1658 中 国 生 态 农 业 学 报 2012 第 20 卷 Bohai Rim were analyzed. The results showed that croplands in the Bohai Rim with two crops per year mainly occurred i

中 国 生 态 农 业 学 报 2012 年 12 月 第 20 卷 第 12 期 Chinese Journal of Eco-Agriculture, Dec. 2012, 20(12): 1657 1663 DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.01657 * 基 于 MODIS NDVI 数 据 的 复 种 指 数 监 测 以 环 渤 海 地 区 为 例 梁 守 真 1 马 万 栋 2 施 平 3,4 陈 劲 松 1 (1. 中 国 科 学 院 深 圳 先 进 技 术 研 究 院 深 圳 518055; 2. 环 境 保 护 部 卫 星 环 境 应 用 中 心 北 京 100094; 3. 中 国 科 学 院 烟 台 海 岸 带 研 究 所 烟 台 264003; 4. 中 国 科 学 院 南 海 海 洋 研 究 所 广 州 510301) 摘 要 复 种 指 数 反 映 了 耕 地 的 实 际 利 用 强 度, 提 高 农 田 复 种 指 数 是 区 域 粮 食 增 产 的 重 要 途 径 之 一, 因 此, 监 测 和 分 析 复 种 指 数 在 时 间 和 空 间 上 的 变 化 对 粮 食 安 全 评 估 农 业 发 展 规 划 科 学 决 策 有 重 要 意 义 NDVI 的 时 间 序 列 蕴 涵 着 植 被 生 长 的 年 循 环 节 律, 耕 地 NDVI 时 间 序 列 曲 线 的 峰 值 个 数 和 耕 地 的 种 植 收 割 次 数 相 对 应, 因 此 耕 地 的 复 种 指 数 可 通 过 分 析 NDVI 时 间 序 列 曲 线 来 获 取 本 研 究 以 环 渤 海 地 区 2000 2009 年 MODIS NDVI 时 间 序 列 数 据 为 数 据 源, 采 用 邻 域 比 较 法 提 取 耕 地 NDVI 年 时 间 序 列 曲 线 的 峰 值 频 数, 进 而 计 算 环 渤 海 地 区 2000 2009 年 的 复 种 指 数, 并 对 复 种 指 数 的 时 空 变 化 及 变 化 原 因 进 行 初 步 分 析 结 果 显 示, 在 环 渤 海 地 区, 一 年 两 熟 的 耕 种 模 式 主 要 分 布 在 长 城 以 南, 长 城 以 北 基 本 上 为 一 年 1 熟 ; 环 渤 海 地 区 各 省 份 中, 山 东 省 具 有 最 高 的 复 种 指 数, 辽 宁 省 的 复 种 指 数 最 低 ; 平 原 地 区 的 复 种 指 数 远 高 于 其 他 地 形 条 件 下 的 复 种 指 数 ; 区 域 复 种 指 数 存 在 明 显 的 年 际 变 化, 主 要 是 受 耕 地 收 益 和 农 作 物 轮 作 的 影 响 ; 混 合 像 元 的 存 在 会 影 响 复 种 指 数 提 取 结 果 关 键 词 环 渤 海 地 区 农 田 复 种 指 数 MODIS NDVI 遥 感 中 图 分 类 号 : TP 79 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1671-3990(2012)12-1657-07 Monitoring multiple cropping index using MODIS NDVI data A case study of Bohai Rim LIANG Shou-Zhen 1, MA Wan-Dong 2, SHI Ping 3,4, CHEN Jin-Song 1 (1. Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China; 2. Satellite Environment Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100094, China; 3. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 4. South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China) Abstract Multiple cropping index (MCI), which is an index for characterizing cropping systems, reflects the degree of arable land available for use at a certain period. It is a significant index for evaluating food production and security and making decisions on agricultural development plans. This is especially useful for China, a country with a large population and smell per-capita arable