湖南省中稻種植面積遙感監(jiān)測方法研究

陶青山 黃飛 雷帆等

摘要綜合考慮大面積水稻種植區(qū)耕地地塊破碎，種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜，插花、套種、錯(cuò)季種植現(xiàn)象明顯，影像解譯、分類難度大等特點(diǎn)，充分利用國產(chǎn)衛(wèi)星GF1數(shù)據(jù)，以湖南省中稻種植為例，通過精確作物識別與混合像元處理，實(shí)現(xiàn)像元尺度的中稻識別；結(jié)合國土資源土地調(diào)查數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)中稻的像元數(shù)量與豐度（種植面積比）水平，并扣除耕地圖斑內(nèi)的非耕地成份，建立中稻種植面積估算模型，最終得到精確到縣級報(bào)告單元的種植面積估算結(jié)果。結(jié)果表明：通過遙感數(shù)據(jù)估算面積和地面樣方調(diào)查計(jì)算結(jié)果的可決系數(shù)達(dá)到0.869 6，說明遙感監(jiān)測方法在湖南省中稻種植面積估算中行之有效。GF1衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率、波段覆蓋范圍、影像覆蓋能力等能滿足大面積農(nóng)作物種植面積監(jiān)測要求，基于抽樣技術(shù)的地面調(diào)查與遙感影像分類相結(jié)合提取作物種植面積信息的方法可用于省級、區(qū)域級的糧食種植面積遙感監(jiān)測。

關(guān)鍵詞遙感監(jiān)測；大面積；中稻；種植面積

中圖分類號S127文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2016）04-309-05

The Remotesensing Monitoring Methods of Rice Planting Area in Hunan Province

TAO Qingshan， HUANG Fei， LEI Fan et al（Land and Resources Planning Institute of Hunan Province， Changsha， Hunan 410007）

AbstractThe rice planting area has the characteristics of broken block of cultivated land， complex planting structure， significant growing phenomena of interplanting and planting in different seasons， difficult interpretation and classification of images. With semilate rice planting in Hunan Province as the research material， semilate rice identification of pixel scale was realized through accurate crop identification and mixed pixel treatment based on the data of domestic satellite GF1. According to the spot data of territorial resources， pixel quantity and abundance level of semilate rice were researched. After deducing the noncultivated land ingredients from the cultivated land figure spot， estimation model of semilate rice planting area was established. Finally， the estimation results of planting area at county level were obtained. Results showed that the coefficient of determination was 0.869 6， showing that the remotesensing monitoring method was effective in estimating the semilate rice planting area in Hunan Province. The spatial resolution， band coverage and image coverage of GF1 satellite remote sensing data could meet the requirements of largescale monitoring of crop planting area. The method of filed investigation based on samplingsurveying technology combining with image classification could be used for remote sensing monitoring of grain planting area at region level and province level.

