复种指数时空变化—课题申报书.docx

江西师范大学大学生学术课题申报书 课题名称：近十年江西省复种指数的时空变化特征分析 申报单位： 地理与环境学院 申报者姓名： 侯海艳、杨晨、郭秋蓉、李宁 指导老师姓名： 丁明军 类别： 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 新技术、新产品、新工艺的研究和制作类说明：1、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2、表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。3、作品申报书须按要求由学院团委统一报送。一、课题研究人员基本情况负责人姓名侯海艳性别男民族汉年龄22所在学院班级地理与环境学院地理信息系统班联系电题组成员基本情况（不超过5人）姓名性别年龄所在学院及班级研究特长及课题分工侯海艳男22 10级地理信息系统班擅长编程，程序设计杨晨男20 10级地理科学班2班 数据处理，数学分析郭秋蓉女2110级地理科学1班文档撰写、区域划分李宁女2110级地理科学1班 文档撰写、区域划分二、课题设计论证1、选题：本课题研究现状，选题的意义；2、内容：本课题研究的主要思路（包括视角、方法、途径、目的）和主要观点；3、预期价值：本课题创新点、理论意义和应用价值；4、研究基础：本课题已有研究基础，主要参考文献（限填10项以内）。（请分4部分逐项填写，限2000字内） 1.本课题的研究现状，选题的意义 耕地是人类赖以生存的基本条件和粮食来源，其利用合理与否直接关系到粮食安全以及生态系统的稳定性。进入20世纪以来，人类对土地的不合理利用不断加剧，开垦森林、城市化进程的加快、人口的不断增长等对生态系统以及粮食的稳定造成了极大的影响，因而，耕地利用和粮食问题成为备受人们关注的问题。 在有限的耕地资源和环境条件下，如何提高单位土地面积上的农作物年产量成为近些年来人们热切关注的问题。复种，亦可叫多熟，即在同一块土地上一年连续种植超过一熟作物或套种，是提高粮食增产的直接且行之有效的方法，复种是一种集约化程度较高的种植方式，是我国重要的种植制度。评价复种程度的一个重要指标是复种指数，复种指数是指一年内农作物总播种面积与耕地面积之比，是衡量耕地资源集约化利用程度的基础性指标，也是评价耕地资源利用基本状况的重要技术指标。江西省是我国水稻种植大省，通过提取耕地的复种指数，分析近10年复种指数时空变化特征，可以及时准确地掌握农作物的面积和长势，预测未来粮食发展趋势，并进行产量估算，对农业政策的制定、粮食价格的调控及粮食安全有着重要的意义。 本研究着力从时空特性的变化方面分析江西省耕地复种指数，时空特征分析是地理学分析地理事物规律的有效手段。获得江西省2000-2012年的MODIS影像，利用matlab数学软件和Visual C#读取影像并提取象元值，根据植被指数特征进行土地覆盖分类，提取覆盖类型为农作物的象元，得到江西省农作物覆盖图。采用Savitzky-Golay滤波算法和小波滤波分析法，对覆盖类型为农作物的区域提取复种指数，并分析其时空变化特征，为江西省的相关政策的制订提供参考。2.本课题研究的主要思路和基本观点：2.1 MODIS遥感影像的获取及处理本课题是以一年24时相的MODIS数据作为数据基础。MODIS全称是中分辨率成像光谱仪(MODerate-resolution Imaging Spectro radiometer)，是Terra和Aqua卫星上搭载的主要传感器之一，两颗星相互配合每1-2天可重复观测整个地球表面，得到36个波段的观测数据。我们需要的是MOD13A1的植被指数产品，该产品是Terra平台的16天合成250米分辨率。可满足我们小区域研究的需要。可在MODIS官网上下载该产品。下载的MODIS数据需要经过预处理才能使用，预处理主要是对其进行几何校正，有三种方法，1、用Envi自带模块处理；2、用GLT，即是查找表法对图像进行几何校正；3、用IDL进行批处理。我们使用IDL进行批处理，以便处理大量数据。