基于GF-1 PMS影像的檸檬種植面積估算*

蔣 怡，李宗南，任國業(yè)，王 昕，李章成

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，成都 610066)

基于GF-1 PMS影像的檸檬種植面積估算*

蔣 怡，李宗南※，任國業(yè)，王 昕，李章成

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，成都 610066)

為應(yīng)用國產(chǎn)高空間分辨率影像快速、準(zhǔn)確估算丘陵區(qū)檸檬種植面積，文章基于GF-1 PMS影像使用不同數(shù)據(jù)預(yù)處理及分類法估算檸檬種植面積。通過對影像進(jìn)行大氣校正、數(shù)據(jù)融合、濾波等處理，分別得到光譜反射率數(shù)據(jù)、融合影像和紋理特征數(shù)據(jù)(分辨率分別為8m、2m、2m)。通過可分離性分析，發(fā)現(xiàn)荒草地和未成林檸檬的可分性最差，二者在光譜反射率數(shù)據(jù)、融合影像和紋理圖像中的可分性數(shù)值均小于1.8，是影響檸檬分類精度的主要因素。基于最大似然法的分類精度評價結(jié)果顯示，紋理圖像數(shù)據(jù)估算精度好于8m分辨率的多光譜反射率數(shù)據(jù)和2m分辨率的融合圖像，適當(dāng)?shù)挠跋耦A(yù)處理有助于提高監(jiān)督分類精度。對比基于最大似然法的精度，基于面向?qū)ο蠓ǖ臋幟拭娣e估算精度達(dá)95.09%，高于監(jiān)督分類法的，使用GF-1 PMS影像估算檸檬面積最優(yōu)方法為面向?qū)ο蠓āＴ撗芯繛閼?yīng)用國產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確估算丘陵地區(qū)果樹種植面積提供了相關(guān)參考。

GF-1 PMS影像 檸檬 丘陵 種植面積 精度

0 引言

檸檬是一種蕓香科柑橘屬的小喬木植物，其果實富含維生素C、檸檬酸等，廣泛用來調(diào)制飲料菜肴以及提煉化妝品、藥品原料，具有良好的經(jīng)濟(jì)價值。四川省安岳縣是中國最重要的檸檬種植區(qū)。根據(jù)安岳縣檸檬局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其種植規(guī)模、產(chǎn)量及市場占有率均占全國80%以上，產(chǎn)值70億元； 檸檬種植及加工已成為是該縣重要的特色產(chǎn)業(yè)。準(zhǔn)確的檸檬種植空間分布、面積等空間信息是檸檬種植、生產(chǎn)等信息化管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對產(chǎn)業(yè)優(yōu)化、科學(xué)管理有重要作用。衛(wèi)星遙感具有快速獲取大面積地面信息的優(yōu)點，已成為經(jīng)濟(jì)林木、果樹等空間信息的重要數(shù)據(jù)來源及方法。董芳[1]等利用遙感技術(shù)對丘陵地蘋果園區(qū)信息進(jìn)行了提取，分析了蘋果園地遙感識別最佳時相，采用多種分類方法確定蘋果園地面積。雷彤[2]等通過對蘋果果期冠層光譜特征進(jìn)行一系列分析，對蘋果的果期、果量進(jìn)行了精確估測。胡佩敏[3]等通過采用歸一化植被指數(shù)閾值法和特征提取法，對宜都市柑橘空間的分布情況進(jìn)行了研究。李雪[4]等利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析了4種果樹林與其他地物的差異，為果樹面積的提取提供依據(jù)。劉克寶[5]等以高空間分辨率 Rapid-Eye影像為數(shù)據(jù)源，基于最大似然監(jiān)督分類方法提取了肇東市2011年農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)空間分布。2013年以來，隨著國產(chǎn)高分專項實施，國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力得到極大提升，但高分?jǐn)?shù)據(jù)民用項目大范圍使用過程中存在數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)處理耗時長等問題，因此研究及選擇適合的數(shù)據(jù)預(yù)處理、分類方法，對提高數(shù)據(jù)處理效率和估算精度有重要作用。文章旨在研究GF-1 PMS遙感數(shù)據(jù)在檸檬種植空間分布及面積信息提取過程中的數(shù)據(jù)預(yù)處理及地物分類方法，為應(yīng)用高分衛(wèi)星遙感準(zhǔn)確估算安岳縣檸檬種植面積提供參考。