Key wordsRS monitoring， Large area； Semilate rice； Planting area

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，耕地面積在一定時(shí)期內(nèi)將持續(xù)減少，同時(shí)，農(nóng)作物繼續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)的難度加大，糧食安全壓力大。農(nóng)作物種植面積是影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的重要因素之一[1]，湖南省是我國水稻種植大省，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握全省水稻種植面積，為農(nóng)業(yè)政策制定、糧食安全分析、農(nóng)產(chǎn)品市場調(diào)控以及調(diào)整糧食種植補(bǔ)貼的發(fā)放政策提供輔助決策支持顯得尤為重要。遙感技術(shù)通過衛(wèi)星對地觀測方式，具有大范圍地面目標(biāo)識別能力，能快速、準(zhǔn)確、客觀地反映地表信息，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于作物種植面積監(jiān)測中。湖南省耕地地塊破碎，中低分辨率遙感影像難以湊效；種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜，插花、套種、錯(cuò)季種植現(xiàn)象明顯，特別是中稻種植期與早晚稻種植期均有重疊，影像解譯、分類難度大。根據(jù)湖南省地理、氣候特征，研究適合湖南省的水稻種植面積遙感監(jiān)測方法意義重大。筆者選取2014年6月10日～8月10日湖南省GF1遙感影像數(shù)據(jù)，研究大面積基于抽樣技術(shù)的地面調(diào)查與遙感影像分類相結(jié)合提取作物種植面積信息的方法，為農(nóng)業(yè)政策制定、糧食安全分析等決策服務(wù)。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況湖南省地處長江中游南部，地理坐標(biāo)為108°47′～114°15′ E、24°39′～30°08′ N。全省地貌以山地、丘陵為主，山地面積占全省面積的51.25%，丘陵盆地占2930%，平原占13.10%，水面占6.40%。全省土地總面積2118萬 km2，其中耕地面積約 4.14萬km2。全省水熱充足、冬寒期短、無霜期長，水稻是主要的糧食作物，播種面積占全國水稻播種面積的13%左右，產(chǎn)量占湖南省糧食總產(chǎn)量的89%[2]， 其種植結(jié)構(gòu)主要是雙季稻或一季稻，其中一季稻主要分布在湖南西北部，移栽主要是 6 月初～ 9 月初，雙季稻主要分布在湖南東北及中部， 早稻生長季主要是5月初～7月中下旬，晚稻主要是7月下旬種植到11月收獲[3]。

1.2數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理根據(jù)湖南省中稻的物候歷及遙感影像的質(zhì)量，選購了2014年6月10日～8月10日獲取的覆蓋全省的GF1數(shù)據(jù)，該影像2 m分辨率全色和8 m分辨率多光譜圖像組合幅寬優(yōu)于60 km，16 m分辨率多光譜圖像組合幅寬優(yōu)于800 km，可以在更短的時(shí)間內(nèi)對一個(gè)地區(qū)重復(fù)拍照，重復(fù)周期為4 d，波段覆蓋的范圍為0.45～0.89 μm，劃分為紅綠藍(lán)和近紅外4個(gè)波段。同時(shí)，為了保證遙感數(shù)據(jù)能夠覆蓋研究區(qū)域，適當(dāng)補(bǔ)充HJ1數(shù)據(jù)。

監(jiān)測范圍為湖南省耕地范圍內(nèi)，其耕地分布數(shù)據(jù)來源于國土資源土地調(diào)查數(shù)據(jù)—2013年湖南省土地利用變更數(shù)據(jù)。2013年湖南省耕地空間分布情況見圖1。

在分類處理之前，對研究區(qū)域影像進(jìn)行幾何糾正、輻射定標(biāo)、大氣校正及植被指數(shù)計(jì)算。其中，幾何糾正、輻射定標(biāo)、大氣校正主要是制作研究區(qū)域DOM影像，植被指數(shù)是反映地表植被生長狀況、覆蓋情況、生物量和植被種植特征的間接指標(biāo)和有效的度量參數(shù)，對其計(jì)算主要是為了分析研究區(qū)域植被結(jié)構(gòu)。

1.3研究方法將遙感技術(shù)與GPS導(dǎo)航技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在湖南省省級行政單元內(nèi)，利用國產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)和地面調(diào)查資料，通過精確作物識別與混合像元處理，實(shí)現(xiàn)像元尺度的中稻識別。在此基礎(chǔ)上，基于國土資源二調(diào)圖斑數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)中稻的像元數(shù)量與豐度（種植面積比）水平，并扣除耕地圖斑內(nèi)的非耕地成份，建立中稻種植面積估算模型，最終得到精確到縣級報(bào)告單元的種植面積估算結(jié)果。具體流程見圖2。

