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MODIS-NDVI时序图谱库的构建及应用研究

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究内容及技术路线

2 研究进展及研究方法综述

2.1 国内外土地覆盖信息提取研究进展

2.2 MODIS时序数据重建方法综述

2.3 光谱曲线相似度匹配模型综述

2.4 精度评价方法

3 研究区概况及数据预处理

3.1 研究区概况

3.2 数据源

3.3 数据预处理

3.4 本章小结

4 构建MODIS-NDVI时序图谱库及土地覆盖提取结果

4.1 MODIS-NDVI时序图谱库构建

4.2 曲线相似性测度方法和精度评价方法概述

4.3 基于MODIS-NDVI时序图谱库的土地覆盖信息提取及其精度评价

4.4 本章小结

5 基于MODIS-NDVI时序图谱库提高现有土地覆盖产品分类精度

5.1 土地覆盖产品MCD12Q1选取原则

5.2 2013年MCD12Q1产品精度提高研究

5.3 2005年MCD12Q1产品精度提高研究

5.4 MCD12Q1土地覆盖产品精度提高的原因分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究结论

6.2 研究的特点与创新

6.3 讨论与展望

参考文献

致谢

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摘要

土地覆盖是对陆表覆盖情况的真实反映。人类通过对土地的利用和改造活动，使土地覆盖发生变化，进而对地球的生物、物理、化学循环和能量转换以及地球生物化学圈层的结构和功能产生影响。近年来，随着全球环境问题的日益严重和全球变化研究的不断深入，人们逐渐意识到土地覆盖变化研究的重要性和迫切性。而开展土地覆盖变化研究，首先要及时、高效、准确地获取土地覆盖数据。
　　为获取更加精确的土地覆盖信息，目前相关研究多从土地覆盖分类方法、分类特征、分类体系以及降低遥感影像噪声污染的方法或改进土地覆盖分类后处理方法等角度出发，即通过改进土地覆盖产品生成之前或生成过程中的某（几）个环节以实现提高土地覆盖分类精度的目的。而在现有土地覆盖产品基础上，针对其精度较低区域的改进研究还未见相关报导。对于现有土地覆盖产品，尤其是大区域土地覆盖产品，虽存在着数据整体精度较低，不能满足实际需要的缺陷。但不可否认的是这些数据产品在某些区域的分类精度还是很高的，只不过某些区域精度较低，使得整体精度不尽人意。因此，在现有土地覆盖产品基础上，改进其分类精度较低区域的产品精度的研究是有必要的。故，本研究从现有土地覆盖产品精度较低区域入手，试图通过提高该区域的产品精度，从而实现提高土地覆盖产品精度的目的。围绕此目的，本文以河南省为例，利用MODIS NDVI时序数据，主要开展了以下研究工作并得到了相应成果：
　　（1）构建MODIS-NDVI时序图谱库。本文以全国1:25万土地覆被数据为参考，通过梳理相关文献和资料，最终在全国范围内选取了38个涵盖17种土地覆盖类别的典型样本区。通过多种滤波平滑方法相结合，重建了MODIS NDVI时间序列。利用样本区NDVI时序数据，提取了17种土地覆盖类别参考时序 NDVI曲线，并以此构建了MODIS-NDVI时序图谱库。
　　（2）探讨时序NDVI与土地覆盖分类的关联性。基于MODIS-NDVI时序图谱库，本研究分别提取了2005年和2013年河南省土地覆盖信息，并分别利用比较评价和样本评价的精度评价方式，对其结果进行精度评价。其中，比较评价结果表明，相对于2005年1:25万土地覆盖数据，基于MODIS-NDVI时序图谱库提取的土地覆盖结果，一级土地覆盖总体精度为71.08％，kappa系数达到0.46，二级土地覆盖总体精度为48.26%，kappa系数为0.33；样本评价结果表明，2013年土地覆盖提取结果的绝对总体精度高达79.57%。由此说明，时序NDVI是土地覆盖分类的重要分类特征，时序NDVI与土地覆盖分类关联性强；利用时序NDVI来提高土地覆盖分类精度是有根据的。
　　（3）基于MODIS-NDVI时序图谱库提高现有土地覆盖产品分类精度。文中基于MODIS-NDVI时序图谱库，通过改进现有土地覆盖产品MCD12Q1低精度区域产品精度，生成了2005年和2013年两期新的土地覆盖产品AMCD_2005和AMCD_2013。然后，分别采用比价评价和样本评价来对比对新的土地覆盖产品和现有土地覆盖产品MCD12Q1的分类精度。其中，比较评价结果表明：AMCD_2005较MCD12Q1的总体精度和kappa系数分别提高11.81%和0.27；AMCD_2013较MCD12Q1的总体精度和kappa系数分别提高10.29%和0.25。同时，样本评价结果表明：AMCD_2013的绝对总体精度比MCD12Q1提高17.20%。因此，基于MODIS-NDVI时序图谱库能够提高现有土地覆盖产品分类精度。
　　（4）时序NDVI曲线相似度匹配模型优劣的比较。文中，利用最小距离法和光谱角度匹配法两种曲线相似性测度方法，分别提取了河南省2005年和2013年的土地覆盖信息，得到SAM_2005、MD_2005、SAM_2013以及MD_2013四套土地覆盖产品。然后，分别采用比价评价和样本评价来评价四套产品的分类精度，其中比较评价结果表明：MD_2005比SAM_2005的总体精度和kappa系数分别提高1.81%、0.05；MD_2013比SAM_2013分别提高8.51%和0.13。同时，样本评价结果发现，MD_2013比SAM_2013的绝对总体精度高出12.90%。由此可见，最小距离法整体上优于光谱角度匹配法。
　　（5）探讨现有土地覆盖产品精度显著提高的土地覆盖类别。通过对比新的土地覆盖产品AMCD_2013和现有土地覆盖产品MCD12Q1发现：林地的用户精度由88.53%降低到83.85%，降低4个百分点，而制图精度提高35.36%；草地的用户精度提高48.99%、制图精度提高29.51%；耕地的用户精度和制图精度分别提高9.6%、2.98%；人工地表分别提高39.49%、6.96%；水体分别提高5.98%和6.11%，可以看出5种土地覆盖类别的精度都有提高，其中林地、草地以及人工地表3种土地覆盖类别精度提高显著。具体到林地的二级土地覆盖类别来说，常绿针叶林的用户精度和制图精度分别提高21.01%、39.9%；常绿阔叶林分别提高25.61%、46.67%；落叶针叶林分别提高1.39%、2.66%；混交林分别提高38.09%、0.19%；灌丛分别提高54.62%、0.01%；落叶阔叶林的用户精度虽稍有降低（11.87%），但其制图精度提高显著，为57.32%。整体上看，林地各二级土地覆盖类别的精度均有提高，并且常绿针叶林和常绿阔叶林两类更为显著。
　　综上，本文通过选取不同土地覆盖类别的样本区，利用MODIS时序数据，获取了17种土地覆盖类别参考时序NDVI曲线，以此构建了MODIS-NDVI时序图谱库。基于MODIS-NDVI时序图谱库，通过改进现有土地覆盖产品精度较低区域的分类精度，实现了现有土地覆盖产品分类精度的提高。本文的研究思路、研究方法和研究成果对今后的土地覆盖分类研究具有一定的指导和参考作用。

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