基于HJ—1 CCD影像的冬小麥種植面積提取研究

李峰等

摘要：針對目前省域冬小麥種植面積遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行中所存在的監(jiān)測精度與成本之間相互制約的問題，本研究選取冬小麥主產(chǎn)區(qū)——山東省為研究區(qū)域，利用HJ-1衛(wèi)星提供的CCD遙感影像，采用決策樹分類法，同時以山東省土地利用類型之林地數(shù)據(jù)和野外地面調(diào)查數(shù)據(jù)作為輔助，通過分區(qū)解譯提取出山東省冬小麥種植面積和分布區(qū)域。研究表明：利用HJ-1 CCD影像進(jìn)行山東省冬小麥種植面積提取是可行的，位置精度和面積總量精度分別達(dá)到93.0%和96.8%，對國產(chǎn)衛(wèi)星的推廣應(yīng)用具有良好的示范作用。

關(guān)鍵詞：HJ-1 CCD影像；山東省；冬小麥；決策樹分類

中圖分類號：S127文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2015）05-0109-06

Study on Winter Wheat Planting Area

Extraction Based on HJ-1 CCD Images

Li Feng1， Zhao Hong1， Zhao Yujin1， Shang Lin1， Cao Zhangchi2

（1.Shandong Provincial Climate Center， Jinan 250031， China； 2.Linyi Meteorological Bureau， Linyi 276004， China）

AbstractOn account of the mutual restricting problems among the accuracy and cost in the measurement of winter wheat planting area at provincial scale， it was studied to extract its planting and distribution areas using the HJ-1 CCD images in this paper. Shandong Province as the main production area of winter wheat was selected for this research. Using the decision tree classification and partition interpretation methods， which solved the spectral difference problems caused by growth period， species and farming， the winter wheat planting and distribution areas were extracted with the forest land data and the field survey data as assist. The results showed that the position accuracy and total area accuracy were up to 93.0% and 96.8% respectively， which preferably reflected the winter wheat planting area and distribution in Shandong Province. It was also a good model for the promotion and application of domestic satellites.

Key wordsHJ-1 CCD images； Shandong Province； Winter wheat； Decision tree classification

山東是我國冬小麥生產(chǎn)大省，占全國總產(chǎn)量的20%以上。及時、準(zhǔn)確地獲取其冬小麥種植面積及空間分布狀況信息，對于準(zhǔn)確估計和預(yù)測產(chǎn)量，加強生產(chǎn)管理，優(yōu)化種植空間格局，確保山東省乃至全國糧食安全都具有重要意義。

目前，中國法定發(fā)布的農(nóng)作物種植面積數(shù)據(jù)一直采用兩種傳統(tǒng)的方式進(jìn)行統(tǒng)計，一種是按行政單元逐級統(tǒng)計并層層上報的全面統(tǒng)計，另一種是抽樣調(diào)查。多年來，這兩種方式發(fā)揮了重要作用，但也存在著很大的局限性。層層上報受人為因素干擾嚴(yán)重，且費時費力，準(zhǔn)確性差，難以達(dá)到理想精度。抽樣調(diào)查方法雖然人為干擾小、準(zhǔn)確性高，但工作量大，人力、物力、財力投入大，且只適用于省級以上大范圍農(nóng)作物種植面積監(jiān)測，難以獲得區(qū)縣級別的小區(qū)域作物種植面積。此外，這兩種方法都無法提供農(nóng)作物種植的空間分布狀況，因此已經(jīng)不適應(yīng)社會發(fā)展的新要求。

20世紀(jì)80年代以來，遙感技術(shù)以其宏觀、客觀、快速、經(jīng)濟(jì)和信息量大等特點，被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于作物長勢監(jiān)測和面積估算。能用于作物信息提取的遙感數(shù)據(jù)種類較多，各有其優(yōu)缺點。低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)（如NOAA/AVHRR、EOS/MODIS和FY-3/MERSI）重訪周期短，在作物整個發(fā)育期中可獲得多時相晴空數(shù)據(jù)，但由于空間分辨率低，其解譯精度難以保證；而中高分辨率遙感數(shù)據(jù)（如TM和SPOT）空間分辨率高，估算精度高，但其訪問周期長，掃描較窄，受天氣影響大，獲取作物關(guān)鍵生育期的全覆蓋數(shù)據(jù)困難且獲取費用昂貴，難以進(jìn)行業(yè)務(wù)化推廣。因此，空間分辨率與時間分辨率的矛盾成了影響作物種植面積遙感監(jiān)測與估算的關(guān)鍵因素。

