類城市路網(wǎng)空間中面向平原農(nóng)業(yè)應(yīng)用的耕地地塊邊界提取研究

鄭明雪，沈祥成，羅治情，陳娉婷，官 波，馬海榮

（湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟技術(shù)研究所/湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心農(nóng)業(yè)經(jīng)濟技術(shù)研究分中心/湖北省鄉(xiāng)村振興研究院，武漢430064）

中國是人口大國，糧食安全是國家穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，而始終堅守18 億畝耕地紅線是實現(xiàn)糧食安全的前提。在獲取耕地信息方面，目前多以耕地內(nèi)作物為對象，解譯影像信息的研究為主。2011 年朱長明等［1］首次提出地塊概念，將農(nóng)作物的種植信息規(guī)范在矢量地塊基元內(nèi)，用于基于地塊的作物分析處理。地塊是農(nóng)戶進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最小單位，對耕地地塊邊界的提取研究是實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)和前提，進而對農(nóng)田作物信息進行快速提取與解析，用于農(nóng)作物分類、估產(chǎn)等，具有重要的科研價值和經(jīng)濟價值［2-5］。耕地地塊提取的研究意義主要包含2 點：一是耕地地塊信息的邊界和內(nèi)部結(jié)構(gòu)明顯且相對穩(wěn)定，以地塊為基礎(chǔ)單位對其內(nèi)部農(nóng)作物信息進行提取研究，可有效避免地塊邊界信息模糊造成的地塊錯分和漏分情況［6，7］；二是由于耕地地塊的物理屬性和功能屬性，地塊邊界保持長期穩(wěn)定，獲取農(nóng)田地塊的邊界信息對研究地塊內(nèi)農(nóng)作物變更或動態(tài)生長等具有較高的復(fù)用性。

然而受自然秩序和土地劃分規(guī)律的約束，農(nóng)田地塊呈現(xiàn)多形態(tài)化。從空間分布上看，平原區(qū)域的耕地地塊相對規(guī)整，地塊邊界大多呈直線狀，但地塊面積和地塊形狀不統(tǒng)一，地塊區(qū)域朝向可能呈現(xiàn)局部一致、全局散亂的分布狀態(tài)。且當(dāng)相鄰地塊內(nèi)農(nóng)作物種植種類存在差異時，會導(dǎo)致部分相鄰地塊邊界不清晰，從而對耕地地塊邊界提取造成干擾。從時間角度上看，考慮到不同作物在生長過程中隨季節(jié)變化呈現(xiàn)的差異，有學(xué)者探索利用多時相影像數(shù)據(jù)挖掘可分性強的光譜信息，用于不同作物的分類研究［8］。抓住不同作物的生長發(fā)育規(guī)律在多時相遙感影像上表現(xiàn)出的變化特征，利用作物的光譜特征和多時相變化特征實現(xiàn)作物遙感識別能力的提高［9］，進而用于耕地地塊邊界的提取。但是由于多源遙感數(shù)據(jù)來源廣，數(shù)據(jù)的歸一化問題較難解決，農(nóng)作物的復(fù)雜性也造成多源遙感信息的地物特征提取困難。

城市路網(wǎng)與耕地地塊邊界在空間維度上的分布特點具有共同性，耕地地塊邊界具有類似于真實城市路網(wǎng)空間的多種屬性。這樣的相似學(xué)科研究思路為耕地邊界類城市路網(wǎng)空間的研究打開了新思路。

1 面向平原地區(qū)的耕地用地現(xiàn)狀分析

1.1 研究區(qū)域及自然特征

研究區(qū)域選定江漢平原。江漢平原位于湖北省中南部，具有豐富的光熱水資源和肥沃土地，平原氣候適宜大多數(shù)農(nóng)作物種植，使得江漢平原享有“魚米之鄉(xiāng)”的美譽。同時，江漢平原地區(qū)交通便利，是南來北往的交通樞紐，公路建設(shè)體系完備，為江漢平原的農(nóng)產(chǎn)品流通提供了非常便利的條件。