land. There are two methods (statistical method and remote sensing-based method) for extracting MCI. The second method usually uses Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) as source data. NDVI time series for the year can describe the dynamic process of vegetation. For crop, these processes include seeding, jointing, tasseling, harvesting, and so on. Generally, the peak of NDVI time series curves corresponds with tasseling and the lowest point corresponds with harvesting or seeding. Croplands with one crop per year have only one peak and croplands with two crops per year have two peaks. As MCI value matches with the number of peaks of NDVI time series, MCI is extractible from NDVI time series data. In relation to traditional statistical methods, a method based on NDVI time series does not only reflect spatial distribution of MCI, but also easily converge to rapidly provide results. Due to cloud contamination, however, NDVI time series from remote sensing data contain a lot of noise. NDVI data must be preprocessed to remove or reduce noise before extracting for MCI. In this study, the SPLINE interpolation method was used to produce cloud free time series of NDVI to avoid pseudo peaks and accurately extracts MCI from NDVI time series, although not without some limitations. Bohai Rim, an important production base in China, was used as the case-study area in this study. NDVI time series derived from MODIS data were used to extract MCI. MCI for 2000 2009 was extracted and temporal and spatial changes over the * 中 国 科 学 院 战 略 性 先 导 科 技 专 项 (XDA05050107-3) 资 助 梁 守 真 (1979 ), 男, 博 士, 助 理 研 究 员, 主 要 从 事 环 境 遥 感 研 究 E-mail: sz.liang@siat.ac.cn 收 稿 日 期 : 2012 04 19 接 受 日 期 : 2012 09 20

1658 中 国 生 态 农 业 学 报 2012 第 20 卷 Bohai Rim were analyzed. The results showed that croplands in the Bohai Rim with two crops per year mainly occurred in the south of the Great Wall. Other regions of the Bohai Rim were dominated by croplands with one crop per year. The highest MCI was in Shandong Province, where the 10-year mean of MCI was 140.40%. MCI was lowest in Liaoning Province, where natural conditions such as heat were not conducive for producing two crops per year. The 10-year means of MCI for Hebei Province, Tianjin City and Beijing City were 129.65%, 109.52% and 106.13%, respectively. The 10-year mean of MCI