VEGETATION的时序NDVI数据进行了重建,对重建结果进行了比较和评价 |最后对人为的噪声序列进行重建,对重建结果的优缺点进行评价。     

NDVI 时间序列数据集重建方法述评

基于NOAA/AVHRR、SPOT/VEGETATION 以及MODIS 等卫星影像得到的归一化植被指数(NDVI,Normalized Difference Vegetation Index) 时序资料已经在植被动态变化监测、宏观植被覆盖分类和植物生物物理参数反演方面得到了广泛的应用, 但由于受云层、天气等因素的影响,NDVI 数据集存在大量的噪声, 因此对NDVI 时间序列数据集进行重建, 提高NDVI 数据集质量的研究逐步受到关注。对近年来普遍使用的几种NDVI 时间序列数据集重建方法(最大值合成、最佳指数斜率提取、中值迭代滤波、时间窗内的线性内插、傅里叶变换、S2G 滤波) 进行了详细介绍并评述了这些方法的优缺点。     

长时间序列NDVI数据重建方法比较研究进展

长时间序列遥感数据集被广泛应用于全球或区域环境变化、植被动态变化、土地覆盖变化和植物生物物理参数反演等研究,受云、气溶胶、太阳高度角和地物二向反射等因素的影响,这些数据集本身存在很多噪声,限制了数据的深入分析和应用,因此,数据重建是应用前的重要工作。在总结归纳现有时间序列重建方法的基础上,综述了重建方法比较研究的成果,深入比较了常用重建方法对参数的设置要求,分析了目前对重建效果的评价方法以及存在的问题,同时对时间序列数据重建通用软件及其发展作了详细介绍。最后提出了时间序列重建以后的研究重点和发展方向,以期为长时间数据重建研究和应用提供帮助。     

近10a新疆地区植被动态与R/S分析

利用SPOT VGT传感器的NDVI时序数据,采用时间序列谐波分析算法(HANTS)对NDVI数据进行去云预处理,基于趋势分析、Hurst指数分析等方法,研究了1999~2008年新疆植被覆盖的时空变化,分析了Hurst指数的空间分布规律及其在不同土地覆盖类型下的差异。结果表明：近10 a来,新疆植被总体呈现不显著的增加趋势且具有明显的空间差异性。R/S分析表明,新疆大部分地区植被变化将保持现在的趋势,局部地区具有反持续性。各土地覆盖类型Hurst指数均在0.63以上,沙漠、戈壁、裸地的Hurst指数明显高于其它土地覆盖类型,受人类活动影响较大的土地覆盖类型其Hurst指数较低,可持续性低于自然或半自然状态下的植被覆盖类型。     

基于SPOT4数据的黄土高原植被动态变化研究

以SPOT4/VEGETATION数据为基础,以NDVI变化率和年均NDVI值作为植被覆盖动态变化的指标,分析了1998~2005年黄土高原植被覆盖的时空动态变化特征。结果表明黄土高原地区植被动态变化显著增强,1998~2001年黄土高原的植被覆盖有所减少,幅度约为10.5%,2001年后,植被活动显著增强,植被覆盖面积呈增加趋势,2004年后稍有回落。植被生长季的延长和生长加速是该区域NDVI值增加的主要原因,黄土高原地区植被增加和减少的区域相互交错,这一特性是由农业生产活动、城市建设、政府决策及植被对气候变化的响应等综合因素作用的结果。     

基于MODIS时序数据的澳大利亚土地利用/覆被分类与验证

选取对气候变化敏感的澳大利亚作为研究区,基于MOD13Q1数据,对澳大利亚2000年土地利用/覆被进行分类。通过Savizky-Golay滤波方法构建高质量NDVI时序数据,为分类奠定数据基础。采用了以决策树为主的混合分类方法对研究区土地利用/覆被进行分类,该方法综合利用了ISODATA分类结果、NDVI阈值及其时间序列主成分分析特征量等数据。通过面积对比和空间位置匹配等多角度验证的方法,综合比较MOD12Q1,GLC_2000与本研究的结果,发现本研究的总体分类精度为63.65%,Kappa系数为0.56,较以上两种已有的土地覆盖产品具有一定优势。     