1.2 研究區(qū)域用地特征

結(jié)合國家現(xiàn)定的土地類型標(biāo)準(zhǔn)和江漢平原的實際土地情況，將該地區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地。2013、2015、2018、2020 年江漢平原地區(qū)6 類土地利用空間分布和變化情況見圖1。由圖1 可看出，2013—2020 年，江漢平原的土地利用以耕地和林地為主，草地鑲嵌在林地間，水域支流和建設(shè)用地網(wǎng)羅其中，未建設(shè)用地規(guī)模小且集中在長江沿岸，整體空間分布趨于穩(wěn)定。

圖1 2013—2020 年江漢平原地區(qū)的土地利用變化情況

2015—2020 年江漢平原耕地面積變化情況見圖2。從圖2a 可看出，江漢平原地區(qū)耕地面積在2017 年大幅增長后，持續(xù)保持穩(wěn)定趨勢，耕地面積增減變化不大。從圖2b 可看出，2015—2020 年江漢平原各地區(qū)耕地面積基本保持穩(wěn)定趨勢，不存在大幅波動現(xiàn)象。不同地區(qū)的耕地面積差異明顯，監(jiān)利縣和天門市的耕地面積始終保持前二位，公安縣和仙桃市的耕地面積緊跟其后。

圖2 2015—2020 年江漢平原耕地面積變化情況

綜上，耕地始終是江漢平原地區(qū)農(nóng)戶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要方式。從宏觀上守住耕地紅線不后退，從微觀上掌握耕地地塊變化信息，結(jié)合兩者對耕地農(nóng)作物生長過程的農(nóng)業(yè)決策具有重大意義。

1.3 研究區(qū)域耕地邊界提取及問題

本研究區(qū)域的耕地形態(tài)多分布集中規(guī)整、局部區(qū)域的作物種植類型單一，是遙感應(yīng)用的理想場所，如圖3。目前實際工作中，高分辨率遙感影像的耕地邊界提取技術(shù)主要包括人工矢量化和影像分割［10-14］。人工矢量化是指通過目視解譯感知影像上所呈現(xiàn)的顏色、形態(tài)、紋理等特征，并對所獲得的視覺信息進行分層提取，從而實現(xiàn)對耕地地塊邊界的精準(zhǔn)提取。但人工矢量化對工作人員的地圖解譯能力要求高，人力物力成本較大，不適合應(yīng)用于大范圍的耕地邊界獲取。如何挖掘高分辨率遙感影像的空間信息、獲取描述農(nóng)作物的特征是影像分割的關(guān)鍵。影像分割方法提高了地塊邊界獲取效率，但“異物同譜，同物異譜”問題影響了耕地邊界識別的精確率。

圖3 江漢平原耕地現(xiàn)狀

2 類城市路網(wǎng)研究

2.1 城市路網(wǎng)

傳統(tǒng)的城市道路網(wǎng)規(guī)劃理論是以車輛為主導(dǎo)，滿足車輛的出行效率和安全，由于多樣性的交通模式，不同道路被分配的路權(quán)也各不一樣。圖4 展示了不同尺度下武漢市道路網(wǎng)的可視化情況。從圖4a 到圖4d，道路尺度逐漸變小，呈現(xiàn)的信息逐步豐富飽滿。圖4a 僅顯示武漢市內(nèi)的國道和省道，以紫色標(biāo)注。圖4d 顯示武漢市內(nèi)國道、省道、縣道、市區(qū)一級道路及其他道路。不同尺度的道路縱橫交錯，編織成一張城市道路網(wǎng)。

圖4 武漢市多尺度道路網(wǎng)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，針對遙感影像道路提取問題，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度出發(fā)，利用不同的遙感數(shù)據(jù)源和道路特征，提出了多種算法和模型［15，16］，主要可分為3 類：基于像素的道路提取、基于區(qū)域的道路提取和基于知識的道路提取。基于像素的道路提取是以單像素為研究對象，在目標(biāo)像元一定鄰域內(nèi)，分析“道路”與“非道路”的差異，從而識別出包含道路信息的像素點。每個像素點均被賦予“道路”或“非道路”?；趨^(qū)域的道路提取是以多像素組合而成的區(qū)域為研究對象，前提是將研究區(qū)按特定規(guī)則劃分為若干子區(qū)域，然后研究道路的面狀特征，用于識別包含道路信息的子區(qū)域。基于知識的道路提取以主觀認(rèn)知為決策依據(jù)。

