基于时序栅格的草地可持续性下降异常斑块识别方法

本发明涉及图像数据处理领域，具体涉及一种基于时序栅格的草地可持续性下降异常斑块识别方法。

背景技术：

1、草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，兼具生态屏障、牧业生产、生物多样性维持等多重功能，其运行状态受气候波动、植被生产力、放牧强度及草地承载能力的共同调控。由于不同区域的水热条件、草地类型与利用方式存在显著空间异质性，同一区域在不同年份也会受气候年际波动、人为利用强度变化等因素影响呈现明显的状态波动，草地退化过程既具有长期演变的趋势性特征，也可能表现为局部、突发的阶段性下降，因此如何从连续多年的监测数据中精准识别偏离自身历史正常状态的下降异常区域，是草地生态遥感监测领域亟待解决的关键技术问题。

2、目前草地生态监测多采用归一化植被指数、植被覆盖度、地上生物量或净初级生产力等单一植被指标表征草地生长状态，这类指标能够直观反映草地植被的长势水平，但其动态变化并不完全等同于草地可持续利用状态的变化。一方面，在草地生产力维持较高水平的区域，若放牧压力长期接近甚至超出草地承载能力，植被表观长势仍可保持相对稳定，但草地资源的过度利用风险已持续累积，单一植被指标无法识别此类隐性退化风险；另一方面，草地生产力的短期下降可能仅由当年降水、温度等气候异常因素导致，并不必然代表草地可持续状态发生持续性恶化，仅依赖单一植被指标难以同时覆盖生产能力、利用压力、年际稳定性与长期超载风险等多个维度，无法全面刻画草地可持续性的真实状态。

3、为提升草地状态评价的综合性，现有技术通常将多个生态指标进行标准化处理后加权合成综合评价指数，并依据预设的固定阈值划分草地状态等级，该类方法能够反映不同区域间的草地状态空间差异，但其评价结果多偏向静态的等级划分，未充分考虑图像中不同空间像元的本底条件差异。不同地理单元具有不同的生产力基础与放牧利用背景，统一的固定阈值难以适配各像元自身的历史变化特征，对于长期处于低生产力水平但状态相对稳定的草地，固定阈值易将其持续判定为低值退化区域；而对于原本状态较优、但近期发生快速下降的草地，固定阈值又难以及时识别其相对退化的异常特征，仅基于绝对数值的等级划分方式，无法准确定位相对于自身历史状态发生显著下降的异常区域。

4、在时序变化检测方面，现有草地动态分析多采用相邻年份差值法、长期趋势分析法或统一参考期均值法进行变化判定，其中相邻年份差值法易受单年气候异常与数据噪声干扰，误检率较高；长期趋势分析法更适用于刻画多年度的整体演变方向，对单一年份出现的局部突发性下降响应不足；统一参考期均值法虽可提供统一的比较基准，但未充分考虑各像元有效观测数量与历史数值分布的差异，难以兼顾不同空间像元的历史状态异质性，无法针对每个像元的自身历史状态开展相对性的异常判定。

5、此外，基于数值阈值直接提取的异常结果通常由离散的独立像元构成，易混入数据噪声、局部数据缺失与边界扰动形成的孤立异常像元，若直接将此类离散像元作为异常区域输出，结果往往呈现高度破碎化特征，难以形成具有明确空间范围的监测对象，无法直接支撑草地管护业务应用。单纯采用连通区域标记方法，也会保留大量由少量像元构成的细碎区域，同样不具备实际管理意义，难以作为草地退化监测与管控的有效对象。

6、综上，现有技术尚难以同时实现草地可持续状态的多维度综合表征、逐像元历史基线的差异化构建、年度异常阈值的自适应判定以及离散异常像元的空间斑块化聚合，无法满足草地可持续性下降异常精准识别与空间化监测的业务需求。因此，亟需一种新的识别方法，以克服上述缺陷。

技术实现思路

1、为了缓解或部分缓解上述技术问题，本发明的解决方案如下所述：

2、一种基于时序栅格的草地可持续性下降异常斑块识别方法，包括：

3、获取待检测区域多年时序的地上生物量栅格数据和放牧强度栅格数据，进行坐标系统一与空间对齐预处理后，构建各年度各像元的生产力状态指标、放牧压力指标、时间稳定性指标和超载频率指标，将所述生产力状态指标、放牧压力指标、时间稳定性指标和超载频率指标加权融合，生成各年度草地可持续性指数栅格；

4、以待检测年份之前连续多年度的草地可持续性指数栅格构建逐像元历史基线，将待检测年份的草地可持续性指数与所述逐像元历史基线进行逐像元比较，计算各像元的草地可持续性下降差异；

5、采用最大类间方差法，根据待检测年份的草地可持续性下降差异栅格中有效值的分布确定该年度的自适应异常阈值，将草地可持续性下降差异达到或超过所述自适应异常阈值的像元标记为初始异常像元；