for the entire Bohai Rim study area was 117.14%. MCI was also different for different topographic conditions. The mean MCI values for plain, mesa, hill and mountain regions were 154.78%, 117.18%, 109.99% and 103.52%, respectively. In the Bohai Rim, there were obvious inter-annual variations in MCI but with no obvious trends. The maximum MCI was in 2000, while the minimum was in 2009. Inter-annual variation in MCI was mainly influenced by crop rotation and net income from croplands. The existence of mixed pixels affected the accuracy of the extracted MCI based on remote sensing data. Key words Bohai Rim, Multiple cropping index of farmland, MODIS NDVI, Remote sensing (Received Apr. 19, 2012; accepted Sep. 20, 2012) 复 种 是 指 一 年 内 于 同 一 田 地 上 连 续 种 植 两 季 或 两 季 以 上 的 作 物 或 一 个 生 产 年 度 内 收 获 两 季 或 多 季 作 物 的 种 植 方 式 [1] 耕 地 复 种 程 度 的 高 低, 通 常 用 复 种 指 数 来 表 示 复 种 指 数 不 仅 可 衡 量 耕 地 资 源 集 约 化 利 用 的 程 度, 同 时 也 是 国 家 宏 观 评 价 耕 地 资 源 利 用 基 本 状 况 的 重 要 技 术 指 标 [2], 其 大 小 主 要 受 当 地 热 量 土 壤 水 分 肥 料 劳 力 和 科 学 技 术 水 平 等 条 件 的 制 约 我 国 人 均 耕 地 面 积 较 少, 在 过 去 的 几 十 年 中, 我 国 所 生 产 的 粮 食 有 1/4 来 自 复 种 指 数 的 提 高 [3] 因 地 制 宜 地 提 高 复 种 指 数, 是 扩 大 作 物 播 种 面 积, 挖 掘 耕 地 利 用 潜 力 和 提 高 农 作 物 总 产 量 的 有 效 途 径 因 此, 对 于 我 们 国 家 来 说, 复 种 指 数 是 一 项 非 常 重 要 的 农 业 信 息, 对 这 一 参 数 进 行 监 测 与 分 析 对 国 家 粮 食 安 全 评 估 和 农 业 发 展 规 划 科 学 决 策 有 重 要 的 意 义 传 统 的 耕 地 复 种 指 数 研 究 多 是 以 行 政 区 的 统 计 数 据 为 基 础, 通 过 对 统 计 单 位 年 度 或 1 个 时 间 序 列 数 据 的 分 析, 得 出 该 区 域 的 复 种 指 数 及 其 年 际 变 化 [4] 数 据 统 计 的 方 法 简 单 实 用, 但 是, 该 方 法 忽 略 了 统 计 单 元 内 部 的 空 间 异 质 性, 无 法 描 述 复 种 指 数 的 空 间 分 布 特 征, 并 且 在 时 间 上 存 在 一 定 的 滞 后 性 此 外, 该 方 法 强 烈 依 赖 于 统 计 数 据, 容 易 受 到 统 计 口 径 尺 度 和 范 围 以 及 人 为 因 素 的 干 扰 因 此, 对 于 空 间 范 围 大 时 效 性 要 求 高 的 复 种 指 数 研 究, 地 面 数 据 统 计 的 方 法 难 以 达 到 要 求 [5] 利 用 遥 感 光 谱 数 据 计 算 的 植 被 指 数 可 表 征 地 表 植 被 覆 盖 及 生 长 状 况, 多 个 时 相 植 被 指 数 构 成 的 时 间 序 列 可 反 映 农 作 物 的 出 苗 拔 节 抽 穗 收 获 等 物 理 过 程, 这 样, 遥 感 植 被 指 数 序 列 数 据 可 作 为 复 种 指 数 提 取 的 一 种 数 据 源 遥 感 具 有 高 时 效 宽 范 围 低 成 本 等 优 势, 可 清 晰 地 描 述 研 究 对 象 的 空 间 特 征, 因 此, 利 用 遥 感 技 术 进 行 复 种 指 数 监 测 能 避 免 传 统 复 种 指 数 研 究 方 法 的 不 足 目 前, 基 于 多 时 相 遥 感 信 息 进 行 耕 地 复 种 指 数 的 提 取 已 经 成 为 一 种 非 常 普 遍 的 研 究 手 段 国 内 学 者 普 遍 采 用 高 时 间 分 辨 率 的 遥 感 数 据 作 为 数 据 源, [6] 比 如 辜 智 慧 采 用 10 d 分 辨 率 的 SPOT/VGT NDVI 时 序 数 据, 利 用 交 叉 拟 合 度 检 验 法 进 行 了 中 国 农 作 [7] 物 复 种 指 数 的 提 取 ; 范 锦 龙 等 基 于 时 间 序 列 谐 波 分 析 法 提 取 地 块 的 复 种 指 数, 同 样 采 用 的 是 10 