融合GF-6 WFV影像主成分分析特征的縣域冬小麥種植面積提取

摘要：為準(zhǔn)確、快速獲得縣域冬小麥的種植信息，針對多時相方法存在的成本高、效率低、過程復(fù)雜等問題，以安徽省固鎮(zhèn)縣為研究區(qū)，提出基于單時相GF-6 WFV影像主成分分析特征與原始光譜波段歸一化融合、并使用K-最近鄰算法進(jìn)行土地覆蓋物分類的有效面積提取方法。結(jié)果表明，所提出方法優(yōu)于RAW和PDR這2種基準(zhǔn)方法，且降維維度參數(shù)為3時效果最好，總體精度和Kappa系數(shù)分別為89.71%和0.87，實(shí)際冬小麥提取面積精度達(dá)98.49%，相對誤差僅為1.51%。

關(guān)鍵詞： 遙感； 冬小麥； 種植面積提?。?主成分分析特征； GF-6 WFV影像； 固鎮(zhèn)縣

中圖分類號：S127；TP79" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）08-0201-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.08.034 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Extraction of winter wheat planting area in county regions based on principal component analysis features fused with GF-6 WFV image

ZHANG Meng1， XU Jian-peng1， ZHOU Lu-yang1， WANG Jie1， WANG Zhuang2， YUE Wei1

（1.Anhui Rural Comprehensive Economic Information Center， Hefei" 230031， China；

2. Anhui Institute of Meteorological Sciences， Hefei" 230031， China）

Abstract： In order to obtain the planting information of winter wheat at county level accurately and quickly， Guzhen County of Anhui Province was selected as the research area， aiming at the problems of high cost， low efficiency and complex process of multi-temporal methods. An effective area extraction method based on single temporal GF-6 WFV image principal component analysis and original spectral band normalization fusion was proposed， and K-nearest neighbor algorithm was used for land cover classification. The results showed that the proposed method was superior to the other two benchmark methods of RAW and PDR， and the best effect was achieved when the dimensionality reduction parameter was 3. The overall accuracy and Kappa coefficient were 89.71% and 0.87， respectively. The actual accuracy of the winter wheat extraction area was 98.49%， with a relative error of only 1.51%.

Key words： remote sensing； winter wheat； planting area extraction； principal component analysis feature； GF-6 WFV image； Guzhen County

小麥作為中國主要糧食作物之一，其生產(chǎn)種植在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展特別是農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要作用［1-3］。按照播種季節(jié)的不同，可以將小麥劃分為冬小麥與春小麥2種種植類型。其中，冬小麥?zhǔn)钦加兄鲗?dǎo)地位的小麥種植類型，其產(chǎn)量和品質(zhì)均高于春小麥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國大部分小麥產(chǎn)地以種植冬小麥為主，其種植面積和產(chǎn)量均占全國小麥的85%以上［4-6］。及時、準(zhǔn)確地獲得冬小麥的種植面積信息，可以為相關(guān)部門因地制宜制定農(nóng)業(yè)政策和發(fā)展規(guī)劃、優(yōu)化調(diào)整區(qū)域種植產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供有效參考，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障國家糧食供給安全具有重要意義［7-9］。

傳統(tǒng)的冬小麥種植面積信息獲取和更新主要依靠調(diào)查人員到田間地頭進(jìn)行實(shí)地考察測量。這種方式耗時費(fèi)力，容易受到人為、地形等因素的干擾而產(chǎn)生一些無法預(yù)料的錯誤，不利于及時有效獲取和更新冬小麥種植面積情況［10-12］。20世紀(jì)60年代以來，衛(wèi)星遙感技術(shù)的誕生與發(fā)展揭開了土地利用調(diào)查新的篇章。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有大面積同步觀測、獲取資料速度快、不受地理?xiàng)l件限制、數(shù)據(jù)客觀真實(shí)可回溯等特點(diǎn)，具備克服傳統(tǒng)實(shí)地調(diào)查方式缺點(diǎn)的先天優(yōu)勢，可為及時、準(zhǔn)確、大范圍地獲取土地利用信息提供良好的數(shù)據(jù)條件［13］。

