黑龍江省水稻種植面積遙感提取研究

吳 黎，解文歡，張有智，張海峰，張 宇，張效霏，李 巖，張冬梅

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)遙感與信息研究所，150086，黑龍江哈爾濱）

黑龍江省是我國(guó)商品糧大省，又是中國(guó)最大的粳稻生產(chǎn)省，其生產(chǎn)量備受關(guān)注，因此掌握黑龍江水稻種植的精準(zhǔn)面積顯得尤為重要。獲取農(nóng)作物種植面積的傳統(tǒng)方法一般是查閱農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)報(bào)表或者抽樣法，傳統(tǒng)方法受人為因素影響較大，并需大量時(shí)間才能得到最終結(jié)果。遙感是高新技術(shù)，可以快速獲取地面數(shù)據(jù)，該方法以其節(jié)約成本、時(shí)效性高、對(duì)大面積單一作物的準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用到水稻面積監(jiān)測(cè)[1]。在水稻移栽前稻田需灌水，其灌水期可持續(xù)到成熟期,整個(gè)時(shí)期內(nèi)水稻田里的土壤濕度達(dá)到或接近飽和狀態(tài)[2],這是水稻與其他作物的最大差別,也是提取水稻面積最有利的信息。利用MODIS 數(shù)據(jù)識(shí)別水稻種植區(qū)算法的主要依據(jù)是：在灌水和移栽期，水稻冠層未覆蓋地表，種植水稻田地的土壤含水量高，易被MODIS 數(shù)據(jù)識(shí)別，水稻在后期隨著其生長(zhǎng)，冠層覆蓋整個(gè)地表后，與其他旱作作物光譜信息差異不大，很難被識(shí)別出來(lái)，因此利用遙感提取水稻信息需在冠層未覆蓋地表的早期進(jìn)行。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省和俄羅斯接壤，經(jīng)緯度為121°11′～135°05′E 和43°25′～53°33′N(xiāo)，年平均氣溫為-6～4 ℃，年降水量為400～650 mm，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫，晝夜溫差大，土壤肥沃，氣候條件、地理位置均利于水稻種植。

1.2 數(shù)據(jù)選擇

數(shù)據(jù)采用MODIS 日反射率產(chǎn)品（MOD09GA），空間分辨率1 km，數(shù)據(jù)時(shí)間2011 年；TM 數(shù)據(jù)采用TM5數(shù)據(jù)73 景、TM7 數(shù)據(jù)11 景，空間分辨率30 m。兩種影像均可全覆蓋黑龍江省。

1.3 研究方法

1.3.1 MODIS 提取水稻信息波段選擇 本文利用2011 年黑龍江省單季稻數(shù)據(jù)作為MODIS 數(shù)據(jù)提取水稻信息的敏感波段選擇依據(jù)。在試驗(yàn)敏感波段時(shí)首先應(yīng)選擇大規(guī)模種植水稻的地區(qū)，這樣水稻像元較純，避免了混合像元；其次選擇大規(guī)模種植水稻區(qū)域的晴朗時(shí)間，避免云的影響，這樣能真實(shí)反映出水稻的反射光譜特征[4]，能更加準(zhǔn)確地判讀敏感波段。選取方法為利用MODIS 1～7 波段，計(jì)算各波段植被指數(shù)：歸一化植被指數(shù)（NDVI）和增強(qiáng)植被指數(shù)（EVI）以分析它們的敏感性，見(jiàn)公式1 和公式2。由于短波紅外(SWIR)波段對(duì)水比較敏感,因此,它們可以與近紅外(NIR)波段一起建立對(duì)植被水分或者土壤濕度敏感的指數(shù)[5]。研究分別利用波段5、6、7與2 組合構(gòu)建不同指數(shù)，分別為NDVI、LSWI 和LSWI2。研究發(fā)現(xiàn)：在植被覆蓋度低或無(wú)覆蓋時(shí)，NDVI、EVI、LSWI2 三者均可很好地反演土壤含水量情況；當(dāng)?shù)乇碛兄脖桓采w時(shí)，波段5 反演的是植被冠層的含水量，波段6 和7 在植被覆蓋度低時(shí)可反演到冠層下的土壤含水量，因此表明波段6 和7 較波段5 有更強(qiáng)的穿透力；但在植被覆蓋度較高時(shí)，波段6 和7 反演的均是植被冠層的含水量，也無(wú)法穿透冠層直達(dá)土壤表面，因此NDVI、EVI、LSWI2 三個(gè)指數(shù)均無(wú)法識(shí)別植被覆蓋度較高的土壤含水量的信息。因此采用MODIS 數(shù)據(jù)波段6 和2 建立的LSWI 模型(公式3)作為監(jiān)測(cè)水稻土壤含水量變化的依據(jù)。

1.3.2 MODIS 數(shù)據(jù)提取水稻的算法 研究根據(jù)利用MODIS 數(shù)據(jù)識(shí)別的水稻生長(zhǎng)發(fā)育期和氣象站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充共同確定可提取水稻信息的日期[6]。在水稻移栽期影像反演的地物多為混合光譜（混合像元），利用遙感指數(shù)LSWI 和EVI 測(cè)該時(shí)期水稻的土壤含水量和植被覆蓋度情況。如果在灌水移栽期時(shí)EVI 高,則說(shuō)明該像元為非水稻區(qū)。當(dāng)LSWI 值高且EVI 值低，說(shuō)明該像元是水稻田的可能性大，相反當(dāng)LSWI 值很低，則可被認(rèn)為是非水稻區(qū)。