d 分 辨 率 的 SPOT/VGT NDVI 数 据 ; 而 闫 慧 敏 左 丽 君 [8 9] 等 分 别 利 用 NOAA/AVHRR NDVI(10 d) EOS/MODIS EVI(16 d) 数 据, 采 用 谐 波 分 析 的 方 法 [10] 进 行 了 复 种 指 数 的 提 取 工 作 ; 而 Panigrahy 等 采 用 每 月 的 IRS LISS-1 数 据, 使 用 主 成 分 分 析 结 合 最 大 似 然 法 分 类 得 到 印 度 全 国 的 复 种 指 数 相 比 于 SPOT/VGT 和 NOAA/AVHRR 传 感 器, MODIS 传 感 器 具 有 更 窄 的 红 波 段 和 近 红 外 波 段, 计 算 得 到 的 NDVI 对 植 被 的 变 化 更 加 敏 感 在 本 研 究 中, 我 们 采 用 空 间 分 辨 率 为 1 km 时 间 分 辨 率 为 16 d 的 MODIS NDVI 时 间 序 列 数 据 来 监 测 环 渤 海 地 区 2000 2009 年 复 种 指 数 的 变 化 1 研 究 区 概 况 和 数 据 来 源 本 研 究 选 择 环 渤 海 地 区 作 为 研 究 区 域, 其 行 政 区 域 包 括 北 京 天 津 河 北 辽 宁 山 东 3 省 2 市 环 渤 海 地 区 地 处 东 亚 季 风 气 候 区 内, 地 处 中 温 带 和 暖 温 带, 大 部 分 区 域 为 暖 温 带 半 湿 润 气 候 环 渤 海 地 区 包 括 了 华 北 平 原 黄 淮 海 平 原 和 辽 河 平 原, 是 中 国 传 统 农 业 和 农 耕 文 明 的 发 源 地 之 一, 也 是 我 国 重 要 的 粮 食 生 产 区, 主 要 农 作 物 有 小 麦 玉 米 花 生 水 稻 棉 花 等, 耕 种 方 式 主 要 为 一 年 1 熟 一 年 两 熟 或 两 年 3 熟 复 种 指 数 提 取 所 采 用 的 数 据 源 为 美 国 航 空 航 天 局 陆 地 过 程 分 布 式 数 据 档 案 中 心 (NASA LPDAAC: Land Processes Distributed Active Archive Center) 提 供 的 MODIS 13A2 产 品, 即 空 间 分 辨 率 为 1 km, 时 间 分 辨 率 为 16 d 的 NDVI 数 据, 该 数 据 集 每 年 有 23

梁守真等: 基于 MODIS NDVI 数据的复种指数监测 第 12 期 1659 个时相, 以瓦片(Tile)为基本单位, 采用整数化正弦 了农作物生长的 NDVI 动态曲线(图 2), 该曲线直观 (integerized sinusoidal) 投 影, 每 个 瓦 片 的 大 小 为 地反映了作物从出苗到收获整个过程的动态变化特 10 10, 全球被分为 460 个瓦片, 其中陆地 326 个 征 从图 2 可以看出, 农作物从播种到收割, 该产品 NDVI 数据值的缩放尺度为 10 000, 有效值 会经历一个升高 峰值点 降低的动态过程 实行一 范围为 2 000~10 000, 填充值为 3 000 耕地数据来 熟制的区域在一年之内完成一个这样的循环, 形成 自国家科学数据共享工程 地球系统科学数据共享 明显的单峰曲线(图 2a); 实行两熟制的区域会在一 网(www.geodata.cn)2005 年 1 25 万土地覆盖遥感调 年之内完成两个这样的循环, 形成双峰曲线(图 2b); 查与监测数据(图 1a), 该数据主要用来对 MODIS 以此类推, 三熟制的地区将完成 3 个生长周期, 形 NDVI 数 据 进 行 掩 模, 获 取 环 渤 海 地 区 耕 地 的 成有 3 个明显峰的曲线 因此, 耕地的作物播种次 MODIS NDVI 影像 此外, 为了分析不同地形条件 数就等于 NDVI 时间序列峰出现的频数, 通过探测 下耕地复种指数的差异, 本研究采用环渤海地区 DEM 计算地形起伏度, 并根据中国数字地貌分类体 系, 将地貌分为平原 台地 丘陵和山地 其中地形 起伏度小于 30 m 的为平原, 30~50 m 的为台地, 50~200 m 的为丘陵, 起伏度在 200 m 以上为山地, 结果如图 1b 所示 2 2.1 NDVI 时间序列中峰的数目即可确定熟制 2.2 时间序列的去噪重建 由于云 大气扰动 气溶胶 水蒸气, 冰/雪等 因素的影响, NDVI 时间序列曲线会呈锯齿状波动, 有噪声波峰出现, 不能直接用来提取峰个数, 因此 在提取复种指数信息之前, 需要消除 NDVI 时间序 复种指数遥感提取方法 列中的噪声, 重构作物生长曲线 应该说复种指数 的提取精度很大程度上取决于时间序列的去噪水 基本原理 植被指数是反映作物生长状态最为直接的指标 [11] 在 所 有 植 被 指 数 中, 归 一 化 差 异 植 被 指 数 (NDVI: Normalized Difference Vegetation Index)的应用最为 平 目前已有多种时间序列重建或去噪方法被提出, 包括时间序列谐波分析法(HANTS: Harmonic Analysis of Time Series) [12] SPLINE 插值法[13] Savizky-Golay 广泛, 被认为是植被生长状态及植被覆盖度的最佳 法 [14] 滑动平均法 [15] 中值滤波法 [16]等 除 SPLINE 指示因子 其定义为近红外和红波段反射率之差和 