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)開展土地覆蓋物的識別和提取，已成為獲取冬小麥種植面積信息的重要手段［14］。此外，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別、計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)，可對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)智能化、自動化、海量化處理，是當(dāng)前遙感應(yīng)用研究的熱點(diǎn)［15，16］。這說明使用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)開展土地利用信息提取與傳統(tǒng)方式截然不同，具有劃時代的重要意義。已有眾多學(xué)者基于Landsat、MODIS、Sentinel等國外衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)開展了冬小麥的識別和提取研究，取得了較好的結(jié)果，表明衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在冬小麥種植面積提取上的可靠性和有效性［17-19］。

隨著中國衛(wèi)星遙感事業(yè)的快速發(fā)展，各類優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源不斷涌現(xiàn)，為冬小麥種植面積提取提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。已有學(xué)者利用高分系列（GF）、環(huán)境系列（HJ）、中巴地球資源系列（China amp; Brazil Earth Resource Satellite，CBERS）等國產(chǎn)衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)開展了冬小麥種植面積提取的研究。游炯等［20］利用2期GF-1 WFV影像，基于改進(jìn)多元紋理信息模型，以安徽省濉溪縣為試驗(yàn)區(qū)，開展了縣域尺度上冬小麥種植面積提取的研究。李峰等［21］利用多時相的HJ-1 CCD遙感影像，采用決策樹分類方法，在山東省土地利用類型中的林地數(shù)據(jù)和野外地面調(diào)查數(shù)據(jù)的輔助下，通過分區(qū)解譯成功提取了山東省冬小麥種植面積。趙麗花等［22］基于多時相HJ衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，按照冬小麥的物候規(guī)律和季相節(jié)律的差異性，綜合利用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類法，提取江蘇省姜堰市冬小麥種植面積。李衛(wèi)國等［23］利用2景CBERS-02衛(wèi)星遙感影像，基于ISODATA方法和NDVI灰度圖疊加，采用人機(jī)交互式判讀解譯，提取了江蘇省泰興市冬小麥種植面積，并對冬小麥的產(chǎn)量進(jìn)行了估算。齊臘等［24］利用2006—2007年多時相的CBERS-02衛(wèi)星遙感影像，基于可分性距離的計(jì)算和最大似然分類方法，提取了北京市部分地區(qū)早期冬小麥的種植面積。鑒于大田冬小麥在生長發(fā)育過程中，其反射光譜特征的變化具有獨(dú)特性，通過積累同一地區(qū)多個時間節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行光譜特征時序分析，可將冬小麥與其他土地覆蓋物進(jìn)行更有效的區(qū)分［25］。上述研究大多使用了多時相方法，取得了不錯的提取效果，然而，多時相對于影像獲取的要求較高，受制于氣象條件、衛(wèi)星重訪周期等因素，時間序列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的構(gòu)建過程相對復(fù)雜，且容易受輻射差異的影響［26］。此外，因衛(wèi)星遙感監(jiān)測區(qū)域跨度較大、地域生態(tài)氣候環(huán)境不同，各地方的冬小麥生長發(fā)育以及其他同期土地覆蓋物的類型都存在差異。在縣域范圍內(nèi)，冬小麥的生長物候期基本一致，其他土地覆蓋物的類型也具有相對簡單性，同時，縣域作為行政區(qū)劃中承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研究其主要農(nóng)作物的種植面積提取，對推動鄉(xiāng)村振興、建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國具有現(xiàn)實(shí)意義［27，28］。

高分六號（GF-6）衛(wèi)星于2018年6月2日成功發(fā)射，是中國首顆用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)觀測的高分辨率衛(wèi)星，主要增加了可以提升農(nóng)作物識別能力的紅邊波段，對于開展精細(xì)化的農(nóng)作物種植面積提取和長勢監(jiān)測能夠起到關(guān)鍵作用［29］。目前，利用單時相GF-6影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大田冬小麥種植面積提取的相關(guān)研究仍較為鮮見。已有文獻(xiàn)通?；诙鄷r相的GF-6影像數(shù)據(jù)進(jìn)行農(nóng)作物種植面積的遙感提取研究，但很少考慮多時相影像數(shù)據(jù)的獲取成本高、構(gòu)建過程相對復(fù)雜、易受輻射差異影響、分類效率較低等情況［30］。