2008年9月6日中國成功發(fā)射了“環(huán)境與減災(zāi)監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座系統(tǒng)”A、B星（簡稱HJ-1A/B），它是全球第一個專門用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報的小衛(wèi)星星座，分別裝載2臺中分辨率多光譜CCD相機(jī)。相對于氣象衛(wèi)星以及針對環(huán)境觀測的其他衛(wèi)星傳感器，其獲取的影像具有空間分辨率較高（30 m）、掃幅寬（單臺CCD為360 km）、重訪周期短（1A/1B雙星協(xié)同為2 d）且數(shù)據(jù)可以免費下載的特點，這些特點使HJ-1A/B成為作物種植面積信息提取較好的遙感數(shù)據(jù)源。endprint

目前國內(nèi)許多研究人員已利用HJ-1A/B CCD影像在作物面積提取方面開展了相關(guān)的研究，取得較好效果。其中郭偉等利用多時相HJ-1 CCD影像，采用決策樹分類模型，對吉林省長春市的玉米種植面積信息進(jìn)行提取，面積總量提取精度為92.57%。王來剛等利用HJ-1 CCD影像，得出了2009/2010年度河南省冬小麥種植面積年際變化率，結(jié)合冬小麥地面樣方的監(jiān)測精度達(dá)到了96.7%。梁益同等利用不同時期的HJ-1A/B CCD影像，采取最大似然分類法提取湖北省冬小麥和油菜分布信息，精度達(dá)95.48%。余凌翔等利用HJ-1 CCD遙感影像，根據(jù)橡膠林特有的影像特征，通過監(jiān)督分類方法對西雙版納橡膠種植分布區(qū)信息進(jìn)行提取，解譯精度達(dá)到97.6%。鐘仕全等利用HJ-1B CCD影像，采用決策樹分類方法對廣西賓陽縣水稻作物信息進(jìn)行了提取研究，總精度為94.9%。丁美花等利用多時相HJ-1 CCD衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用監(jiān)督分類、決策樹分類和逐步剔除相結(jié)合的遙感方法，提取南寧市甘蔗種植信息，分類精度達(dá)到92.3%。李莉等利用多時相HJ-1 CCD衛(wèi)星影像，采用監(jiān)督分類、決策樹分類和逐步剔除相結(jié)合的遙感方法，準(zhǔn)確提取了廣西甘蔗種植信息。趙麗花等利用HJ-1 CCD衛(wèi)星影像，借鑒分層信息提取法原理，綜合利用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類法，結(jié)合人機(jī)交互目視解譯和實地定位調(diào)查等資料提取了姜堰市的冬小麥種植面積，總體面積提取精度達(dá)到90.22%。這些研究成果為本研究提供了豐富的方法技術(shù)借鑒。本文以山東省范圍內(nèi)的冬小麥為研究對象，探討研究利用HJ-1 CCD影像，采用決策樹分類法，結(jié)合山東省土地利用類型和野外地面調(diào)查數(shù)據(jù)，通過分區(qū)解譯，提取了全省冬小麥種植面積信息，為山東省冬小麥種植產(chǎn)業(yè)區(qū)劃、氣象災(zāi)害監(jiān)測和估產(chǎn)提供參考依據(jù)，同時對促進(jìn)國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的示范應(yīng)用具有重要的實際意義。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

山東省地處中國東部沿海、黃河下游，東臨黃海，北濱渤海，全省包括半島和內(nèi)陸兩部分。地理位置介于114°47′E～122°43′E、34°22′N～38°24′N之間，總面積15.71萬平方千米。境內(nèi)中部山地突起，西南、西北低洼平坦，東部緩丘起伏，形成以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯環(huán)列其間的地形大勢，地表類型的多樣化是大宗作物面積遙感提取需要解決的一個關(guān)鍵問題。

山東省屬于典型的暖溫帶季風(fēng)氣候，降水集中，雨熱同季，春秋短暫，冬夏較長。年平均氣溫11～14℃，年平均日照時數(shù)2 200～2 800 h，年平均降水量600～750 mm。冬小麥?zhǔn)巧綎|省最主要的糧食作物，全省冬小麥播種面積、總產(chǎn)量均居全國第二位。

