[發明專利]一種基于改進型MODIS指數的玉米種植區域土壤濕度評估方法

有效

• 申請號: 201711320452.8
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN108169161B
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發明（設計）人: 孟令奎;洪志明;張東映;張文
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N21/3554
• 分類號: G01N21/3554
• 代理公司: 42102 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 唐萬榮;李丹

1.一種基于改進型MODIS指數的玉米種植區域土壤濕度評估方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1)對采集到的MODIS遙感數據進行預處理；

1.1)MODIS地表反射率質量控制

1.1.1)首先使用MODIS投影轉換工具MRT將MOD09GA瓦塊數據進行重投影、影像鑲嵌和裁剪處理，獲得玉米種植區域的數據集，所述玉米種植區域的數據集包括紅外波段和近紅外波段的地表反射率、太陽天頂角和質量控制數據圖層；然后用作物種植分類結果圖進行玉米地的掩膜，過濾非玉米種植區像元；

1.1.2)對于過濾后的每一個像元，用質量控制數據圖層對應值進行篩選,篩選出有效像元；

1.2)MODIS地表溫度質量控制

1.2.1)首先使用MODIS投影轉換工具MRT將MOD11A1瓦塊數據進行重投影、影像鑲嵌、裁剪處理，得到覆蓋玉米種植區域的數據集，所述數據集包括白天地表溫度和質量控制圖層；然后用作物種植結果圖進行玉米種植區域的掩膜，過濾非玉米種植范圍的像元；

1.2.2)對于過濾后的每一個像元，用質量控制圖層對應值進行篩選，篩選出有效像元；

步驟2)遙感指標計算；

2.1)計算歸一化植被指數NDVI，計算公式如下:

式中，R_red與R_nir分別為MODIS數據紅外與近紅外波段反射率；

2.2)通過紅外波段反射率與近紅外波段反射率的線性組合計算垂直干旱指數PDI，計算公式如下：

式中，R_red與R_nir分別為紅外與近紅外波段反射率，M為土壤線斜率；

2.3)通過歸一化植被指數NDVI與地表溫度計算脅迫供水指數VSWI，計算公式如下:

VSWI＝NDVI/T_s

式中，T_s為地表溫度；

步驟3)植被覆蓋度分區；

3.1)計算植被覆蓋度FVC

3.1.1)首先使用MODIS投影轉換工具MRT將MOD09GA瓦塊數據進行重投影、影像鑲嵌和裁剪，獲得覆蓋研究區域的數據集，包括紅光波段和近紅光波段的地表反射率、太陽天頂角、質量控制數據圖層，然后用研究區域作物種植結果圖進行玉米地的掩膜，過濾非玉米種植區像元；

3.1.2)對于過濾后的每一個像元，用質量控制圖層對應值進行篩選，篩選出有效像元；

3.1.3)計算植被覆蓋度FVC，公式如下：

式中NDVI_min與NDVI_max采用步驟3.2)中的方法得到；

3.2)裸土低植被覆蓋區域與中高植被覆蓋區域的閾值分割

3.2.1)計算裸土像元的歸一化植被指數NDVI，設為最小歸一化植被指數NDVI_min；

3.2.2)通過葉面積指數確定純植被像元對應的歸一化植被指數NDVI下極限，設為最大歸一化植被指數NDVI_max；根據葉面積指數和植被覆蓋度FVC的關系，當葉面積指數大于2的時候，對應的最小NDVI為NDVI_max；

3.2.3)將樣本根據閾值劃分成兩類，即NDVI低于與高于閾值的兩類樣本，分別對應兩種指數PDI與VSWI，計算PDI、VSWI與實測數據之間的擬合優度R²，當兩個指數的擬合優度R²均大于0.6時，對應的閾值為NDVI最優閾值；

步驟4)根據步驟3)中確定的裸土低植被與中高植被覆蓋區域的閾值，構建改進型MODIS指數，公式如下：

式中，S₁為步驟3.2.3)確定的閾值，S₀，S₂為NDVI取值范圍,分別代表NDVI所能取到的最小和最大值,f、g分別為PDI與VSWI的擬合函數，此處選取f、g:

f＝a+b×PDI

g＝c+d×VSWI

由于PDI與VSWI與實測土壤含水量之間的函數關系不一致，因此，不能直接組合PDI與VSWI來反演土壤含水量，而通過擬合函數f、g的函數映射之后，PDI與VSWI與土壤含水量之間的關系則接近于y＝x；

步驟5)構建土壤含水量估算模型；

根據五個玉米生長期：播種期、出苗期、成長期、成熟期、收割期，劃分玉米種植區樣本數據集；

對劃分的數據集進行回歸分析，構建各組生長期對應的回歸模型，模型如下：

模型I:SM(％)＝a₀+a₁×CI

模型II:SM(％)＝a₀+a₁×CI+a₂×CI²

模型III:SM(％)＝a₀+a₁×ln(CI)+a₂×[ln(CI)]²。