圖1 安岳縣行政區(qū)劃

表1 GF-1 PMS數(shù)據(jù)波譜范圍

波段波長范圍(nm)中心波長(nm)全色580～895738藍(lán)色450～520504綠色520～590579紅色630～690680近紅外770～890810

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安岳縣隸屬四川省資陽市，位于四川盆地東部，中心位于104°56′E，29°40′N，面積為2 690km2，行政區(qū)劃圖詳見圖1。該縣地勢西北向東南傾斜，中部高，兩邊低，海拔247～551m； 屬亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，年均氣溫17.6℃，年降水量1 026mm，無霜期314d，氣候適宜檸檬種植、生長。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

以GF-1遙感衛(wèi)星的PMS影像為數(shù)據(jù)源，影像拍攝日期為2014年4月12日，產(chǎn)品級別為Level 1A級。GF-1衛(wèi)星搭載了二臺PMS相機，該相機可獲取空間分辨率為8m的多光譜影像和空間分辨率為2m的全色波段影像，單幅影像幅寬可達(dá)34km。影像光譜性能見表1。

1.2.2 驗證數(shù)據(jù)

于2015年8月17日～21日在安岳縣進(jìn)行野外調(diào)查。通過實地調(diào)查建立解譯標(biāo)志，將研究區(qū)內(nèi)的典型地物分為成林檸檬、未成林檸檬、水體、林地、荒草地、油菜、旱地以及居民地和道路等8類。根據(jù)野外調(diào)查，該研究中成林檸檬是指4年以上樹齡的檸檬樹林，見圖2。未成林檸檬是指樹齡在3年以下裸土明顯的檸檬園地，見圖3。驗證區(qū)內(nèi)檸檬面積數(shù)據(jù)，是以0.5m分辨率的數(shù)字正射圖像為底圖，結(jié)合野外調(diào)查通過目視解譯得到； 驗證區(qū)范圍在安岳縣內(nèi)，長寬為10km×3km。0.5m分辨率的數(shù)字正射圖像由2014年4月12日獲取Pléiades 遙感影像生產(chǎn)，日期正好與高分影像拍攝日期一致。

1.3 影像預(yù)處理

對GF-1 L1A級的影像的預(yù)處理包括正射校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像融合及紋理濾波等。大氣校正采用FLAASH模塊進(jìn)行； 數(shù)據(jù)融合[6-8]采用超分辨率貝葉斯融合方法[9]； 紋理濾波采用基于二階概率統(tǒng)計的濾波方法[10-11]。其中正射校正所用DEM為ASTER GDEM V2版； 輻射定標(biāo)及大氣校正所需參數(shù)和光譜響應(yīng)函數(shù)來源于中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心。通過一系列預(yù)處理，得到了8m分辨率的多光譜反射率數(shù)據(jù)、2m分辨率的融合圖像和紋理圖像，圖像效果(RGB321)見圖4～6。

1.4 可分離性分析

遙感影像存在異物同譜和同物異譜現(xiàn)象，影響感興趣地物分類精度及面積估算精度。該研究通過評價檸檬在影像中的可分離性，分析應(yīng)用GF-1 PMS影像識別區(qū)分檸檬的影響因素。該分析運用了Jeffries-Matusita距離和Transformed散度算法[12]，其結(jié)果值分布在0～2之間，不同類別間的數(shù)值大小代表二者區(qū)分度的好壞。數(shù)值接近或者小于1，表示2個類別的區(qū)分度很差，難以從圖像中將其區(qū)分； 數(shù)值小于1.8，一般表示可分離性較差； 數(shù)值大于1.9，表示所選擇感興趣區(qū)的可分離性良好。

該研究將對不同預(yù)處理得到的8m分辨率的多光譜反射率數(shù)據(jù)、2m分辨率的融合圖像和紋理圖像進(jìn)行檸檬可分離性分析。不同地物在形狀、空間結(jié)構(gòu)上有差異，紋理濾波處理需根據(jù)需求選擇適宜的濾波窗口，因此該研究對融合影像進(jìn)行了15×15、21×21和23×23等3種窗口的濾波[13-15]，得出了3種窗口下的可分離性，并選擇分離性最佳的進(jìn)行比較分析。