綜上所述，針對常見多時相提取方法存在的問題，本文以淮河流域的安徽省固鎮(zhèn)縣為研究區(qū)，提出一種利用單時相GF-6衛(wèi)星遙感影像主成分分析特征進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和土地覆蓋物分類，在此基礎(chǔ)上提取縣域冬小麥種植面積的方法。通過結(jié)合同期Google Earth高分辨率影像目視解譯獲得的地面樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和開展一系列相關(guān)的試驗(yàn)，對所提出方法的分類識別和提取效果進(jìn)行精度驗(yàn)證，并與2種基準(zhǔn)方法展開對比分析，從而檢驗(yàn)了該方法的有效性，同時確定最佳的降維維度參數(shù)，以期為縣域冬小麥種植面積的提取提供準(zhǔn)確、快速、有效的技術(shù)方法，為保障糧食生產(chǎn)安全、推動鄉(xiāng)村振興提供應(yīng)用基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

選取安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣作為研究區(qū)域。固鎮(zhèn)縣（117°02′E—117°36′E，33°10′N—33°30′N）地處安徽省東北部、淮河中游北岸，水系發(fā)達(dá)，土地肥沃，總面積1 363 km2，全境地勢平坦，海拔在16.0～22.5 m，屬于典型的平原地區(qū)（圖1）。固鎮(zhèn)縣年平均氣溫14.7 ℃，年平均降水量871.7 mm，年平均日照總時數(shù)2 170 h，平均無霜期215 d，屬亞熱帶季風(fēng)氣候向溫帶季風(fēng)氣候過渡的氣候類型，四季分明，氣候溫和，雨量適中，日照充足，有利于植物光合產(chǎn)物積累。固鎮(zhèn)縣是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大縣，國家重要的商品糧生產(chǎn)基地，主要種植小麥、玉米、花生、棉花等作物。其中，冬小麥?zhǔn)枪替?zhèn)縣種植最普遍的越冬作物，其物候期如表1所示。固鎮(zhèn)縣只有少量的油菜種植，因此是研究冬小麥種植面積提取的理想研究區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)選取 使用的GF-6衛(wèi)星寬幅影像（Wide field of view，WFV）L1A級遙感數(shù)據(jù)可通過中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站（https：//www.cresda.com/zgzywxyyzx/）下載。GF-6 WFV影像傳感器的重訪周期為4 d，空間分辨率為16 m，共有8個波段，除了傳統(tǒng)的可見光（藍(lán)、綠、紅）和近紅外波段外，還增加了2個紅邊波段、1個紫波段以及1個黃波段共4個新波段，具體波段信息見表2。

選擇不同日期的冬小麥遙感影像作為數(shù)據(jù)源對最終的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，為確認(rèn)所提出方法的可靠性和有效性，有必要對物候因素加以考量。處在拔節(jié)期、抽穗期的冬小麥生長較其他時期更為旺盛，光譜信息顯著，同時，此時間段內(nèi)其他植被生長緩慢，尚未進(jìn)入生長旺季，因而有利于識別冬小麥［12］。因此，結(jié)合研究區(qū)冬小麥具體生長情況以及遙感影像云覆蓋狀況，最終選取了2022年3月28日過境的一期影像，景號523797，影像中心經(jīng)緯度117.1°E、33.6°N，此時固鎮(zhèn)縣正處于冬小麥拔節(jié)期，影像質(zhì)量良好，云覆蓋量小于6%。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 在ENVI 5.3環(huán)境下對選取的GF-6 WFV影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、影像裁剪等步驟。輻射定標(biāo)是將影像的數(shù)字量化值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值的過程，所采用的定標(biāo)公式如下。