融合QA-SDS的MODIS NDVI时序数据重构

基于云南省MOD13Q1时序数据,对比分析了不同质量设置(UI5、UI5-CSS、UI3、UI3-CSS)和不同时序重构方法(简单线性插值、Savitzky-Golay滤波、非对称高斯函数拟合法和双逻辑函数拟合法)组合下NDVI时序重构效果。结果表明:NDVI时序中无效像元数和最大间隙长度在时间和地域上的分布差异受气候干、雨季影响显著。非对称高斯函数拟合法和双逻辑函数拟合法的稳健性和拟合效果较优。NDVI时序中无效像元最大间隙长度是衡量数据质量优劣和时序重构可行性的重要指标,雨季降水和多云天气过于集中是影响云南省境内部分地区时序重构质量提升的关键。基于重构NDVI时序,云南省全境NDVI时空分布呈现雨季大于干季、西部大于东部、南部高于北部、河谷大于山地的特征。     

基于MODIS和AVHRR数据源的东北地区植被NDVI变化及其与气温和降水间的相关分析 

基于逐像元一元线性回归模型,应用MODIS NDVI数据对AVHRR-GIMMS NDVI进行时间序列拓展,拓展序列通过一致性检验,基于所建立的1982~2009年植被年最大NDVI数据集,在GIS平台上进行了植被NDVI变化和NDVI与年平均气温、年降水量之间的相关分析。研究结果表明:过去28 a间,植被年最大NDVI呈3个变化阶段:1982~1992年呈小幅上升趋势,1992~2006年呈缓慢下降趋势,2006~2009年呈缓慢回升态势。由空间变异分析得出NDVI变化相对大的区域主要分布在内蒙干旱和半干旱区。21世纪初和20世纪90年代相对于80年代NDVI值升高,3个阶段平均NDVI变化幅度为±0.3。 20世纪初,赤峰地区以及松嫩平原西部地区植被NDVI呈轻度增加的面积占全区6.45%。植被年最大NDVI与年平均气温、年降水量相关性空间差异明显。偏相关系数绝对值,气温大于降水的像元数占54%;综合分析,较降水而言,气温是东北全区植被年最大NDVI的主控影响因子。对于不同植被类型年最大NDVI,受气温影响强度由大到小依次为:森林>草地>沼泽湿地>灌丛>耕地;受降水影响按草地>耕地>灌丛>沼泽湿地>森林依次减弱。     

基于MODIS多时相的江苏启东市油菜种植面积提取

利用遥感手段,基于油菜种植生长期的MODIS-NDVI 16d合成数据,提取江苏省启东市2008~2009、2009~2010和2010~2011年3个生长季的冬季油菜种植面积。根据油菜生育期NDVI值的时相变化建立了NDVI时序曲线;利用阈值剔除非耕地数据后,对数据利用最小噪声分离(MNF)方法进行压缩处理,最后利用波谱角分类法确定油菜种植区的空间分布,计算油菜种植面积。计算结果与实际统计面积相比,精度达到90%以上,表明该方法作为一种快速油菜种植面积监测方法,具有较高的监测精度。     

基于NDVI和纹理变化的城镇扩展检测--以浙江省绍兴市为例

以绍兴市作为研究区，选取两景不同时相的TM影像，进行了城镇扩展的研究。该研究区位于中国东部沿海地区，其地理位置和投资环境决定了其城镇的快速发展，因此对其进行城镇扩展的研究具有非常重要的意义。本假定以植被覆盖为明显标志的景观生态和基于NDVI的城镇土地利用之间的相互关系，给出了一种新的城镇扩展检测方法，即使用NDVI公式生成植被指数，然后提取1984年和2000年归一化差分纹理指数的纹理影像，这些指数显示了这些纹理影像变化的比率，该方法成功地显示了两景影像间的变化区域。当然为了获取正确的结论往往需要相关的地面数据。研究结果显示，在城镇外围地区具有明显的植被覆盖变化。     