插值法以外, 以上其他方法都需要人为地去设置一 这两个波段反射率之和的比值(见公式 1): 些参数, 这些参数选择的好坏直接影响着去噪效 NDVI = RNIR RRED RNIR + RRED (1) 果 对于复杂的大区域来说, 参数的设置是比较困 难的, 因为大区域内环境 土地利用类型复杂, 植被 式中, RNIR 和 RRED 分别代表近红外波段和和红波段 类型多样, 仅仅采用一套参数来处理整个区域的数 的反射率 据显然是不够的 即使是同一套参数也要利用经验 MODIS NDVI 产品每年有 23 个时相的数据, 将 作物的 NDVI 值以时间为横坐标排列起来, 便形成 图1 Fig. 1 或不停地尝试, 这样不仅花费大量的时间, 而且会 加入太多的人为因素 因此, 当对一个复杂区域的 环渤海地区 2005 年农田分布(a)及地貌类型图(b) Cropland distribution (a) and geomorphology (b) in Bohai Rim in 2005

1660 中 国 生 态 农 业 学 报 2012 第 20 卷 图 2 一 年 1 熟 (a) 和 一 年 两 熟 (b) 种 植 模 式 农 田 NDVI 时 间 序 列 (2005 年 ) Fig. 2 NDVI time-series of farmland with one crop a year (a) and two crops a year (b) in 2005 NDVI 序 列 进 行 去 噪 分 析 时, SPLINE 插 值 方 法 应 该 是 一 种 较 好 的 选 择 [17] 基 于 此, 本 研 究 采 用 改 进 的 SPLINE 插 值 法 对 NDVI 时 间 序 列 进 行 去 噪 重 建, 主 要 分 为 4 步 : 1. 根 据 MODIS Pixel Reliability 文 件, 确 定 受 噪 声 影 响 的 像 元 ; 2. 计 算 多 年 不 受 冰 雪 影 响 的 像 元 均 值 并 替 代 冰 / 雪 覆 盖 的 像 元 ; 3. SPLINE 插 值 ; 4. 插 值 后 处 理, 具 体 内 容 见 文 献 [18] 2.3 复 种 指 数 提 取 时 间 序 列 中 某 一 时 间 段 的 峰 值 点 可 通 过 直 接 比 较 法 和 二 次 差 分 法 得 到 直 接 比 较 法 是 在 一 个 判 断 区 间 内 将 某 一 时 间 点 的 NDVI 值 和 前 后 相 邻 几 个 时 间 点 的 值 进 行 比 较, 如 果 该 点 是 区 间 内 的 最 大 值, 并 且 该 点 之 前 时 段 的 NDVI 持 续 增 加 且 该 点 之 后 时 段 的 NDVI 持 续 降 低, 那 么 该 点 便 为 该 区 间 内 的 峰 值 点 ; 如 此 反 复, 可 以 找 到 耕 地 在 年 内 峰 值 的 数 量 及 其 时 间 分 布 点 而 二 次 差 分 法 首 先 将 一 年 内 植 被 指 数 时 间 序 列 的 N 个 值 按 时 间 顺 序 形 成 数 组, 用 后 一 时 期 的 NDVI 值 减 去 其 前 面 的 值, 形 成 N 1 个 新 值, 对 这 N 1 个 新 值 进 行 重 新 赋 值 如 果 是 负 数 则 定 为 1, 如 果 是 正 数 则 定 为 1, 然 后 再 对 新 赋 值 的 N 1 个 值 按 上 面 的 方 法 进 行 一 次 差 分, 得 到 N 2 个 由 2 0 2 组 成 的 数 组, 其 中 元 素 为 2 且 前 后 元 素 皆 为 0 的 点 就 是 峰 值 点 相 对 于 二 次 差 分 法, 直 接 比 较 法 更 加 直 观, 并 且 可 以 直 接 确 定 峰 值 点 的 时 间, 因 此 本 研 究 采 用 直 接 比 较 法 并 通 过 IDL 编 程 提 取 峰 值 点 尽 管 NDVI 时 序 数 据 经 过 了 去 噪 处 理, 仍 然 会 有 部 分 像 元 的 NDVI 曲 线 会 出 现 异 常 峰, 这 时 如 果 仅 仅 单 纯 计 算 峰 值 数 目 可 能 造 成 一 些 误 差, 因 此, 还 需 要 利 用 一 定 的 约 束 条 件 对 探 测 到 的 峰 值 进 行 取 舍 通 过 分 析 环 渤 海 地 区 不 同 省 份 的 作 物 时 间 曲 线 并 参 考 其 他 相 关 研 究, 本 研 究 在 确 定 峰 频 数 时 加 入 以 下 条 件 : 1) NDVI 峰 值 须 大 于 0.4 2) 如 果 存 在 两 个 峰 值, 则 搜 寻 两 个 峰 值 之 间 的 谷 值, 计 算 两 个 峰 值 和 谷 值 之 间 的 差 值 如 果 差 值 大 于 0.2, 则 认 为 两 个 峰 都 是 合 理 的, 否 则 认 为 只 有 1 个 峰 当 确 定 峰 值 个 数 后, 分 别 统 计 环 渤 海 地 区 每 个 省 份 中 一 年 1 熟 和 一 年 两 熟 的 作 物 耕 种 面 积, 然 后 按 照 公 式 (2) 计 算 各 省 的 复 种 指 数 : (2) 3 结 果 与 分 析 按 照 上 述 方 法, 本 研 究 提 取 了 环 渤 海 地 区 2000 2009 年 耕 地 的 复 种 指 数 ( 图 3), 并 选 择 10 年 复 种 指 数 的 最 大 值, 绘 制 环 渤 海 地 区 