时间序列植被指数（NDVI）能够反映地表植被的生长动态过程，但是由于数据的采集和处理过程中受各种因素干扰，严重影响数据的质量。虽然本研究中的数据使用了最大值合成法（MVC），但它不能去除亚像元内残余云、长时间云霾或其它负面影响，同时由于这些因素在时间上出现的随机性，造成曲线季节变化趋势不明显，需要对其进一步平滑处理。迄今为止，国内外研究者针对遥感时间序列数据滤波重建相继开展了不少研究。根据前人研究的经验结合样区实际情况我们选取Savitzky-Golay滤波算法和小波滤波分析法对样区影像进行平滑滤波处理。分述如下：2.1.1 Savitzky-Golay滤波算法 S-G滤波算法基于两点假设，(1)、时间序列植被指数要能反应植被季节生长变化和生长态势；(2)、云以及其它天气会降低NDVI的象元值，例如，对于同一象元，某一时间的植被指数值相对于相邻时间的植被指数值出现突降，这些明显不符合植被生长规律。因此应当将其视为噪声剔除。算法：设一组数据为 x(i) , i的取值为 2m + 1个连续的整值, 即 i= - m, , 0, , m 。现 构 造 一 个 n 阶 多 项 式( n2m + 1 )来拟合这一组数据. fi=k=0nbnkik=bn0+bn1i+bn2i2+bnnin 使拟合数据和实际数据的误差平方和最小，最终可得公式： k=0nbnki=-mmik+r = i=-mmx(i)ir可根据此公式对植被指数进行拟合。2.1.2 小波滤波分析法 小波分析是源于傅里叶变换的一种新的分析方法，可以同时在频域和时域均具有良好的局部化性质。 小波变换是把一个信号的不同频率成分分解到互补重叠的频带上而构成一系列的函数，其基本原理是由具有在有限的区域内迅速衰减到0的母小波（MotherWavelet）(t )经过伸缩、平移后生成的一组正交基。这个小波函数数学模型可以表示为： a,bt=1a(t-ba) 其中 a 0为尺度因子，b R为平移因子。同一地区使用两种方法，可将得出的结果进行对比分析，最终将使用拟合效果好、针对性强的方法所得结果。2.2地表覆盖分类提取MODIS植被指数，利用决策树将地物由主到次，由复杂到简单，逐级分解为均质的子集，进而得出地表覆盖类型为农作物的区域。2.3得出复种指数按照当前江西省的种植作物，大致可以分为二熟制、三熟制。单个象元复种指数为平滑的时间序列植被指数曲线波峰数。选取合适的拟合方法，设定一个植被指数阈值，对得到的农作物区域平滑滤波处理。阈值的选取根据经验法一般设为0.33。对拟合的时间序列散点进行两次差分运算，正值赋1，负值赋-1，差分结果为-2的点后一点为波峰，值为-2点的个数即为单个象元的复种指数。将所有象元的复种指数累加除以象元数即得区域复种指数。2.4复种指数时空变化特征分析选取样区，绘制2000-2012年复种指数时间序列，分析其变化特性，利用最小二乘拟合法，预测未来几年江西省复种指数变化趋势。3. 本课题创新点、理论意义和应用价值3.1本课题创新点利用matlab数学分析软件，结合地理处理软件arcgis，可在Visual C#环境下对matlab所写程序进行编译，即matlab与C#混合编程，可使程序执行效率更高。利用arcgis对遥感影像进行处理，可有效避免数据的破坏。集成复合环境提取复种指数，使得研究在处理方式上更有力。本课题所采用两种拟合方法可找出对单个研究区更可行的研究方法，从而使研究结果更科学、更可靠。同时这一处理结果可为农业部门、粮食部门和环境部门提供决策性支持。3.2 意义和预期价值：近年来的部分地区耕地荒芜，农民种地积极性不高，农作物熟制减少，通过提取耕地的复种指数，可在时间尺度上对比分析耕地的利用程度，预测未来粮食生产潜力，有利于提高农民对土地的利用程度，中国的耕地资源相对较少，单位面积的土地通过提高复种指数可有效提高粮食产量，结合预测模型，适当投入耕地生产成本。本课题和农业、粮食部门结合紧密，直接服务于农民生产、国计民生。所得结果可对未来粮食生产潜力进行预测，亦可作为国家宏观调控的理论依据。 4. 本课题研究基础和参考文献4.1研究基础项目依托单位江西师范大学地理与环境学院及鄱阳湖流域资源与环境教育部重点实验室，实验室拥有电脑、扫描仪、差分定位仪、GPS等硬件设备和地理信息系统、遥感等软件设备，并且实验室有着实例雄厚的专家学者团队，为本项目的开展提供了一个良好的基础平台。