圖2 成林檸檬 圖3 未成林檸檬

圖4 多光譜反射率圖像 圖5 融合圖像 圖6 紋理圖像

1.5 檸檬種植面積估算

監(jiān)督分類和面向?qū)ο蠓诸惥强扇斯そ?jīng)驗干預(yù)分類的常用方法，在不同數(shù)據(jù)源、不同應(yīng)用中二者有不同的效率和精度表現(xiàn)。該研究使用監(jiān)督分類法和面向?qū)ο蠓ㄌ崛幟史N植空間分布，然后估算面積，通過比較二者面積精度選擇最優(yōu)方法。

1.5.1 最大似然監(jiān)督分類法

使用的監(jiān)督分類法為最大似然法。對八類地物建立感興趣區(qū)； 分別對多光譜反射率圖像、融合圖像和紋理圖像進(jìn)行分類，然后結(jié)合地面調(diào)查和專業(yè)知識對分類結(jié)果進(jìn)行后處理[16]，剔除明顯錯分為檸檬的地物，最后統(tǒng)計檸檬圖斑面積。分類精度通過Kappa系數(shù)評價； 面積估算精度通過對比驗證區(qū)的檸檬面積進(jìn)行評價。Kappa 系數(shù)是由 Cohen 在1960年提出的用于評價遙感圖像分類的正確程度的和比較圖件一致性的指數(shù)[17-18]。一般情況下，K<0.4，表示分類精度很差； K在0.4～0.8之間，表示分類精度屬于中等； K>0.8，表示分類精度高。

1.5.2 面向?qū)ο蠓诸惙?/p>

使用面向?qū)ο蠓诸惙?，對融合圖像和多光譜圖像進(jìn)行分類處理，然后統(tǒng)計檸檬圖斑面積。面向?qū)ο蠓诸惖膶ο髣?chuàng)建過程中，圖像分割及合并的方法、尺度等因素影響對象創(chuàng)建及最終分類精度。在多次試驗比較后，該研究采用Edge算法進(jìn)行分割，采樣Full lambda schedule算法進(jìn)行合并。其中，融合圖像的分割尺度參數(shù)為30，合并的尺度參數(shù)為85，紋理濾波窗口為5； 多光譜圖像的分割尺度參數(shù)為25，合并的尺度參數(shù)為50，紋理濾波窗口為3。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同圖像中檸檬的可分離性

在3類不同圖像上，通過對相同的訓(xùn)練樣本進(jìn)行評價，得出不同圖像內(nèi)檸檬與其他地物的可分離性數(shù)值，結(jié)果見表2。

表2 基于不同圖像的檸檬可分離性

多光譜反射率圖像融合圖像紋理圖像成林檸檬未成林檸檬成林檸檬未成林檸檬成林檸檬未成林檸檬成林檸檬0.0000.0000.000未成林檸檬1.8420.0001.8370.0001.8730.000居民地、道路1.9971.9331.9981.9551.9981.931水體2.0002.0002.0002.0002.0002.000林地1.9982.0001.9951.9991.9982.000荒草地1.9981.6131.9981.4411.9991.547油菜1.8102.0001.8041.9991.8012.000旱地2.0001.9052.0001.9581.9981.918

根據(jù)表2的結(jié)果，在不同圖像中，成林檸檬與油菜的可分離性均低于成林檸檬與其他地物的，分別為1.810、1.804及1.801，但數(shù)值均大于1.8，屬于可分離性較好的范圍； 未成林檸檬與荒草地之間的可分離性均低于未成林檸檬與其他地物的，分別為1.613、1.441及1.547，數(shù)值均低于1.8； 說明荒草地與未成林檸檬在3種圖像中均較難區(qū)分。根據(jù)野外調(diào)查，該研究中的荒草地主要包括2類：一是丘陵坡地表層土層薄、生長有稀疏雜草及灌木的土地； 另一是未種小春作物而長有稀疏雜草的土地。未成林檸檬為新種植的檸檬，根據(jù)圖3，未成林檸檬樹體矮小，樹體周圍有裸露土及雜草生長，故造成未成林檸檬和雜草地在像元視場有相似特征。綜合地面調(diào)查和可分離性評價，該研究認(rèn)為荒草地是影響未成林檸檬分類及面積估算精度的主要因素。

表3 基于最大似然法的分類精度評價結(jié)果

類型多光譜反射率圖像融合圖像紋理圖像總體精度(%)97.2595.9598.05KAPPA系數(shù)0.96760.95160.9766

表4 監(jiān)督分類面積精度

表5 面向?qū)ο蠓诸惷娣e精度

2.2 基于監(jiān)督分類的檸檬面積估算精度

根據(jù)表3，在相同訓(xùn)練樣區(qū)條件下，3種不同類型圖像的分類總體精度均超過95%，KAPPA系數(shù)也均超過0.95； 其中紋理圖像的總體精度最高，達(dá)到98.05%，Kappa系數(shù)為0.976 6。