2.2 類城市路網(wǎng)

在思考耕地邊界識別問題的過程中，我們意識到城市路網(wǎng)與耕地地塊邊界在空間維度分布特點上具有共同性。圖5 給出了不同尺度下荊州市顏閘村耕地邊界的可視化情況。從圖5a 到圖5d 可看出，隨著耕地地塊邊界尺度逐漸變小，呈現(xiàn)的邊界信息逐步豐富飽滿。其中，紫色標(biāo)注最大尺度下耕地邊界情況。

圖5 荊州市顏閘村道路網(wǎng)

通過對比圖4 和圖5 可看到，從物理形態(tài)上，耕地地塊邊界與城市道路大多呈線狀，地塊邊界之間、道路之間相互縱橫交錯，形成全局連通性。交錯的線狀邊界圍成閉合的面狀區(qū)域。區(qū)域內(nèi)地物類型根據(jù)用地屬性而定。一般地，同一區(qū)域內(nèi)用地屬性相同。從社會功能來看，耕地邊界也具備道路可達(dá)性。根據(jù)耕地的地理位置、用地屬性等，耕地邊界也被賦予相應(yīng)的“邊界權(quán)”。邊界權(quán)越大，該邊界的社會功能越重要。

基于此，本研究擬通過引入城市道路網(wǎng)空間研究來解決耕地地塊邊界提取的問題。將不同形態(tài)的耕地地塊邊界看作城市路網(wǎng)空間中的道路；將不同地塊區(qū)域的邊界分布看作不同重要等級的道路分布，構(gòu)建耕地地塊邊界的類城市路網(wǎng)空間。將地塊邊界組織在一個類城市路網(wǎng)空間環(huán)境中，引入全卷積網(wǎng)絡(luò)和深度監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)思想，建立多尺度深度學(xué)習(xí)框架。即理解地塊本身的全局特點，設(shè)計多尺度深度學(xué)習(xí)方法，用以提取全局靜態(tài)多形態(tài)的耕地地塊邊界。

3 基于類城市路網(wǎng)的耕地邊界提取研究探索

3.1 前期工作

通過充分考慮耕地地塊的位置信息以及地塊內(nèi)農(nóng)作物的顏色特性，前期已完成基于改進Mean Shift的無人機農(nóng)業(yè)應(yīng)用遙感影像地塊邊界自動化提取研究［4］。結(jié)果顯示前期研究可很好地將各田塊邊界提取出來。其中小面積田塊的邊界被成功提取；對形狀不規(guī)則地塊邊界的提取效果明顯；形狀不規(guī)則且特征存在干擾時，所述方法仍能取得較好結(jié)果。結(jié)果也顯示部分田塊邊界未被成功提取。

3.2 方法探索

高分辨率遙感影像的耕地邊界提取和道路提取有許多相似之處，因此可將道路提取的一些方法遷移解決耕地邊界提取問題。相比耕地地塊內(nèi)農(nóng)作物信息，耕地地塊邊界信息是一種弱信息，需以航空影像作為載體，表達(dá)更加豐富和明顯的細(xì)節(jié)信息。因此，聚焦基于航空影像的江漢平原耕地邊界自動化識別與提取問題，本研究從以下兩方面展開探索。

3.2.1 一種顧及自然秩序的耕地地塊邊界多形態(tài)的描述方法 從農(nóng)學(xué)和地理學(xué)角度挖掘符合地塊邊界的物候特征和地理學(xué)特征，提出一種符合自然秩序的耕地地塊邊界多形態(tài)規(guī)律的描述方法，用以描述耕地地塊邊界的多形態(tài)特征。并引入顯著性檢測方法度量特征可分性，對地塊邊界提取的效率和速率提供輔助。