的 10 年 最 大 复 种 指 数 分 布 图 ( 图 4a) 从 图 4a 可 以 看 出, 在 环 渤 海 地 区 实 行 一 年 两 熟 耕 作 的 耕 地 主 要 分 布 在 长 城 以 南, 该 地 区 的 温 度 和 降 水 足 以 满 足 两 季 作 物 生 长 长 城 以 北 的 耕 作 区 为 一 年 1 熟 本 研 究 得 到 结 果 与 已 有 成 [6 9] 果 具 有 很 好 的 一 致 性, 并 且 环 渤 海 地 区 一 年 1 熟 和 两 熟 的 耕 地 分 布 与 中 国 耕 作 制 度 区 划 几 乎 完 全 吻 合 中 国 耕 作 制 度 区 划 根 据 热 量 条 件 水 分 地 貌 及 社 会 经 济 条 件 作 物 类 型 制 定 [19] 从 行 政 区 域 上 讲, 辽 宁 省 地 处 中 温 带, 积 温 只 能 满 足 一 季 作 物 的 生 长, 难 以 支 撑 两 季 作 物 生 长, 耕 地 为 一 年 1 熟 ; 山 东 省 的 西 部 和 中 北 部, 土 壤 肥 沃, 作 物 生 长 的 基 础 条 件 较 好, 积 温 能 满 足 两 季 作 物 的 生 长, 是 我 国 重 要 的 粮 食 产 区, 属 于 一 年 两 熟 耕 种 ; 而 山 东 省 的 东 部 地 区 为 丘 陵 地 带, 水 果 种 植 面 积 较 大, 以 一 年 1

梁守真等: 基于 MODIS NDVI 数据的复种指数监测 第 12 期 图3 Fig. 4 1661 环渤海地区 2000 2009 年复种指数分布图 Fig. 3 Distribution maps of multiple cropping index in Bohai Rim from 2000 to 2009 图4 2000 2009 年环渤海地区最大复种指数分布图(a)和小麦价格曲线(b) Spatial distribution of max multiple cropping index (a) in Bohai Rim and the wheat price (b) from 2000 to 2009 熟为主; 河北省的中 南部的种植条件和山东西部 指数较低, 北京 天津经济较为发达, 耕地主要种 相似, 但河北省南北跨纬度较大, 北部地区的积 植一年 1 季的水稻和经济作物, 而非其他两熟耕作 温只能满足一季作物生长; 北京和天津市的复种 粮食作物

1662 中 国 生 态 农 业 学 报 2012 第 20 卷 由 图 3 可 以 看 出, 环 渤 海 地 区 的 复 种 指 数 存 在 明 显 的 区 域 和 年 际 差 异 整 个 环 渤 海 地 区 的 复 种 指 数 10 年 的 平 均 值 为 117.14%( 表 1) 其 中, 山 东 省 的 复 种 指 数 最 高, 平 均 值 达 到 140.40%, 其 次 是 河 北 省, 最 低 的 行 政 区 为 辽 宁 省, 只 有 100%, 也 就 是 一 年 1 熟, 北 京 和 天 津 的 复 种 指 数 也 较 低, 10 年 均 值 分 别 为 106.13% 109.52% 在 过 去 的 10 年 中, 环 渤 海 地 区 的 复 种 指 数 发 生 了 较 大 变 化 河 北 省 和 山 东 省 的 复 种 指 数 最 大 值 出 现 在 2000 年, 而 北 京 和 天 津 的 复 种 指 数 最 大 值 出 现 在 2009 年 从 2000 年 到 2003 年, 环 渤 海 地 区 的 复 种 指 数 一 直 在 降 低, 2003 年 降 到 了 最 低 ; 但 2004 年 又 开 始 增 加, 在 2005 年 有 一 个 较 大 的 复 种 指 数 相 比 2005 年, 2006 年 的 复 种 指 数 明 显 降 低, 但 此 后 缓 慢 增 加 河 北 省 和 山 东 省 的 复 种 指 数 变 化 趋 势 和 区 域 平 均 值 趋 势 较 为 一 致, 辽 宁 省 复 种 指 数 没 有 发 生 变 化 不 同 地 形 条 件 下, 复 种 指 数 也 存 在 差 异 考 虑 到 一 熟 带 内, 任 何 地 形 条 件 下 的 复 种 指 数 都 是 相 同 的, 因 此 本 研 究 仅 仅 统 计 两 熟 带 内 不 同 地 形 条 件 下 复 种 指 数 差 异 在 两 熟 带 内, 平 原 地 区 的 复 种 指 数 10 年 的 平 均 值 为 154.78%, 台 地 为 117.18%, 丘 陵 和 山 地 分 别 为 109.99% 103.52% 由 此 可 见, 平 原 地 区 的 复 种 指 数 远 高 于 台 地 丘 陵 和 山 地, 随 着 地 形 起 伏 度 加 大, 复 种 指 数 依 次 降 低 复 种 指 数 的 变 化 主 要 受 自 然 状 况 和 农 村 社 会 经 济 状 况 的 影 响 [8] 在 短 时 间 内, 自 然 条 件 通 常 不 会 发 生 剧 烈 的 变 化, 因 此, 环 渤 海 地 区 复 种 指 数 的 年 际 变 化 应 该 不 是 自 然 条 件 变 动 所 致, 而 可 能 主 要 取 决 于 耕 地 的 收 益 状 况 和 轮 作 对 环 渤 海 地 区 两 熟 带 区 域 来 说, 种 植 两 季 作 物 的 耕 地, 第 1 季 作 物 往 往 都 是 冬 小 麦, 因 此, 本 研 究 从 小 