基于多源遥感数据的华北平原主要农作物复种制度和关键物候期空间格局研究

摘要

准确把握耕地复种制度、作物关键物候期及其动态变化特征，是保障和促进区域粮食增产、增收的一项有效途径，对分析和评价区域土地（耕地）资源的利用状况，评估国家粮食生产安全及农业发展规划科学决策等具有十分重要的现实意义。
　　论文依托国家自然科学基金课题“区域大气气溶胶辐射强迫敏感因子时空模式及农作物响应机制研究—以华北平原为例”开展研究，在GLASS(Global LAndSurface Satellite)和MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) LAI(Leaf Area Index)时间序列遥感数据基础上，利用IDL可视化编程语言有效提取华北平原1982-2014年主要农作物复种制度及关键物候期信息;结合GIS技术，分析该区域耕地复种指数及作物熟制和关键物候期在时间-空间域上的变化特征和规律及其与气温、降水因子的相关关系。论文主要研究工作和研究结果如下:
　　(1)以研究区为例，对实验数据、主要研究方法及模型的有效性进行分析，研究结果表明:
　　1)GLASS LAI具有较强的时间连续性和空间完整性，且数据质量较高，可用于提取长时间、大范围耕地复种制度、作物关键物候期识别的准确性;
　　2)研究选择Savizky-Golay滤波法对华北平原长时间序列LAI数据进行去噪重构处理。通过对不同参数组合进行试验，最终确定m=60，d=3为S-G滤波的最佳参数组合，其既不会导致过渡平滑，又能保证良好的平滑效果;
　　3)研究采用遥感监测与空间插值相结合的方法，不仅在一定程度上可降低由中低分辨率遥感数据混合像元所引起的误差，而且通过选取较为密集的典型耕地样点，亦能降低由Kriging空间插值所引起的误差，更有利于提高研究精度。
　　(2)采用二次差分法提取典型耕地样点1982-2014年复种指数及作物熟制信息，并利用Kriging方法制作得到华北平原主要农作物复种制度空间分布时间序列图谱，并在此基础上探析其时空格局变化特征。研究结果表明:
　　1)1982-2014年华北平原耕地复种指数整体上呈波动增长态势。同时，空间差异明显，呈由北往南逐渐增加趋势，且平原地区复种指数高，山区和丘陵地区相对较低;1982-2014年间，华北平原耕地以一年一熟和一年两熟制为主要特征，中部和南部以一年两熟制为主，北部地区则以一年一熟制为主。同时，1982-2014年间华北平原一年两熟制的北界线发生不同程度的北移;华北平原耕地复种指数与年平均气温呈显著正相关关系，而与年降水量的相关性则较低;
　　2)将研究结果与其他相关数据进行对比验证分析，提高本文进行遥感反演耕地复种指数的可靠性。研究结果表明其不仅与统计数据有较好的一致性和空间耦合性，与其他同区域的研究结果也具有较好的一致性;此外，通过交叉验证分析，得出本文研究结果总体精度达82.46％。
　　(3)采用斜率最大值模型，对1982-2014年典型耕地样点农作物返青（出苗）期、抽穗期和成熟期进行提取，并结合作物熟制数据，制作该区主要农作物关键物候期的空间分布图谱，探析其时空变化规律。研究结果表明:
　　1)1982-2014年间华北平原第一季作物返青（出苗）期、抽穗期和成熟期整体上均呈明显提前趋势，年均提前分别为0.76天、0.98天和1.5天，但不同年际间存在有差异变化特征，呈现显著波动态势;华北平原第一季作物关键物候期空间差异明显，呈南早北晚的空间分布格局，从南至北逐渐推迟;同时，较早的物候期主要分布于研究区中部平原地区，边缘山区及丘陵地带则相对较晚;
　　2)近30年华北平原第二季作物返青（出苗）期、抽穗期和成熟期变化较小，没有明显提前或推迟趋势，时间序列上变化较稳定;就空间格局而言，该区1982-2014年第二季作物关键物候期仍呈由南至北逐渐推迟的差异性分布，南部物候期早，北部物候期相对较晚;
　　3)近30年间，华北平原第一季作物关键物候期年际变化与耕地复种指数变化呈高度相关性，第二季作物则相关性较低;同时，第一季作物关键物候期年际变化与平均气温的变化也呈显著相关性，第二季作物相关性也较低;第一季作物和第二季作物关键物候期年际变化与年降水量的相关性均很低。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 耕地复种制度和作物关键物候期遥感监测研究现状

1．2．2 现有研究存在不足与问题

1．3 研究方案

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

第二章 研究区概况及研究方法

2．1 研究区概况

2．1．1 地理位置

2．1．2 地貌与气候

2．1．3 社会经济及农业发展

2．2 数据

2．2．1 LAI遥感数据

2．2．2 土地利用数据

2．2．3 气象数据

2．2．4 统计数据

2．3 主要研究方法

2．3．1 格网化空间抽样法

2．3．2 数据预处理

2．3．3 S-G滤波平滑法

2．3．4 二次差分法

2．3．5 斜率最大值法

2．3．6 Kriging空间插值法

2．4 本章小结

第三章 近30年华北平原主要农作物复种制度遥感监测

3．1 华北平原主要农作物复种制度空间格局变化特征

3．1．1 华北平原耕地复种指数空间格局变化特征

3．1．2 华北平原作物熟制空间格局格局变化特征

3．2 华北平原耕地复种指数对气温、降水的响应

3．2．1 耕地复种指数对气温的响应

3．2．2 耕地复种指数对降水的响应

3．3 华北平原耕地复种指数遥感监测结果验证

3．3．1 统计数据验证

3．3．2 与其他研究结果比较

3．4 本章小结

第四章 近30年华北平原主要农作物关键物候期遥感监测

4．1 华北平原主要农作物返青(出苗)期空间格局变化特征

4．1．1 华北平原主要农作物返青(出苗)期

4．1．2 华北平原主要农作物返青(出苗)期时间变化分析

4．2 华北平原主要农作物抽穗期空间格局变化特征

4．2．1 华北平原主要农作物抽穗期时间

4．2．2 华北平原主要农作物抽穗期时间变化分析

4．3 华北平原主要农作物成熟期空间格局变化特征

4．3．1 华北平原主要农作物成熟期时间

4．3．2 华北平原主要农作物成熟期时间变化分析

4．4 华北平原主要农作物关键物候期与耕地复种指数的相关性分析

4．4．1 第一季作物关键物候期与耕地复种指数的相关性分析

4．4．2 第二季作物关键物候期与耕地复种指数的相关性分析

4．5 华北平原主要农作物关键物候期对气温、降水的响应

4．5．1 主要农作物关键物候期对气温的响应

4．5．2 主要农作物关键物候期对降水的响应

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 研究存在的问题及展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论著及取得的科研成果