2結(jié)果與分析

2.1訓(xùn)練樣本獲取利用抽樣的方法得到樣方，然后對樣方進(jìn)行地面調(diào)查，獲取樣方內(nèi)中稻種植情況。鑒于湖南省省域范圍較大，并且不同地區(qū)之間內(nèi)部差異較大，因此采用分層隨機(jī)抽樣方法進(jìn)行樣方的布設(shè)，即先將總體各單位按一定標(biāo)準(zhǔn)分成各種類型（或?qū)樱蝗缓蟾鶕?jù)各類型單位數(shù)與總體單位數(shù)的比例，確定從各類型中抽取樣本單位的數(shù)量；最后，按照隨機(jī)原則從各類型中抽取樣本。

第h層樣本均值：yh=1nhnhi=1Yhi

第h層總體方差：S2h=1Nh-1Nhi=1（Yhi-Yh）2

總初始樣本量：N0=WhS2hV

總體均值估計(jì)量的方差：V=（γt）2

總體均值：=Lh=1Whyh

各層樣本量分配：nh=nNhN=nWh

式中，下標(biāo)i表示單元號；下標(biāo)h表示層號；N0為全省范圍內(nèi)的總初始樣本單元量；V為總體均值估計(jì)量的方差；Wh為層權(quán)；Sh為各層總體方差；t=1.96（置信水平為95%時(shí)）；N為總體單元數(shù)；Nh為第h層的總體單元數(shù)；nh為第h層的樣本單元數(shù)[4-8]。

得到N0后仍需對其進(jìn)行修正，獲得修正后的總樣本單元量n，修正公式同簡單隨機(jī)抽樣：

n=N01+N0/N

首先將整個(gè)湖南省劃分為13 791個(gè)4 km×4 km的網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)其中水田所占比例，并劃分為4個(gè)等級（1%～15%、15%～30%、30%～50%、50%～100%），網(wǎng)格比例分別為16.24%、30.91%、40.56%、12.29%，依此劃定湖南省地面調(diào)查各級樣方數(shù)量為22、42、55、16，合計(jì)135個(gè)（圖3）。

在每個(gè)樣方內(nèi)，結(jié)合湖南省耕地空間分布數(shù)據(jù)，實(shí)地勾繪每個(gè)地塊的邊界，并實(shí)地填寫不同地塊的作物類別。

2.2影像分類由于必須對湖南省全省的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，同時(shí)要求效率高并考慮物候特征控制精度，因此，其影像分類方法必須采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類技術(shù)。目前已有的分類技術(shù)主要是非監(jiān)督分類和監(jiān)督分類兩類，包括ISODATA非監(jiān)督分類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、專家系統(tǒng)、最大似然分類等分類手段都已經(jīng)被廣泛使用[1，9-11]。比較已有的研究成果，優(yōu)選出ISODATA非監(jiān)督分類、最大似然分類、支持向量機(jī)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)4種分類手段作為湖南中稻的分類方法。

根據(jù)湖南省中稻種植情況，影像成像時(shí)間覆蓋兩種作物（早稻和中稻或中稻和晚稻）的重疊生長期，中稻和早稻（或中稻和晚稻）在影像上可能表現(xiàn)出相似的光譜特征，通過單景影像實(shí)現(xiàn)中稻與早、晚稻的區(qū)分將十分困難，因此在樣本選擇和影像分類過程中均利用多時(shí)相數(shù)據(jù)進(jìn)行，充分利用了不同季節(jié)的水稻在多時(shí)相影像上的變化信息，區(qū)分中/早稻、中/晚稻。分類過程中，主要區(qū)分中稻、早（晚）稻、云、其他等類別，分類流程見圖4。

由于湖南的耕地分布較為零碎，混合像元在GF1數(shù)據(jù)特別是HJ1數(shù)據(jù)中廣泛存在。在湖南省中稻識別過程中，利用地面樣方調(diào)查所獲得的訓(xùn)練樣本，主要用于純像元的識別，主要完成了70%的像元識別。除此之外，還有近30%的混合像元，屬于早稻與中稻、中稻與晚稻的混合像元，需要單獨(dú)予以處理，主要是通過非監(jiān)督分類方法識別出混合像元。