麦 的 价 格 角 度 来 进 行 分 析 根 据 2000 2009 年 小 麦 价 格 曲 线 ( 图 4b), 2000 2003 年, 我 国 粮 食 作 物 价 格 一 直 比 较 低, 因 此 种 植 粮 食 作 物 的 收 益 较 低, 导 致 农 民 种 粮 的 积 极 性 不 高, 而 更 倾 向 于 经 济 价 值 更 高 的 作 物 经 济 作 物 通 常 是 1 季, 因 此 这 可 能 是 导 致 该 段 时 间 内 复 种 指 数 一 直 降 低 的 原 因 2004 年 国 家 开 始 对 种 粮 农 民 实 施 粮 食 直 补, 农 民 的 种 粮 积 极 性 有 所 提 高, 这 时 复 种 指 数 开 始 增 加 但 2005 年 和 2006 年 小 麦 价 格 走 低, 影 响 了 农 民 种 植 小 麦 的 积 极 性, 这 可 能 是 2006 年 冬 小 麦 播 种 面 积 减 少 复 种 指 数 下 降 的 原 因 2006 年 后, 随 着 小 麦 价 格 的 提 高, 复 种 指 数 开 始 缓 慢 回 升 此 外, 耕 地 的 轮 作 也 是 导 致 复 种 指 数 年 际 变 化 的 原 因 之 一 4 结 论 复 种 指 数 反 映 了 水 土 光 与 自 然 资 源 利 用 程 度 的 指 标, 复 种 指 数 大, 说 明 耕 地 利 用 程 度 高, 反 之, 复 种 指 数 小, 说 明 耕 地 利 用 程 度 低 复 种 指 数 受 自 然 条 件 和 农 村 社 会 状 况 的 影 响 处 于 不 断 变 化 之 中 经 过 去 噪 重 建 的 NDVI 时 间 序 列 可 以 反 映 耕 地 的 熟 制 特 征, 峰 值 的 个 数 就 等 于 耕 地 的 复 种 指 数 本 研 究 采 用 峰 值 法 提 取 了 环 渤 海 地 区 在 2000 2009 年 的 复 种 指 数, 发 现 一 年 两 熟 耕 地 主 要 在 长 城 以 南, 长 城 以 北 基 本 上 为 一 年 1 熟 ; 环 渤 海 地 区 复 种 指 数 存 在 明 显 的 年 际 变 化, 主 要 是 受 耕 地 作 物 轮 作 和 耕 地 经 济 效 益 的 影 响 由 于 缺 乏 实 地 调 查 数 据, 本 文 没 有 对 遥 感 提 取 的 复 种 指 数 进 行 精 确 验 证 遥 感 提 取 复 种 指 数 的 最 大 不 确 定 性 主 要 来 自 于 混 合 像 元 的 影 响 中 国 农 业 属 于 典 型 的 小 农 式 耕 作, 耕 地 植 被 复 杂 多 样 且 在 地 表 呈 不 规 则 分 布, 尤 其 是 在 山 地 丘 陵 地 带, 较 少 出 现 大 面 积 类 型 一 致 的 农 业 作 物, 而 遥 感 影 像 是 由 规 则 的 等 大 小 的 栅 格 构 成 且 本 研 究 采 用 的 遥 感 表 1 环 渤 海 地 区 不 同 省 市 2000 2009 年 复 种 指 数 Table 1 Multiple cropping indexes of different provinces (cities) in Bohai Rim from 2000 to 2009 % 年 份 Year 北 京 Beijing 天 津 Tianjin 河 北 Hebei 辽 宁 Liaoning 山 东 Shandong 环 渤 海 区 Bohai Rim 2000 112.53 113.56 140.11 100.00 155.92 124.42 2001 109.93 114.35 133.56 100.00 147.61 121.09 2002 106.21 117.07 135.04 100.00 143.54 120.37 2003 102.73 104.77 126.89 100.00 128.05 112.49 2004 101.62 104.95 124.29 100.00 135.93 113.36 2005 108.16 110.32 135.70 100.00 150.72 120.98 2006 102.45 104.11 125.24 100.00 132.13 112.79 2007 101.25 107.46 120.39 100.00 134.83 112.79 2008 101.66 102.02 125.35 100.00 138.01 113.41 2009 114.78 116.60 129.93 100.00 137.21 119.70 平 均 值 Average 106.13 109.52 129.65 100.00 140.40 117.14