將3種類型的圖像通過最大似然分類法得到的檸檬種植面積與驗證數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，其結(jié)果見表4。根據(jù)表4，基于紋理圖像的檸檬面積估算精度好于多光譜反射率圖像和融合圖像，其總面積精度達(dá)88.42%，其中成林檸檬的面積精度為91.97%，未成林檸檬的面積精度為85.11%。該結(jié)果說明增加紋理濾波處理，在一定程度上有助于提高基于最大似然分類法的檸檬面積估算精度。

2.3 基于面向?qū)ο蠓诸惖拿娣e估算精度

將面向?qū)ο蠓诸惖玫降臋幟史N植面積同驗證數(shù)據(jù)比較，估算精度結(jié)果見表5。根據(jù)表5，使用融合圖像估算檸檬總面積的精度高于多光譜反射率圖像的，精度達(dá)95.09%，其中成林檸檬和未成林檸檬的面積精度分別為97.83%和92.55%。對比二者精度，多光譜反射率圖像的未成林檸檬面積估算精度明顯低于融合圖像的。該結(jié)果說明融合圖像集成2m空間分辨和多光譜的優(yōu)勢，在使用面向?qū)ο蠓ㄖ锌商岣叻诸惥取?/p>

與使用紋理圖像的監(jiān)督分類法比較，面向?qū)ο蠓诸惙ǖ墓浪憔让黠@好于前者。其主要原因為面向?qū)ο蠓椒尤敕指?、合并、邊緣提取等?shù)據(jù)處理，更充分的利用GF-1 PMS的2m全色影像和8m多光譜影像的地物的光譜、紋理特征。因此在GF-1 PMS影像估算檸檬面積的應(yīng)用中，面向?qū)ο蠓诸惙ㄊ歉玫倪x擇。

3 討論

該研究分析了檸檬分類、面積估算精度的影響因素，通過對比不同影像預(yù)處理和分類方法的檸檬面積估算精度，確定了GF-1 PMS影像估算安岳縣檸檬種植面積的最優(yōu)方法。檸檬多年來作為安岳縣的特色種植產(chǎn)業(yè)，得到良好發(fā)展； 其種植規(guī)模不同于傳統(tǒng)破碎化的農(nóng)業(yè)種植，而越來越多地呈現(xiàn)連片規(guī)模種植； 連片檸檬種植降低了其遙感識別及解譯的難度。在該研究中，成林檸檬與未成林檸檬之間由于樹體大小、閉郁度等因素，遙感特征差異明顯； 在真彩色合成的遙感圖像中，未成林檸檬的色彩特征與一般裸土的很相似，異物同譜極易造成地物錯分。解決該問題，進(jìn)一步提高未成林檸檬解譯精度，可考慮采樣多時相影像、增加先驗知識改進(jìn)解譯后處理等方法。利用多時相遙感影像的時間變化特征是一種解決遙感解譯異物同譜問題常用的方法； 我國大力發(fā)展高分遙感，影像獲取能力極大提高，因此加強該地區(qū)影像收集，可實現(xiàn)多時相遙感解譯。另外，根據(jù)實地調(diào)查建立的相關(guān)先驗知識有助于提高判讀精度。該縣新建果園均為檸檬園，主要分布在土壤水分充足、交通便利的田地，呈連片種植，分類后圖斑大； 荒草地通常分布在土層淺薄的丘陵坡地上，圖斑小且破碎。因此對未成林檸檬異物同譜分類結(jié)果，可在后處理中通過圖斑大小、破碎程度判斷未成林檸檬。

通過驗證數(shù)據(jù)檢驗，使用GF-1 PMS影像估算檸檬面積的精度達(dá)到了95%； 使用5景GF-1 PMS影像進(jìn)行拼接，即可覆蓋整個安岳縣及部分周邊地區(qū)，進(jìn)而獲取該縣檸檬種植面積，表現(xiàn)了GF-1 PMS影像同時具備較大幅寬覆蓋和較高分辨率的遙感優(yōu)勢，因此該數(shù)據(jù)在調(diào)查大宗農(nóng)作物及果樹種植面積中有巨大應(yīng)用前景，可為農(nóng)業(yè)信息化管理快速提供大量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