[L=Gain×DN+Bias]" " " " " " （1）

式中，[L]為輻射亮度值[[W/（m2?sr?μm）]]；[Gain]為定標(biāo)系數(shù)增益；[DN]為影像的數(shù)字量化值；[Bias]為偏移量；[Gain]和[Bias]的具體數(shù)值可在中國資源衛(wèi)星中心網(wǎng)站獲取。輻射定標(biāo)后采用FLAASH大氣校正工具進(jìn)行校正，以消除大氣吸收、折散射和光照變化等因素引起的輻射誤差。正射校正在無控制點(diǎn)的條件下，基于衛(wèi)星影像自帶的有理多項(xiàng)式系數(shù)（Rational polynomial coefficient，RPC）文件進(jìn)行，糾正因一般系統(tǒng)因素、地形起伏影響產(chǎn)生的幾何畸變，從而可以滿足影像分類的精度要求。最后，通過固鎮(zhèn)縣行政區(qū)劃Shapefile矢量文件對正射影像進(jìn)行裁剪。

1.3 樣本點(diǎn)構(gòu)建

由統(tǒng)計(jì)年鑒中研究區(qū)主要農(nóng)作物種植情況的內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，固鎮(zhèn)縣僅有少量的油菜分布，因此本研究不單獨(dú)將油菜列為所要識別的土地覆蓋物類型。結(jié)合同期Google Earth高分辨率影像進(jìn)行目視解譯，將研究區(qū)內(nèi)土地覆蓋物類型分為5類，包括冬小麥、水體（河流、湖泊等）、建筑（建筑物、公路等）、裸土（荒地、工業(yè)裸地等）、其他植被（林地、草地、其他農(nóng)作物等），采取人工交互的方式隨機(jī)選取樣本點(diǎn)1 000個，包括200個冬小麥樣本點(diǎn)，300個水體樣本點(diǎn)，100個建筑樣本點(diǎn)，200個裸土樣本點(diǎn)，200個其他植被樣本點(diǎn)，具體分布情況如圖1所示。

2 方法

2.1 主成分分析PCA

PCA是常見的用于數(shù)據(jù)降維和特征提取的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。通過遵循最大可分性或最近重構(gòu)性原則，PCA利用投影變換將樣本數(shù)據(jù)從高維度原始空間降維至低維度特征空間［31］。假設(shè)有[m]個[d]維的原始樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算式如下。

[X=（X1，X2，…，Xi，…，Xm）]" " " " " （2）

利用PCA將其降至[s]維（[s≤d]）的流程如下。

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。包括歸一化和中心化。歸一化采用Min-Max方法將數(shù)據(jù)映射至［0， 1］，消除數(shù)據(jù)間的量綱差異［32］。中心化將樣本的中心移至原點(diǎn)，以便于后續(xù)計(jì)算。

[Xi←Xi-1mi=1mXi]" " " " " "（3）

2）計(jì)算協(xié)方差矩陣。采用協(xié)方差矩陣（[C]）度量樣本數(shù)據(jù)各屬性維度間的關(guān)系。

[C=XXT]" " " " " " " " "（4）

該矩陣為對稱矩陣，主對角線上元素是各屬性自身的方差，非主對角線元素是不同屬性間的協(xié)方差。

3）投影。對[C]進(jìn)行對角化和特征值分解，取最大的[s]個特征值所對應(yīng)的特征向量構(gòu)成投影矩陣[W]，基于投影矩陣將原始樣本數(shù)據(jù)降維，得到主成分分析特征。

[Y=WTX]" " " " " " " "（5）

[Y]的各個屬性維度又稱為主成分，分別表示為[PC1]，[PC2]，…，[PCs]。

按照方差貢獻(xiàn)率的大小可對主成分的重要性進(jìn)行排序，方差貢獻(xiàn)率越大，表明該主成分越重要。

[F（PCk）=λki=1sλi]" " " " " " " "（6）

式中，[F（PCk）]表示第[k]個主成分[PCk]的方差貢獻(xiàn)率（[k≤s]）；[λk]是第[k]個主成分的方差；[λi]是第i個主成分的方差。由方差貢獻(xiàn)率可計(jì)算累計(jì)方差貢獻(xiàn)率。

[T（PCk）=i=1kλii=1sλi] " " " " " "（7）

式中，[T（PCk）]表示前[k]個主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率。

2.2 土地覆蓋物分類與冬小麥種植面積提取

假設(shè)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后的GF-6 WFV影像表示為[M∈Ru×8]，其中，[u]是影像中樣本（像素點(diǎn)）的個數(shù)，數(shù)字8為固定值，表示影像的光譜維度。利用單時相GF-6 WFV影像進(jìn)行土地覆蓋物分類、提取縣域冬小麥種植面積的過程如下。