第 12 期 梁 守 真 等 : 基 于 MODIS NDVI 数 据 的 复 种 指 数 监 测 1663 数 据 分 辨 率 较 低, 因 此, 遥 感 数 据 所 记 录 的 是 不 同 地 表 覆 盖 的 混 合 光 谱 信 息, 每 个 像 元 包 含 了 不 同 的 地 物 混 合 像 元 的 存 在 会 导 致 提 取 的 复 种 指 数 存 在 一 定 误 差 致 谢 特 别 感 谢 NASA LPDAAC 提 供 MODIS NDVI 数 据 ; 感 谢 国 家 科 学 数 据 共 享 工 程 地 球 系 统 科 学 数 据 共 享 网 提 供 环 渤 海 地 区 土 地 覆 盖 数 据 参 考 文 献 [1] 王 宏 广. 中 国 耕 作 制 度 70 年 [M]. 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社, 2005 [2] 卞 新 民, 冯 金 侠. 多 元 多 熟 种 植 制 度 复 种 指 数 计 算 方 法 探 讨 [J]. 南 京 农 业 大 学 学 报, 1999, 22(1): 11 15 [3] 郭 柏 林. 我 国 复 种 指 数 变 化 特 征 效 益 和 潜 力 [J]. 经 济 地 理, 1997, 17(3): 8 13 [4] 梁 书 民. 我 国 各 地 区 复 种 发 展 潜 力 与 复 种 行 为 研 究 [J]. 农 业 经 济 问 题, 2007, 28(5): 85 90 [5] 唐 鹏 钦, 姚 艳 敏, 吴 文 斌, 等. 基 于 遥 感 技 术 的 耕 地 复 种 指 数 研 究 进 展 [J]. 中 国 农 业 资 源 与 区 划, 2010, 31(2): 21 27 [6] 辜 智 慧. 中 国 农 作 物 复 种 指 数 的 遥 感 估 算 方 法 研 究 基 于 SPOT/VGT 多 时 相 NDVI 遥 感 数 据 [D]. 北 京 : 北 京 师 范 大 学, 2003 [7] 范 锦 龙, 吴 炳 方. 复 种 指 数 遥 感 监 测 方 法 [J]. 遥 感 学 报, 2004, 8(6): 628 636 [8] 闫 慧 敏, 曹 明 奎, 刘 纪 远, 等. 基 于 多 时 相 遥 感 信 息 的 中 国 农 业 种 植 制 度 空 间 格 局 研 究 [J]. 农 业 工 程 学 报, 2005, 21(4): 85 90 [9] 左 丽 君, 董 婷 婷, 汪 潇, 等. 基 于 MODIS/EVI 的 中 国 北 方 耕 地 复 种 指 数 提 取 [J]. 农 业 工 程 学 报, 2009, 25(8): 141 146 [10] Panigrahy S, Manjunath K R, Ray S S. Deriving cropping system performance indices using remote sensing data and GIS[J]. International Journal of Remote Sensing, 2005, 26(12): 2595 2606 [11] Reed B C, Brown J F, Vander Z D. Variability of land cover phenology in the United States[J]. Journal of Vegetation Science, 1994, 5(5): 703 714 [12] Roerink G J, Menenti M, Verhoef W. Reconstructing cloudfree NDVI composites using Fourier analysis of time series[j]. International Journal of Remote Sensing, 2000, 21(9): 1911 1917 [13] Mucher C A, de Badts E P J. Global Land Cover 2000: Evaluation of the SPOT VEGTATION sensor for land use mapping[r]. Wageningen: Alterra, Green World Research, [14] 2002 Chen J, Jönsson P, Tamura M, et al. A simple method for reconstructing a high-quality NDVI time-series dataset based on the Savitzky-Golay filter[j]. Remote Sensing of Environment, 2004, 91(3/4): 332 344 [15] Tao F, Yokozawa M, Zhang Z, et al. Land surface phenology dynamics and climate variations in the North East China Transect (NECT), 1982 2000[J]. International Journal of Remote Sensing, 2008, 29(19): 5461 5478 [16] Kogan F, Sullivan J, Carry R, et al. Post-Pinatubo vegetation index in central Africa[J]. Geocarto International, 1994, 9(3): 63 66 [17] 梁 守 真, 施 平, 邢 前 国. MODIS NDVI 时 间 序 列 数 据 的 去 云 算 法 比 较 [J]. 国 土 资 源 遥 感, 2011, 22(1): 33 36 [18] 梁 守 真. 环 渤 海 地 区 植 被 时 空 变 化 及 其 与 气 候 因 子 关 系 分 析 [D]. 烟 台 : 中 国 科 学 院 烟 台 海 岸 带 研 究 所, 2011 [19] 刘 巽 浩. 中 国 耕 作 制 度 [M]. 北 京 : 农 业 出 版 社, 1993: 12 15