湖北省一季稻種植面積遙感監(jiān)測(cè)方法研究

鄂月勝，王新生，汪權(quán)方，何津，陳志杰

(湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心自1999年成立以來(lái)，遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化工作從最初的單一作物冬小麥，發(fā)展到今天全國(guó)性玉米、水稻、棉花、油料作物等大宗農(nóng)作物，機(jī)構(gòu)設(shè)置、工作規(guī)模等方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，也取得了比較顯著的成績(jī)，為國(guó)民社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了突出的貢獻(xiàn).盡管遙感監(jiān)測(cè)工作經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，已經(jīng)越來(lái)越完善，但是，在實(shí)際的業(yè)務(wù)流程化運(yùn)行中，工作人員需要在較短時(shí)間內(nèi)完成某一類作物的全部遙感監(jiān)測(cè)工作，特別是影像解譯，時(shí)間非常緊迫，導(dǎo)致精度方面存在瑕疵.就一季稻而言，主要表現(xiàn)為目標(biāo)農(nóng)作物分類不純，存在誤分、漏分等現(xiàn)象.因此，為解決這一問(wèn)題，找出一種好的方法十分迫切.

本文中以湖北省一季稻種植面積遙感監(jiān)測(cè)為例，采用2種數(shù)據(jù)源，運(yùn)用幾種通用的影像分類方法及其組合，來(lái)對(duì)研究區(qū)影像進(jìn)行解譯，并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行了綜合評(píng)估，以期找到最合適的方法，可供流程化運(yùn)行參考.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

研究區(qū)域選取位于湖北省江漢平原南部的仙桃市.該地區(qū)地理坐標(biāo)介于北緯30°04′～30°32′、東經(jīng)112°55′～113°49′，屬?zèng)_積平原，西北高而東南低，地勢(shì)平坦，土壤肥沃；亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.5 ℃，一月最冷，無(wú)霜期258 d，年平均日照時(shí)數(shù)1 934.8 h，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較為優(yōu)越，是湖北省一季稻主產(chǎn)區(qū)之一.

文中所用數(shù)據(jù)類型農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用為中心提供的2009年SPOT-4 HRVIR傳感器數(shù)據(jù)，產(chǎn)品級(jí)別為L(zhǎng)evel-1B，即經(jīng)過(guò)了Level-1A級(jí)輻射校正和系統(tǒng)級(jí)幾何校正，由于衛(wèi)星軌道、姿態(tài)及地球自轉(zhuǎn)等因素造成的數(shù)據(jù)幾何畸變得到了糾正，地面分辨率20 m，時(shí)相為8月初，處于一季稻生長(zhǎng)期內(nèi)，影像質(zhì)量較好，區(qū)分度較高.同時(shí)為了提高一季稻種植面積提取精度，收集了該區(qū)域的土地利用類型矢量數(shù)據(jù)以及同期快鳥影像，以用于精度評(píng)價(jià).

2 解譯方法

2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理在分類處理之前，先對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括影像裁剪、幾何精校正、輻射校正等，突出目標(biāo)地物信息，結(jié)合矢量數(shù)據(jù)，獲得目標(biāo)地物先驗(yàn)知識(shí).

為了減小影像預(yù)處理對(duì)遙感監(jiān)測(cè)精度的影響，幾何精校正時(shí)參考點(diǎn)選取用GPS野外實(shí)地調(diào)查特征點(diǎn)，與GoogleEarth比對(duì)，誤差在3 m范圍之內(nèi)；圖像重采樣方法選用最臨近法，簡(jiǎn)單、速度快，使輸出的圖像仍然保持原來(lái)的像元值.

對(duì)高分辨率的快鳥影像進(jìn)行目視解譯并矢量化，統(tǒng)計(jì)目標(biāo)地物面積(該面積為扣除細(xì)小地物后面積).

2.2 分類方法

1)監(jiān)督分類法

監(jiān)督分類法主要是利用遙感數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征，假定各類地物的反射光譜為正態(tài)分布函數(shù)，按正態(tài)分布規(guī)律用最大似然判別準(zhǔn)則進(jìn)行判別.最大似然法其算法內(nèi)在缺陷少，可靠性好，分類精度較高，缺陷是需要先驗(yàn)概率和條件概率密度函數(shù)模型，模型的精度直接影響分類精度.

為了獲得比較精確穩(wěn)定的概率密度函數(shù)模型，本文中結(jié)合一季稻地面樣方和野外采樣所得的一季稻分布數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上選取訓(xùn)練樣區(qū)，采用監(jiān)督分類法得到研究區(qū)域的遙感分類圖象，并加以少量人工干預(yù)，最終在GIS軟件支持下得到一季稻種植信息.

2)非監(jiān)督分類

非監(jiān)督分類是以不同影像地物在特征空間中類別特征的差別為依據(jù)的一種無(wú)先驗(yàn)(已知)類別標(biāo)準(zhǔn)的圖像分類，是以集群為理論基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行集聚統(tǒng)計(jì)分析的方法.根據(jù)待分類樣本特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，建立決策規(guī)則來(lái)進(jìn)行分類,而不需事先知道類別特征.把各樣本的空間分布按其相似性分割或合并成一群集，每一群集代表的地物類別，需經(jīng)實(shí)地調(diào)查或與已知類型的地物加以比較才能確定，是模式識(shí)別的一種方法.