6、对所述初始异常像元进行空间邻域一致性过滤，对过滤后的异常像元进行连通区域标记，将空间上连通的异常像元聚合为连通区域，根据最小斑块规模对连通区域进行过滤，保留达到最小斑块规模的连通区域，生成异常斑块；

7、输出所述异常斑块的空间分布栅格及属性数据。

8、进一步地，构建所述生产力状态指标、放牧压力指标、时间稳定性指标和超载频率指标的方法包括：

9、基于所述地上生物量栅格数据，采用分位数归一化方法构建所述生产力状态指标；

10、基于所述放牧强度栅格数据，以畜牧强度比值为1作为草畜平衡基准，在基准两侧设置过渡区间，采用分段线性响应函数构建所述放牧压力指标；

11、基于所述地上生物量栅格数据，采用滚动时间窗口计算各像元的年际变异系数，经反向标准化处理构建所述时间稳定性指标；

12、基于所述放牧强度栅格数据，采用与所述时间稳定性指标相对应的滚动时间窗口，统计各像元在所述滚动时间窗口内畜牧强度比值超过草地承载能力的年数比例，经反向转换构建所述超载频率指标。

13、进一步地，所述过渡区间的下限为草畜平衡基准的0.8倍，上限为草畜平衡基准的1.2倍，所述分段线性响应函数在所述过渡区间内随畜牧强度比值增大线性递减。

14、进一步地，将生产力状态指标、放牧压力指标、时间稳定性指标和超载频率指标加权融合生成各年度草地可持续性指数栅格之前，还包括：

15、采用基于指标移除效应的客观赋权方法，确定所述生产力状态指标、放牧压力指标、时间稳定性指标和超载频率指标的融合权重。

16、进一步地，所述以待检测年份之前连续多年度的草地可持续性指数栅格构建逐像元历史基线，包括：

17、将待检测年份之前连续5年的草地可持续性指数栅格作为历史窗口，所述历史窗口随待检测年份逐年滚动；

18、针对各像元，统计所述历史窗口内有效草地可持续性指数值的数量；

19、当有效值的数量不少于4个时，以所述有效值的中位数作为该像元的历史基线；

20、当有效值的数量少于4个时，将该像元的历史基线设置为无效值。

21、进一步地，所述计算各像元的草地可持续性下降差异包括：

22、当像元历史基线高于待检测年份的草地可持续性指数时，以所述历史基线与待检测年份草地可持续性指数的差值作为该像元的草地可持续性下降差异；

23、当待检测年份的草地可持续性指数不低于历史基线时，将该像元的草地可持续性下降差异设置为0；

24、当历史基线或待检测年份的草地可持续性指数为无效值时，将该像元的草地可持续性下降差异设置为无效值。

25、进一步地，所述空间邻域一致性过滤包括：

26、对各像元构建3×3邻域窗口，统计所述邻域窗口内异常像元的数量；

27、当中心像元为初始异常像元且邻域窗口内异常像元数量不少于4个时，保留中心像元的异常标记，否则去除中心像元的异常标记。

28、进一步地，在邻域数量统计过程中，无效像元临时按取值0参与计算；邻域过滤完成后，根据初始异常像元栅格的有效区域掩膜恢复无效区域，避免无观测区域被判定为非异常区域。

29、进一步地，所述连通区域标记采用八邻域连通规则，水平方向、垂直方向及对角方向上相邻的异常像元均判定为具有空间连通关系；所述最小斑块规模为4个像元。

30、进一步地，所述属性数据包括：各异常斑块的斑块面积、平均下降程度，以及所述生产力状态指标、放牧压力指标、时间稳定性指标和超载频率指标在各异常斑块范围内的平均变化量。

31、本发明技术方案，具有如下有益的技术效果之一或多个：

32、（1）通过融合生产力状态、放牧压力、时间稳定性及超载频率四项分项指标构建草地可持续性指数，可同时反映草地生产供给能力、放牧利用压力、生产功能波动特征与长期超载风险，能够识别植被表观稳定下的隐性退化风险，区分气候波动导致的临时下降与持续性退化，实现了草地可持续状态的多维度综合表征，有效弥补了单一植被指标的表征缺陷。

33、（2）通过为每个像元构建滚动历史中位数基线，将异常判定由全局绝对值比较转换为逐像元相对自身历史状态的比较；同时采用最大类间方差法逐年确定自适应异常阈值，可适配不同区域的草地本底差异与年度整体波动特征，降低低生产力稳定区误判、高生产力快速下降区漏检的概率。显著提升下降异常识别的自适应能力与空间适配性，避免了固定阈值与全局基准的局限性。

34、（3）通过空间邻域一致性过滤、八邻域连通区域标记与最小斑块规模约束的三级空间处理，剔除孤立噪声像元，将离散异常像元聚合为边界清晰、编号唯一的异常斑块，并同步生成包含斑块面积、下降程度及分项指标变化量的属性数据，可直接支撑草地退化区域的精准定位、监测预警与管护决策。

35、此外，本发明还具有的其它有益效果将在具体实施例中提及。