1.2HJ-1 CCD影像的獲取及處理

HJ-1衛(wèi)星是中國第一個多星多載荷民用對地觀測系統(tǒng)。其中HJ-1A光學(xué)衛(wèi)星搭載了2臺寬覆蓋多光譜相機(jī)（簡稱CCD）和1臺超光譜成像儀（簡稱HIS）；HJ-1B光學(xué)衛(wèi)星搭載了2臺寬覆蓋多光譜相機(jī)和1臺紅外相機(jī)（簡稱IRS）。CCD相機(jī)技術(shù)指標(biāo)見表1，其影像數(shù)據(jù)具有寬幅、中高分辨率的特點，適用于區(qū)域的大范圍中尺度覆蓋監(jiān)測，是日常監(jiān)測較好的數(shù)據(jù)源，能夠滿足大尺度冬小麥種植面積業(yè)務(wù)化監(jiān)測對光譜信息的要求。

根據(jù)山東省冬小麥的物候特征及遙感影像質(zhì)量，該研究所需的2014年6景HJ-1 CCD遙感影像從中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站（http：//www.cresda.com/n16/index.html）下載，影像時間選擇在3月下旬～4月上旬。該時期山東省的冬小麥處于返青期或拔節(jié)期，土壤背景影響較小，其余綠色植被除大蒜和山區(qū)常綠植被外均處于枯萎狀態(tài)，非常適合冬小麥種植面積的提取，并且也符合政府決策的時間范圍。在進(jìn)行冬小麥種植區(qū)提取前，首先對遙感影像進(jìn)行輻射校正，然后利用山東省1∶5萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)作為幾何校正參照，以河流交叉點、道路交叉點等明顯地物作為影像參考點，應(yīng)用多項式校正模型和最近鄰距離重采樣模型對原始圖像進(jìn)行幾何精校正，校正誤差控制在1個像元左右。對各個時段的遙感影像進(jìn)行鑲嵌處理，獲得山東省HJ-1 CCD影像拼圖，最后利用矢量邊界精確裁剪出山東省HJ-1 CCD影像圖。

1.3地理背景資料

地理背景資料主要包括山東省1∶25萬土地利用類型數(shù)據(jù)，由TM數(shù)據(jù)分類而得。山東省各縣（市、區(qū)）行政邊界1∶5萬矢量數(shù)據(jù)，來自國家測繪局。

1.4野外調(diào)查數(shù)據(jù)

研究期間攜帶GPS赴山東省冬小麥和大蒜主要產(chǎn)區(qū)進(jìn)行野外考察，獲取了比較準(zhǔn)確詳細(xì)的樣區(qū)地物特征數(shù)據(jù)和樣點經(jīng)緯度資料，便于了解各冬小麥和大蒜主要產(chǎn)區(qū)的地形地貌、冬小麥和大蒜種植情況，以用于處理遙感影像時的識別和驗證。

2結(jié)果與分析

2.1冬小麥遙感監(jiān)測分區(qū)

由于山東省東西范圍跨度較大，氣候條件差異顯著，尤其是東部沿海地區(qū)與西部內(nèi)陸地區(qū)，冬小麥發(fā)育期最大相差近20天，而且各地種植制度和方式也有很大不同。此外山東省山地、丘陵、平原和盆地等地貌類型多樣，土壤類型豐富，遙感數(shù)據(jù)的同物異譜與異物同譜現(xiàn)象嚴(yán)重，直接影響冬小麥面積的解譯精度。因此在利用基于NDVI的決策樹分類方法提取冬小麥種植面積時，必須對全省進(jìn)行分區(qū)，否則，達(dá)不到理想的效果。根據(jù)全省農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃的結(jié)果，綜合考慮作物發(fā)育期、地貌、氣候條件、種植制度等要素，在原始遙感影像背景下，通過目視分析和實地調(diào)查，將全省劃為6個區(qū)域，詳見表2。

2.2冬小麥種植信息提取

山東省冬小麥一般在每年的10月上中旬播種，來年的6月上中旬收獲。3月下旬～4月上旬，冬小麥處于返青和拔節(jié)期，作物長勢較好，光譜特征較穩(wěn)定，NDVI值較高，易于識別。同時，山東也是大蒜的主產(chǎn)地，大蒜一般于每年的9月下旬至10月上旬播種，來年的5月中下旬收獲，冬、春季的生長狀態(tài)與冬小麥極為相似，是冬小麥種植信息提取的重要障礙因素。此外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)山區(qū)常綠植被（柏樹和松樹）也會影響冬小麥的提取精度。endprint