MODIS NDVI与MODIS EVI的比较分析

MODIS NDVI与MODIS EVI是目前应用比较广泛的植被指数,MODIS EVI是对NDVI的发展和延续,从植被指数计算公式和合成方法两方面做了改进。具体表现在:避免了MODIS NDVI在植被高覆盖区易饱和的问题,考虑了土壤背景对植被指数的影响,对气溶胶等残留做了进一步校正,采用BRDF/CV-MVC合成方法保证了合成采用最佳像元。EVI时间序列相较于NDVI时间序列季节性更明显,能够更好地反映高植被覆盖区的季节性变化特征,并且很少有突降现象,时间序列曲线较平滑。EVI的这些优势为高覆盖植被物候特征的季节性变化监测提供了新的思路。     

基于MERSI盘锦湿地植被动态监测及其与MODIS数据对比分析

利用2009年5~9月期间11个时相的FY3/MERSI、EOS/MODIS卫星遥感影像资料,依托土地利用数据,提取122个湿地样点的植被指数,对盘锦湿地植被长势进行动态监测,结果表明:盘锦湿地植被在生长的前期和后期平均每天以1%~1.5%的速率发生变化,2009年8月9日前后,植被指数达到最大值,MERSI-NDVI为0.66,MODIS-NDVI为0.64。同时对MERSI-NDVI与MODIS-NDVI 2009年时间序列数据对比分析,发现二者的相关系数非常高R0.9,监测数据值接近,为我国自主研发的中分辨率卫星监测湿地植被长势的长序列植被指数构建提供了初步的数据基础。     

HJ-1A NDVI与MODIS NDVI时间序列提取植被物候特征对比研究

以HJ-1A和MODIS为数据源,通过动态阈值法提取物候特征参数,对HJ-1A NDVI和MODIS NDVI时间序列进行植被物候特征提取进行定性和定量比较,通过比较结果,提出HJ-1A NDVI数据在该应用中存在的问题,促进国产中空间高时间分辨率影像数据在植被物候信息提取研究中的应用,提高其在生态系统研究中的应用价值。结果表明:在SOS、EOS和LOS以及TOMS几个主要的物候时间点上,MODIS NDVI时间序列的标准差较小,所得物候数据更为集中,偏离度较小,所得物候数据较稳定;而HJ-1A NDVI时间序列所得物候数据的标准差较大,数据偏离程度较大,而在POS、BOS和AOS等表征植被生命周期中生长幅度数据上,其标准差较小,离散程度小。     

A Method for Detecting the Damage of Apocheima Cinerarius Erschoff based on MODIS Time Series:Case Studies in Bachu Populus Euphratica Forest of Xinjiang Province

In recent years，the damage of Apocheima Cinerarius Erschoff in Xinjiang province has seriously threatened the survival and green barrier function of natural Populus euphratica.Due to the large coverage and high tree body of Populus euphratica，traditional monitoring methods are difficult to meet the requirement of rapid monitoring of pest.In this study，the NDVI time series data set of Xiamale forestry in Xinjiang Bachu was reconstructed from the MODIS data from 2014 to the first half of 2017，and the NDVI time series curves were further fitted by three filters.It is found that the S\|G filter can preserve more details of the original curve，and the global fitting can weaken the heterogeneity effectively，so that the vegetation coverage space is better.Through the analysis of the NDVI time series data of the aircraft control area and the comparison with catastrophe point of the non\|flight zone，it is found that the aircraft biological agent means has obvious and continual effects on the controlling of insect pests.proven by the investigation of pest’s population on the ground..The results showed that it was feasible to analyse the insect pests by using the time series of Populus euphratica NDVI.     