通過在安岳縣進(jìn)行野外實地調(diào)查，建立解譯標(biāo)志，同時收集遙感衛(wèi)星影像，并對GF-1 L1A級影像進(jìn)行正射校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像融合及紋理濾波等一系列預(yù)處理，得到了8m分辨率的多光譜反射率數(shù)據(jù)、2m分辨率的融合圖像和紋理圖像，然后在3種圖像中對感興趣類別進(jìn)行了可分離性評價，結(jié)果表明未成林檸檬的與荒草地的可分性較差，荒草地是影響檸檬面積估算誤差的重要因素； 分別使用最大似然法和面向?qū)ο蠓▽幟史N植面積進(jìn)行了估算，最大似然法的分類精度結(jié)果表明，紋理圖像數(shù)據(jù)估算精度好于8m分辨率的多光譜反射率數(shù)據(jù)和2m分辨率的融合圖像，適當(dāng)?shù)挠跋耦A(yù)處理有助于提高監(jiān)督分類精度； 對比2種方法精度，結(jié)果表明基于面向?qū)ο蠓ǖ臋幟拭娣e估算精度高于監(jiān)督分類法的，估算精度達(dá)95.09%，使用GF-1 PMS影像估算檸檬面積最優(yōu)方法為面向?qū)ο蠓ā?/p>

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ESTIMATION OF LEMON PLANTED AREA BASED ON GF-1 PMS IMAGE*

Jiang Yi，Li Zongnan※，Ren Guoye，Wang Xin，Li Zhangcheng

(Institute of Remote Sensing Application，Sichuan Academy of Agricultural Sciences，Chengdu 610066，China)

Lemon has good economic value. The most important growing region of lemon in China is in Anyue county Sichuan province, where the lemon planting and processing has become an important characteristic industry. Accurate spatial information of lemon planting is dispensable for lemon management. High-resolution remote sensing is an efficient technology in agricultural information. This study aims to find an optimum method of estimating lemon acreage base on GF-1 PMS image which drives from the first satellite of high resolution remotely sensed project in China. Three preprocessing included atmospheric correction, data fusion and texture filtering were employed, and two classifications were compared in this paper. After preprocessing, three images included 8 m spectral reflectance image, 2 m fusion image and 2 m texture image were produced. Then the separability between lemon and other interest categories were evaluated using algorithms of Jeffries-Matusita distance and Transformed divergence. The result showed that the separability between weed field and immature lemon in spectral reflectance image, fusion image and texture image was 1.613, 1.441 and 1.547, respectively, which was the worst in all interest categories. The values less than 1.8 meant that it was hard to accurately classify weed field and immature lemon. Therefore, weed field was the main factor influencing the estimated accuracy of lemon planting area. By classify 8 interest categories using the algorithm of maximum likelihood base on the three images, it showed that the precision (which resultant accuracy of classification was up to 98.05%, the Kappa coefficient was up to 0.9766, and the accuracy of lemon planting area was 88.42%.) based on texture image was better than the multi-spectral reflectance image and the fusion image. Appropriate image preprocessing can improve the classification precision of lemon up to 95.09% using the maximum algorithm. Compared with the result of supervised classification, the accuracy of object-oriented approach was higher than the former in estimation of lemon planting area. Accordingly, object-oriented approach was the better method to estimate the lemon planting area using the GF-1 PMS image. The application of high resolution remote sensing data provided references for estimating fruit tree planting in the hilly area quickly and accurately.

GF-1 PMS image; lemon; hills; planted area; precision

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161108

2016-04-15

蔣怡(1984—)，女，四川成都人，碩士、助理研究員。研究方向：農(nóng)業(yè)遙感、土地利用。※通訊作者：李宗南(1983—)男，廣西南寧人，博士、助理研究員。研究方向：農(nóng)業(yè)遙感、土地資源利用等。Email：lizongnan@aliyun.com

*資助項目：四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年基金項目“基于數(shù)據(jù)同化的成都平原水稻估產(chǎn)方法研究”(2015QNJJ-022)； 四川省財政創(chuàng)新能力提升工程專項資金項目“基于遙感技術(shù)的四川盆地主要農(nóng)作物估產(chǎn)系統(tǒng)研究”(2016GXTZ-012)

S127; S59

A

1005-9121[2016]11-0050-06