本文中依據(jù)最短距離決策規(guī)則，對(duì)待分類影像進(jìn)行分類，然后結(jié)合地面樣方和野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定類別歸屬屬性，最后人工干預(yù)得到一季稻種植信息.

3)植被指數(shù)閾值法

不同作物物候期的不同導(dǎo)致了反映作物生長(zhǎng)的植被指數(shù)(NDVI)的差異，分析NDVI的光譜特征，可有效提取作物種植面積信息.

本文中根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)，選取若干區(qū)域目標(biāo)地物和非目標(biāo)地物NDVI值，根據(jù)其統(tǒng)計(jì)特征，設(shè)定閾值a、b，對(duì)耕地區(qū)中NDVI滿足的判定其為一季稻種植區(qū)域，最后人工干預(yù)確定目標(biāo)地物種植面積.

4)光譜閾值法

對(duì)于多光譜數(shù)據(jù)，同一波段不同地物接收反射能量是不一致的，同一地物在不同波段反射率也存在差異，因此，如果能利用波段間地物反射率的變化規(guī)律，反映不同作物光譜特征，則可以有效提取不同作物的種植面積.

圖1 一季稻與其他地物光譜曲線

結(jié)合一季稻和其他地物地面樣方數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)待分類影像光譜特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：一季稻區(qū)域象元光譜特征普遍表現(xiàn)為band2≤band3和band3>band4(見圖1)，同時(shí)也有一小部分區(qū)域表現(xiàn)出band2≥band3>band4，且band2和band3之間差異很小，其他地物則要么未表現(xiàn)出band2≤band3且band3>band4規(guī)律，要么當(dāng)band2≥band3>band4時(shí)band2和band3之間差異很大，對(duì)此，實(shí)驗(yàn)利用band2和band3之間的差值構(gòu)建了一個(gè)新的波段band5，組合后band2≤band3的一季稻區(qū)域表現(xiàn)出band3>band4>band5，且band5<50，而其他地物則無(wú)此規(guī)律.利用以上規(guī)律可以很好將目標(biāo)地物一季稻提取出來(lái)，然后進(jìn)行人工干預(yù)，確定一季稻種植面積.

需要說(shuō)明的是，無(wú)論是何種方法，基于地物復(fù)雜性和光譜分類同譜異質(zhì)性等自身缺陷，分類后都必須適當(dāng)人工干預(yù)，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行修正.各方法分類結(jié)果見圖2.

圖2 分類結(jié)果

3 分類方法比較

為了驗(yàn)證以上方法對(duì)一季稻的區(qū)分精度，以同區(qū)域2009年快鳥影像目視解譯矢量化得到的一季稻面積作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，分類結(jié)果見表1.由表可知，精度方面光譜閾值法相對(duì)誤差最小，非監(jiān)督分類方法次之，監(jiān)督分類和NDVI閾值法相對(duì)誤差較大.

表1 分類結(jié)果對(duì)比

就方法而言，光譜閾值法在結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)條件下，充分利用影像波段之間規(guī)律，突出了目標(biāo)地物與其他地物各波段反射率之間的差異，增加了目標(biāo)地物信息量；同時(shí)，對(duì)于其他地物規(guī)律相近的，可以根據(jù)自己的需求，通過(guò)構(gòu)建新的波段等擴(kuò)大與目標(biāo)地物之間的差異，進(jìn)而獲取目標(biāo)地物信息；再次，波段規(guī)律能夠反映絕大多數(shù)目標(biāo)地物共有的規(guī)律，具有客觀性，相比監(jiān)督分類等基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的方法更易區(qū)分不同地物，實(shí)際操作時(shí)，人工干預(yù)也比較少，結(jié)果更具代表性.就時(shí)效性而言，非監(jiān)督分類方法所花時(shí)間最少，光譜閾值法次之，其他方法則相對(duì)較長(zhǎng).

總體而言，光譜閾值法在精度和時(shí)效性方面皆有一定優(yōu)勢(shì)，且方法簡(jiǎn)單，可供流程化運(yùn)行，因此，該方法用來(lái)區(qū)分一季稻較為合適.

4 討論

本文中以SPOT4數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，討論了目前衛(wèi)星遙感作物種植分布的幾種常用方法，計(jì)算得到了研究區(qū)域一季稻的種植分布，并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)分析，得到以下結(jié)論：

1)通過(guò)采用不同方法對(duì)幾種遙感分類方法精度進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明按照上述方法和技術(shù)路線研究區(qū)域一季稻種植信息與實(shí)際種植信息相一致，特別是光譜閾值法，精度較高.同時(shí)，為了確定該方法是否具有普適性，第1作者在做湖北省油菜面積遙感監(jiān)測(cè)時(shí)也應(yīng)用了此方法，在應(yīng)用中該方法對(duì)于油菜與除小麥外的其他植被具有顯著區(qū)分效果，至于油菜與小麥因兩者之間差異較小，則通過(guò)擴(kuò)大差異的方法進(jìn)行區(qū)分，取得了較好效果.因此，筆者認(rèn)為光譜閾值法具有一定推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景.

2)本文中基于傳統(tǒng)的光譜分類，未考慮地物復(fù)雜性，未將混合象元加以考慮，因此，要想進(jìn)一步提高作物種植面積計(jì)算結(jié)果，必須將混合象元分解技術(shù)利用進(jìn)來(lái).

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