基于MODIS NDVI的中国东部植被覆盖时空变化特征

基于2001~2010年逐月MODIS NDVI产品,采用Mann-Kendall检验和Hurst指数,研究中国东部及5个子区(东北区、黄淮海区、长江中下游区、江南区和华南区)植被覆盖的时空动态特征。结果表明:10 a期间中国东部植被覆盖以不显著改善和不显著退化特征为主,前者稍占优势,4个季节中秋季改善状况最显著;未来态势主要表现为不显著改善且未来将持续改善和不显著退化且未来将持续退化两种特征。植被覆盖为不显著退化且将持续退化的区域主要分布在大型城市或城市群周围;5个子区中,除江南区年内主要表现为不显著退化且将持续退化特征外,其余4区均主要表现为不显著改善且未来将持续改善特征。     

Spatio-temporal Analysis of Vegetation Phenology with Multiple Methods over the Tibetan Plateau based on MODIS NDVI Data

In the context of global climate change,vegetation phenology analysis based on remote sensing has become an critical method for studying the characteristics of physical and physiological changes of vegetation.This paper uses the MODIS NDVI time\|series data of 96 meteorological stations over the Tibetan Plateau during 2000\|2014 to explore the development trend of vegetation phenological and geographical environment factors of each meteorological station,typical vegetation coverage and the whole plateau region.Firstly,using three cubic spline function method (Spline),double logistic function method(D\|L)and singular spectrum analysis (SSA),NDVI time\|series data is reconstructed,then using the derivative method (Der)and threshold method (Trs),the key parameters of phenological information is extracted,after that differences and application conditions between the six methods are analyzed and compared.Secondly,using M\|K test trend analysis method,the phenological development trend of each site and area were calculated,the relationship between phenological development trend and altitude,precipitation,temperature is studied.Finally,by the Growing season length(GSL)obtained by temperature threshold method,LOS is compared and verified.in grassland and forest land cover types,SSA,Spline,D\|L combined with threshold method to get the Start of Season(SOS),end of season(EOS),Length of season (SOS)respectively is a good combination strategy.(2)The spatial differences of various phenological parameters extracted by different methods are large,and the trend is relatively consistent at small scales.Southeast humid and semi\|humid shrub steppe region and northwestern desert steppe in the Tibetan Plateau,SOS and EOS delayed,but LOS prolonged;southwestern humid region,SOS and EOS delayed,LOS shortened;widely distributed grassland,the phenological parameters did not show significant tendency.(3)Temperature is related to the development trend of phenological parameters.With temperature increasing,the phenomena of SOS advance,EOS lag are presented.Because of the complexity of the plateau landform and climate,there was no significant relationship between phenological development trend for most of the site with the altitude and precipitation,only a few sites have strong correlation,the correlation between GSL and LOS also showed similar characteristics.For remote sensing based phonological analyses,our study identify there is no method existing here that is a adaptive across all the Tibetan Plateau.in addition,at point scale the phenological parameters do not represent a significant earlier or later trend.     

基于遥感和气象数据的蒙古高原1982~2013年植被动态变化分析

蒙古高原生态系统及其变化对中国北方乃至整个东北亚的生态安全有着重要影响,了解蒙古高原干旱半干旱区植被生长的动态如何在不同时间和空间尺度上响应气候变化十分必要。利用NDVI数据构建长时间序列,分析植被生长动态变化的过程和时空特征,并与气象数据进行相关性分析。主要结论如下:①NDVI的分布具有地带性;②大约39.5%的区域NDVI呈显著的增加(P=0.1),7.3%的区域NDVI显著减少(P=0.1),说明植被条件在蒙古高原有所好转;③蒙古高原NDVI的变异系数均值16.99%,这表明过去32年里植被覆盖变化情况有较强的波动性;④蒙古高原植被的生长状况与降水量有极显著的正相关关系,与气温有极显著的负相关关系。