為了排除大蒜和山區(qū)常綠植被等地物的干擾，本研究基于山東省HJ-1 CCD影像鑲嵌圖，利用不同地物在不同波段、不同時相與其他地物明顯的差異，采用決策樹分類法，通過設(shè)定決策樹節(jié)點閾值，建立分層決策樹判別模型，同時以山東省土地利用類型數(shù)據(jù)和野外調(diào)查數(shù)據(jù)作為輔助，進(jìn)行冬小麥種植面積提取，技術(shù)流程見圖1。

具體步驟為：

（1）首先將HJ-1 CCD全省鑲嵌影像通過疊加山東省土地利用類型數(shù)據(jù)——林地信息，剔除研究區(qū)內(nèi)的山區(qū)常綠植被，獲取冬小麥可能種植區(qū)域。

（2）在利用決策樹分類法進(jìn)行冬小麥的提取過程中，由于需要進(jìn)行歸一化植被指數(shù)（NDVI）的分析，因而本研究在對HJ-1 CCD影像進(jìn)行幾何校正和輻射校正得到對應(yīng)的反射率影像后，首先計算歸一化植被指數(shù)NDVI，即

NDVI=ρ4-ρ3ρ4+ρ3

式中，ρ3和ρ4分別為CCD相機(jī)第3（紅外）和第4（近紅外）波段的反射率。

根據(jù)野外調(diào)查采集的典型地物樣本點信息，計算研究區(qū)（以濟(jì)寧和棗莊市為例）主要地物類型的NDVI值，發(fā)現(xiàn)，居民地、水域、鹽堿地等植被指數(shù)值均在0.22以下，冬小麥、大蒜的NDVI值域范圍分別為0.31～0.58和0.33～0.50，二者存在部分重疊，但是與居民地、水域和鹽堿地等差異較大，因此，利用NDVI值可剔除居民地、水體和鹽堿地等區(qū)域。將影像進(jìn)行掩膜處理后，得出冬小麥、大蒜分布范圍。通過采用上述決策樹分類法，設(shè)置NDVI閾值T，分別得到各分區(qū)內(nèi)的冬小麥和大蒜分布范圍后，再利用ArcGIS將各分區(qū)的分類圖拼接在一起，得到全省范圍內(nèi)的冬小麥和大蒜種植分布區(qū)域。

（3）依據(jù)山東省大蒜栽培習(xí)慣，為了增加大蒜產(chǎn)量，大蒜播種后需要覆膜，其出苗期內(nèi)（10月中下旬）的植被指數(shù)低于正值出苗期的冬小麥植被指數(shù)，因此本研究又下載了一景10月中下旬（2013-10-22）能覆蓋山東省大蒜主產(chǎn)區(qū)的HJ-1 CCD影像，把大蒜和冬小麥的野外采集點數(shù)據(jù)導(dǎo)入該影像，發(fā)現(xiàn)大蒜的NDVI值域范圍為0.05～0.11，冬小麥的NDVI值域范圍為0.17～0.26。因此，利用步驟2中獲取的冬小麥和大蒜區(qū)域?qū)?013-10-22的影像進(jìn)行掩膜，獲取冬小麥和大蒜種植區(qū)域，再設(shè)置NDVI閾值剔除研究區(qū)內(nèi)冬小麥信息，獲取該影像內(nèi)的大蒜種植區(qū)域。

（4）最后將步驟3獲取的大蒜區(qū)域?qū)Σ襟E2中獲得的冬小麥和大蒜區(qū)域范圍進(jìn)行掩膜，剔除研究區(qū)內(nèi)的大蒜信息，最終獲得基于HJ-1 CCD影像提取的山東省冬小麥種植空間分布示意圖，圖中綠色為冬小麥（圖2）。與隋學(xué)艷等利用MODIS影像提取的山東省冬小麥種植面積和分布區(qū)域相比，冬小麥的主產(chǎn)區(qū)尤其是魯西北和魯西南地區(qū)發(fā)生了很大變化，魯西北地區(qū)隨著棉花種植面積的逐年減小，冬小麥種植面積在不斷擴(kuò)大。而魯西南地區(qū)隨著大蒜種植面積的逐年增大，冬小麥種植面積卻在不斷減小。而且文獻(xiàn)[18]中只給出了山東省冬小麥總的種植面積，未能給出每個地市的種植面積，無法開展進(jìn)一步的精度分析工作。

