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多源遥感数据融合的两湖平原冬油菜提取及时空格局分析

刘文斌  
【摘要】:油菜是我国第五大农作物类型,同时也是仅次于大豆油和棕榈油的世界第三大油料作物。冬油菜的种植面积和产量占我国油菜总量的90%以上,主要集中在长江流域,两湖平原是主产区之一。近年来,中部崛起和长江经济带等国家战略不断推进,该地区市场经济和城市化水平得以快速发展,同时伴随着耕地的显著减少、农作物种植频率下降以及种植结构的剧烈变化。准确、及时地掌握冬油菜的种植分布和时空格局变化,对农业产量估测、作物结构调整优化、国家粮食安全以及理解全球变化影响具有重大意义。本文基于多源遥感数据,将MODIS和Landsat、HJ-1、GF-1等数据结合,提取了亚像元冬油菜的种植分布信息,并在此基础上探究了两湖平原2000~2017年冬油菜的时空格局动态。首先,从时间序列MODIS-EVI中挖掘了两湖平原冬油菜和冬小麦的典型物候差异,借助于冬油菜开花期的光谱反射率特征,提取并制作了亚像元冬油菜样本。然后,采用顺序前向选择算法(Sequential Forward Selection,SFS)优化了冬油菜的时间序列物候特征量,并构建人工神经网络模型(Artificial Neural Networks,ANN)估算了两湖平原的冬油菜丰度。最后,通过热点分析、Sen趋势分析和定义的冬油菜变化强度等指标,定量研究了冬油菜的时空分布和变化特征。研究的主要结论如下:(1)基于ANN提取冬油菜丰度的方法能够有效地缓解混合像元的影响,具有较高的精度,优于传统的硬分类方法。在大空间尺度冬油菜精细制图方面显示出巨大潜力。(2)长时序冬油菜丰度的空间分析结果表明,两湖平原的冬油菜主要集聚在江汉平原的中部、西部以及洞庭湖平原的北部。江汉平原的冬油菜总量明显大于洞庭湖平原,且分布更为集中。江汉平原的冬油菜主要有沙洋、天门—潜江和江陵三个主产区,洞庭湖平原的冬油菜主要有澧县和华容—安乡两大产区。(3)2000~2017年,两湖平原的冬油菜种植面积呈现出波动中减少的趋势,整体降幅约29.3%。江汉平原的减少趋势最为明显,总量减少了约45万公顷,年均降幅约3.52%。而洞庭湖平原的冬油菜则略有增加,从2000年的26万公顷上升到2017年的35万公顷,总量增加了约34.6%,年均增长率约1.7%。(4)两湖平原冬油菜的年际变化特征显著,平均每连续两个观测年约有20~30%的农田种植类型发生剧烈变化。冬油菜田换作和轮作频繁,种植结构不稳定。另外,冬油菜变化强度在县级尺度具有明显的区域差异,传统优势主产区的变化强度大于非主产区,变化强度大的地区与高丰度集聚区的范围基本保持一致,一定程度上说明冬油菜的生产种植易受经济环境和政府决策的影响。(5)结合冬油菜变化强度和Sen趋势分析可知,冬油菜变化剧烈的地区种植面积显著减少,主要原因可能是冬油菜和冬小麦存在土地竞争关系,冬小麦抢占了冬油菜的耕作空间。另外,农田撂荒和弃耕也导致了冬油菜种植面积的显著减少。


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