首先，利用ISODATA非監(jiān)督分類算法將每一景疊加了植被指數(shù)的GF1和HJ1 CCD影像自動(dòng)分成160類；然后結(jié)合地面樣本及人工目視解譯的方法，按照影像成像時(shí)間劃分為早稻影像、中稻影像及晚稻影像，并分別將160類自動(dòng)分類結(jié)果聚類為早稻、中稻、晚稻、其他及云等類別，最后利用選定的檢驗(yàn)樣本對所有非監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，獲取每一景影像分類結(jié)果的混淆矩陣。在聚類過程中，重點(diǎn)考慮影像成像時(shí)間及早、中、晚稻的物候特征，在早、中、晚稻各自的生長高峰期內(nèi)，影像上NDVI值較高的像元被聚類為該類型的水稻，而未種植的地塊多呈現(xiàn)裸土或水的光譜特征，易于區(qū)分。

湖南早中晚稻混合像元提取結(jié)合了監(jiān)督分類結(jié)果與非監(jiān)督分類結(jié)果以及經(jīng)過處理的GF1影像共同確定，具體提取流程及混合像元分解方法見圖5。混合像元分解過程中用到的水稻、未種植兩種地物端元均從影像上獲得，選擇水稻種植面積大于100 m×100 m的大面積地塊作為水稻端元，未種植區(qū)的端元同樣從影像上選擇。

2.3種植面積估算水稻種植面積的估算首先是通過像元統(tǒng)計(jì)方法獲得水稻種植的毛面積；然后通過扣除圖斑內(nèi)細(xì)小非耕地圖斑面積，得到水稻種植的凈面積；最后，經(jīng)過非耕地系數(shù)及云污染系數(shù)修正得到真實(shí)的水稻種植面積，公式如下：

S=S01-rc=np=1Ap×（1-r）1-rc

式中，r代表各統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)非耕地系數(shù)；rc代表縣級行政單元內(nèi)的云污染系數(shù)；n為各統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)有水稻種植的像元個(gè)數(shù)；S代表各統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)水稻的種植面積。根據(jù)遙感數(shù)據(jù)，利用上述公式計(jì)算得到2014年湖南省各市中稻種植面積遙感監(jiān)測結(jié)果（表1）。

2.4種植面積精度檢驗(yàn)種植面積精度檢驗(yàn)主要是利用地面樣方調(diào)查數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。通過計(jì)算得到樣方調(diào)查與估算面積對照情況（圖7），其平均誤差為7.97%，基于2種數(shù)據(jù)的中稻面積估算結(jié)果的可決系數(shù)R2達(dá)到0.869 6，達(dá)到一定的精度要求。

3結(jié)論

該研究以GF1數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用基于抽樣技術(shù)的地面調(diào)查與遙感影像分類相結(jié)合提取大面積作物種植面積信息的方法，對湖南省中稻種植面積進(jìn)行了監(jiān)測，形成了全省中稻種植空間分布結(jié)果，估算了2014年湖南省中稻種植面積，得出以下結(jié)論：

（1）基于抽樣技術(shù)的地面調(diào)查與遙感影像分類相結(jié)合提取作物種植面積信息的方法適合大面積糧食種植面積監(jiān)測，可以用于省級、區(qū)域級糧食種植面積遙感監(jiān)測，估算糧食種植面積，為農(nóng)業(yè)政策制定、糧食安全分析等決策服務(wù)。

（2）國產(chǎn)GF1衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空間分辨率、波段覆蓋的范圍、影像覆蓋能力能夠滿足大面積糧食監(jiān)測要求，可以逐步推廣其在農(nóng)作種植面積監(jiān)測中的應(yīng)用。

（3）為了保證監(jiān)測精度，大面積糧食種植面積遙感監(jiān)測一般在特定地類，比如旱地、水田或者耕地進(jìn)行詳細(xì)解釋，因此，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精度對監(jiān)測結(jié)果影響比較大。

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