2.3冬小麥種植區(qū)提取精度

冬小麥種植區(qū)提取的精度結(jié)果必須從位置精度和面積總量精度兩個方面進(jìn)行評價。位置精度評價通常是通過研究區(qū)樣本像素的分類結(jié)果與參照數(shù)據(jù)的比較而實現(xiàn)的。在ArcGIS平臺下，利用野外調(diào)查的357個冬小麥種植區(qū)GPS定位點數(shù)據(jù)與冬小麥解譯結(jié)果進(jìn)行空間疊加分析，如表3所示，占93.0%（332個）的定位點位于所解譯的冬小麥區(qū)域里，僅7.0%（25個）未在所解譯的冬小麥區(qū)域里，出現(xiàn)漏判的主要原因為漏判點位于冬小麥和大蒜的混種區(qū)域或冬小麥比較稀疏的區(qū)域，不具備冬小麥光譜特征或光譜特征不明顯。

最后，在ArcGIS平臺下，將冬小麥分類結(jié)果與山東省矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，得到基于HJ-1 CCD影像提取的全省及17地市冬小麥種植面積，并與統(tǒng)計部門提供的面積數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果（表4）表明：在山東省平原地區(qū)，基于HJ-1 CCD影像提取的種植面積與統(tǒng)計部門提供的面積之間相差較?。欢降厍鹆甑貐^(qū)兩類數(shù)據(jù)之間的差異較大。除青島、東營、威海、日照和萊蕪?fù)?，其他地市冬小麥種植面積均被高估。

基于HJ-1 CCD影像提取的面積結(jié)果和統(tǒng)計部門提供的數(shù)據(jù)之間有所區(qū)別，其原因可能有如下幾個方面：（1）本研究中使用的山東省土地利用類型——林地數(shù)據(jù)信息是基于TM數(shù)據(jù)獲得的，解譯精度會對山地、丘陵地區(qū)冬小麥面積提取產(chǎn)生影響。（2）在實際種植冬小麥時，為了便于田間管理，會留有田間道路，但在本文中未對此信息進(jìn)行剔除。（3）本研究只考慮了對冬小麥遙感提取影響最大的常綠植被和大蒜種植信息，并未考慮同期其他田間作物對冬小麥提取精度的影響。

3結(jié)論與討論

本研究利用多時相HJ-1 CCD影像，采用決策樹分類法，以山東省土地利用類型數(shù)據(jù)和野外調(diào)查數(shù)據(jù)作為輔助，通過分區(qū)解譯獲取了較為準(zhǔn)確的山東省冬小麥種植面積和分布范圍，得到以下主要結(jié)論：

（1）HJ-1 CCD影像分辨率高，重訪時間短，可以有效解決作物種植信息遙感測量業(yè)務(wù)運行的時、空分辨率的矛盾。

（2）考慮到冬小麥發(fā)育期、地貌、氣候條件、種植制度等要素對冬小麥光譜信息的影響，將全省分成6個冬小麥種植區(qū)域，提高了冬小麥面積遙感解譯精度。

（3）通過分析研究區(qū)主要作物關(guān)鍵生育期特點，利用大蒜出苗期需要地膜覆蓋的特點，選取10月下旬一景HJ-1 CCD影像參與分類，有效解決了冬小麥和大蒜發(fā)育期混淆的問題，提高了分類精度。

基于以上研究成果，以HJ-1 CCD影像為數(shù)據(jù)源，將多源信息引入決策樹分層分類模型進(jìn)行冬小麥種植面積遙感估算業(yè)務(wù)運行的方法是可行的；同時，將環(huán)境衛(wèi)星應(yīng)用于該研究對于其他國產(chǎn)衛(wèi)星的推廣應(yīng)用具有很好的示范作用。

但是，本文的研究方法仍存在一些問題有待解決。經(jīng)檢驗，誤判的像元主要位于各類作物交界處。這主要是由于HJ-1 CCD影像的分辨率雖然為30 m，但仍容易形成混合像元，通過目視解譯也很難區(qū)分，這也在很大程度上限制了提取精度的進(jìn)一步提高。因此，下一步研究的重點是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上融合更高分辨率的遙感影像來提高提取精度。endprint

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