1）研究同時符合農(nóng)學(xué)和地理學(xué)意義的耕地地塊邊界多形態(tài)特征集。從農(nóng)學(xué)和地理學(xué)角度構(gòu)建同時符合農(nóng)學(xué)和地理學(xué)意義的多特征組合。具體地，將地塊看做1 個基本單元，根據(jù)社會賦予地塊的物理屬性，對地塊邊界提取線狀型地理學(xué)特征。根據(jù)作物自身特點對地塊內(nèi)部提取面狀型農(nóng)學(xué)特征，形成多特征組合。而前期工作中，基于改進Mean Shift的方法已將耕地按特定規(guī)則劃分為若干子區(qū)域［4］。該積累為多形態(tài)特征集的提取奠定了工作基礎(chǔ)。

2）耕地地塊邊界顯著性檢測。通過引入顯著性檢測方法對多形態(tài)特征集進行可分性評估。可分性能太低的特征會導(dǎo)致后續(xù)地塊邊界提取無用。因此，通過顯著性檢測方法度量特征集的可分性，提供量化依據(jù)，對地塊邊界提取的效率和速率提供輔助。

3.2.2 一種基于類城市路網(wǎng)的耕地地塊全局性靜態(tài)多形態(tài)邊界提取方法

1）研究類城市路網(wǎng)空間的地塊邊界重要性度量模式。本研究引入基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的城市道路重要度評價體系，探索類城市路網(wǎng)空間中耕地地塊邊界的重要性。對于規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的城市路網(wǎng)而言，城市道路重要度評價的關(guān)鍵在于是否估計路網(wǎng)的整體形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能特征。每條道路對整個路網(wǎng)而言在結(jié)構(gòu)和功能上都有不同程度的貢獻，這種貢獻可以通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和功能評價指標(biāo)進行度量。而在耕地地塊類城市路網(wǎng)空間中，這樣的整體形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能特征屬性需要進一步探索，尋找符合耕地地塊場景的重要性評價依據(jù)。

本研究擬利用節(jié)點度、接近中心性、中介中心性和連通可靠性指標(biāo)，從4 個不同角度反映地塊邊界在類城市路網(wǎng)中的重要程度，并采用模糊聚類方法對地塊邊界網(wǎng)等級進行劃分。根據(jù)模糊聚類分析結(jié)果，可將不同地塊邊界按照其最終取值大小進行排序和歸類，劃分地塊邊界等級，并對類城市路網(wǎng)進行整合梳理和改造。

2）基于HED 的多尺度深度學(xué)習(xí)模型提取耕地地塊邊界?；谌矸e網(wǎng)絡(luò)和深度監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)思想，HED 模型通過對影像的每個像素判斷為邊緣或非邊緣的二分類結(jié)果，直接完成端到端的映射。HED模型以VGC16 為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，忽略了對影像的全局特征的提取，導(dǎo)致對影像的表達(dá)能力受到一定的影響。同時，HED 模型采用過多的下采樣并且沒有充分融合多尺度特征，導(dǎo)致影像中許多細(xì)節(jié)信息被丟失?；谶@2 個問題，本研究擬對HED 模型做兩處針對性的改進。第一，對輸入影像設(shè)計多尺度組合，從全局和局部兩個角度充分挖掘不同尺度地物反映的顯著性信息和空間關(guān)系。第二，將多尺度反卷積到與原始輸入影像尺度一致，充分利用地物細(xì)節(jié)信息，實現(xiàn)多特征融合和信息互補。

4 結(jié)束語

本研究的方法探索是在自然秩序?qū)用嫱诰蚋氐貕K邊界與城市路網(wǎng)分布的內(nèi)在聯(lián)系，通過引入城市路網(wǎng)空間中道路重要性度量模式，妥善解決地塊邊界提取問題。建立基于HED 的多尺度深度學(xué)習(xí)框架，可彌補傳統(tǒng)方法對地塊本身的全局靜態(tài)多形態(tài)認(rèn)識的不足，增強規(guī)則耕地地塊邊界提取結(jié)果的合理性?？偟膩碚f，基于前期成果的積累和現(xiàn)階段方法探索，該研究對解決基于航空影像的江漢平原耕地邊界自動化識別與提取問題具備可行性，具有一定的科學(xué)理論意義和實踐意義。