研究選擇2011 年的MODIS 數(shù)據(jù)作為分析依據(jù),利用LSWI＞0.12，EVI＜0.35，并且EVI＜(LSWI+0.17)來(lái)判斷可能為水稻田的像元。為了剔除影像內(nèi)混入的永久性水體和其他非水稻田的像元，研究采用了另一個(gè)條件函數(shù)，在不受云影響的情況下,當(dāng)水稻移栽期后的第6 到第11 個(gè)8 d 合成的圖像的平均EVI 值大于0.35，定義為水稻像元區(qū)，同時(shí)非水稻種植區(qū)和水體被剔除。

1.3.3 人工目視解譯法 利用TM 影像采取人工目視解譯法對(duì)黑龍江省水稻面積進(jìn)行提取，最小上圖圖斑為2*3 個(gè)像元。對(duì)影像中寬度低于2 個(gè)像元的線(xiàn)性地物，按照線(xiàn)性地物判讀，以線(xiàn)性形式保存；寬度大于2個(gè)像元的，按面積形式上圖，將面狀地物中寬度大于2個(gè)像元的路或其他作物剔除。

2 結(jié)果

2.1 遙感圖像物候期選取

水稻在移栽期內(nèi)存在水體與水稻共存的情況，該特征是區(qū)別于其他旱作作物的最明顯特征。利用MODIS 數(shù)據(jù)分析水稻整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期（MODIS 20 個(gè)時(shí)相），發(fā)現(xiàn)水稻在休耕期、移栽期、生長(zhǎng)期和成熟收割期內(nèi)可清晰識(shí)別水稻信息。水稻移栽期影像反演的是水體與水稻的混合光譜，此時(shí)期內(nèi)水深一般在0.02～0.15 m 。水稻生長(zhǎng)期（移栽后50～60 d）影像反演的是水稻冠層信息。圖1 是水稻種植區(qū)一年整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)20 個(gè)時(shí)相的三種植被指數(shù)（NDVI、EVI、LWSI）剖面曲線(xiàn)圖。橫坐標(biāo)表示MODIS 地表反射率影像的日期，縱坐標(biāo)為植被指數(shù)（NDVI、EVI、LWSI）值。由圖可知，第3個(gè)時(shí)相（5 月下旬）LSWI 值略高于EVI 值，此后NDVI、EVI 值逐漸增大，到7 月中旬均達(dá)到最大值，后又逐漸降低，至9 月末降至最低，說(shuō)明黑龍江省水稻5 月下旬進(jìn)入移栽期，9 月末為成熟收割期，符合黑龍江省氣象局記錄的作物生育狀況。

圖1 試驗(yàn)田的NDVI、EVI、LSWI 時(shí)間序列變化曲線(xiàn)

2.2 水稻面積提取

為更精準(zhǔn)地進(jìn)行水稻面積提取，本文進(jìn)行了林地、水體、居民點(diǎn)和云、旱地的識(shí)別處理。MODIS 數(shù)據(jù)的1波段是紅光(0.620～0.670 μm),水體的反射率高于植被;2 波段是近紅外(0.841～0.876 μm)，水體的反射率低于植被；6 波段是短波紅外(10.40～12.50 μm)，水體的反射率低。因此本文確定水體的條件為：NDVI＜0.1 且NDVI＜LSWI,若一年20 個(gè)時(shí)相的影像中有多個(gè)時(shí)期滿(mǎn)足此關(guān)系，就確定滿(mǎn)足此關(guān)系的地物為水體。

選取水稻種植面積需在水稻灌水移栽期滿(mǎn)足以下條件：LSWI＞0.12，EVI＜0.35，(LSWI+0.17)＞EVI，且其后第6 到11 個(gè)8 d 合成的圖像的平均EVI＞0.35。

利用MODIS 圖像，計(jì)算得到相應(yīng)的NDVI、EVI、LSWI 植被指數(shù)，根據(jù)以上條件模型，獲取黑龍江省2011 年水稻種植像元，最終繪制黑龍江省水稻種植面積分布圖（如圖2 所示）。根據(jù)圖2 水稻分布區(qū)域，利用GIS 軟件統(tǒng)計(jì)全省范圍內(nèi)水稻像元，計(jì)算出水稻種植面積為334.6 萬(wàn)hm2。

圖2 2011 年MODIS 提取水稻種植面積分布圖

2.3 精度驗(yàn)證

采用與MODIS 數(shù)據(jù)同時(shí)期的TM 影像,對(duì)上述MODIS 影像提取的水稻種植面積結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。利用TM 影像采用多項(xiàng)式校正方法，定義多項(xiàng)式次方為2，控制點(diǎn)數(shù)量為20～40，選擇最鄰近點(diǎn)插值法，總誤差控制在0.5 個(gè)像元內(nèi)。TM 數(shù)據(jù)提取2011 年水稻種植面積為328.53 萬(wàn)hm2，以該結(jié)果為真值，MDOIS提取的水稻面積誤差為1.8%，認(rèn)為利用MODIS 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)水稻種植面積可行，而且其監(jiān)測(cè)速度快，耗費(fèi)時(shí)間少，較TM 人工目視解譯有很大的優(yōu)勢(shì)。