4.2 主要参考文献1.肖江涛.基于MODIS植被指数的水稻物候提取与地面验证D.西安：电子科技大学.2011年2.范锦龙.复种指数遥感监测方法研究D.北京：中国科学院遥感应用研究所.2003年3.范锦龙，吴炳方.复种指数遥感监测方法J.北京:遥感学报.2004年 11月4.闫慧敏，刘纪远，曹明奎.近20年中国耕地复种指数的时空变化J.北京:地理学报.2005年7月5.鹿琳琳,郭华东.基于 SPOT/VEGETATION 时间序列的冬小麦物候提取方法J.北京：农业工程学报.2009年6月6.蔡天净,唐瀚.Savi-tzkyGolay平滑滤波器的最小二乘拟合原理综述EB/OL.2011年1月7.潘泉,孟晋丽 等.小波滤波方法及应用J.北京:电子与信息学报.2007年1月 8.范锦龙，吴炳方.基于GIS的复种指 数潜力研究J.北京:遥感学报.2004年11月三、完成课题的条件和保证本课题组成员完成课题研究的能力、时间保证、资料设备等科研条件。1指导老师丁明军(1979-),男，江西师范大学地理环境学院副教授。2002年毕业于湖北大学，2005于中国科学院西北高原生物研究所获生态学硕士学位，2008于中国科学院地理科学与资源研究所获自然地理学博士学位。主要从事土地利用/覆被及生物地理学相关研究。近年来主要参加了973项目课题、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金等课题的研究工作。同时协助参与了国家自然科学基金“鄱阳湖区土地利用与土地覆被变化模拟研究” 和科技支撑项目“沙化土地与水土流失区治理技术研究与示范”研究。对该区域植被特征及水文环境有一定了解，能够胜任指导教师一职。2.小组成员我们小组成员是分别是地理信息系统和地理科学专业的大三学生。侯海艳和杨晨均多次参加省级、校级、院级的一些项目和比赛。侯海艳曾参加“江西省土壤侵蚀检测系统”的开发，2012年暑期参加了学校数学建模培训，多次参与老师课题研究，不仅熟练掌握C#、MatLab和ArcGis编程和应用环境，而且有很好的数学建模功底。杨晨曾参加“全国大学生数学建模比赛”，对数学拟合和优化有很坚实的理论基础，而且作为地理科学的学生对复种指数等有深刻的理解，熟悉C+和MatLab等编程环境。郭秋蓉和李宁曾多次参加自然地理野外实习，对专业知识有很好的理论基础。二人均具有较强的文档撰写能力。3、时间保证（拟定如下安排）： 本课题组成员都是全日制学生，且均已是高年级学生，有充足的时间进行这方面的分析研究。现做如下安排：2013年1月-2月，完成植被指数遥感影像的下载；2013年3月-5月，完成影像的处理和matlab程序的设计；2013年6月，完成复种指数的提取，完成课题。4、基本素质和资料设备指导老师丁老师多次参加国家级项目，积累了丰富的实践经验和技术实力，尤其是在复种指数的提取方面更具有专业素养。小组成员均具有扎实的理论知识，在编程能力和数据处理等技术方面也有较强的功底。鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室给我们提供了一个广阔坚实的平台，给我们的研究提供了基础保证。 四、研究计划主要研究阶段及阶段性研究目标主要研究阶段完成时间课题组成员分工阶段成果形式第一阶段2013年1月杨晨负责影像第二阶段2013年2月全体组员样区划分表单第三阶段2013年3月杨晨处理好的影像第四阶段2013年4月、5月侯海艳程序文件第五阶段2013年6月郭秋蓉、李宁课题报告第六阶段2013年6月全体组员完善课题，得出最终的课题研究报告 五、经费预算序号项目名称预算额序号项目名称预算额第一项材料费300元第二项相关软件的购置及安装400元第三项差旅费200元第四项科研业务费100元总计1000元六、审查意见指导老师意见（对课题研究价值和研究可行性的评价，对课题是否愿意承担指导任务）：耕地的利用合理与否直接关系到粮食安全以及生态系统的稳定性。在有限的耕地资源和环境条件下，如何提高单位土地面积上的农作物产量一直以来都是社会关注