1）GF-6 WFV影像主成分分析特征提取。按照PCA算法步驟流程對影像[M]進(jìn)行降維，得到降維后的數(shù)據(jù)特征[D∈Ru×v]，[v]為降維后的維度（[v≤8]）。

2）數(shù)據(jù)融合?？紤]到GF-6 WFV影像[M]可以提供更多的土地覆蓋物原始光譜信息，因此將其加入到主成分分析特征[D]中，以彌補(bǔ)[D]中原始光譜信息的缺失。融合過程先將[M]與[D]進(jìn)行簡單的屬性維度疊加，得到疊加數(shù)據(jù)，再對疊加數(shù)據(jù)進(jìn)行Min-Max歸一化處理，消除數(shù)據(jù)間的量綱差異，得到最終的融合數(shù)據(jù)[F∈Ru×t]，其中[t=v+8]，為融合數(shù)據(jù)的維度。

3）分類和種植面積提取。對融合數(shù)據(jù)[F]，利用簡潔、有效、易于實(shí)現(xiàn)的K-最近鄰算法（K-Nearest Neighbor，KNN）進(jìn)行土地覆蓋物分類，依據(jù)分類結(jié)果，提取得到冬小麥類別的種植面積和分布［33］。其中，KNN使用了歐式距離作為相似性度量的依據(jù)，公式如下。

[dist（X，Y）=i=1t（Xi-Yi）]" " " " " （8）

主要計(jì)算步驟：首先，計(jì)算訓(xùn)練集中各個訓(xùn)練樣本與測試集中待測樣本之間的距離，然后，按照數(shù)值的大小關(guān)系對這些距離進(jìn)行遞增排序，最后，選取距離最小的前[k]個訓(xùn)練樣本點(diǎn)進(jìn)行投票，返回投票數(shù)最高的類別作為待測樣本的預(yù)測類別。

4）精度驗(yàn)證。為確認(rèn)土地覆蓋物分類的識別效果，采用基于混淆矩陣（Confusion matrix，CM）計(jì)算的總體精度（Overall accuracy，OA）、Kappa系數(shù)對分類結(jié)果進(jìn)行定量化的驗(yàn)證評估?；煜仃嚨男问饺缦隆?/p>

[CM=cm11cm12…cm1ncm21cm22…cm2n……" "……cmn1cmn2…cmnn]" " " "（9）

式中，第[k]行[h]列的元素[cm]是一個整數(shù)，實(shí)際是[k]類型的土地覆蓋物被分類為[h]類型的土地覆蓋物的數(shù)量；[n]表示總的類別個數(shù)。OA是所有分類正確的樣本個數(shù)與總樣本個數(shù)的比值，主要利用混淆矩陣主對角線元素的信息。Kappa系數(shù)一般用于一致性檢驗(yàn)，也可以衡量分類精度，主要利用混淆矩陣非主對角線元素的信息。由混淆矩陣計(jì)算OA、Kappa系數(shù)（κ）的公式如下。

[OA=k=1ncmkkk=1nh=1ncmkh] " " " " " "（10）

[κ=Nk=1ncmkk-k=1n（cmk+×cm+k）N2-k=1n（cmk+×cm+k）] （11）

式中，[N]表示混淆矩陣所有元素之和；[cmk+]表示混淆矩陣第[k]行元素之和；[cm+k]表示混淆矩陣第[k]列元素之和；[cmkk]表示混淆矩陣主對角線上的元素。

3 結(jié)果與分析

3.1 降維維度與數(shù)據(jù)融合對提取精度的影響分析

降維維度是PCA算法中的重要可變參數(shù)，其數(shù)值大小、變化與提取得到的主成分分析特征的維度保持一致。為分析所提方法中降維維度與數(shù)據(jù)融合對提取精度的影響，利用選取的地面樣本點(diǎn)進(jìn)行了一系列相關(guān)的土地覆蓋物分類試驗(yàn)。在不同的降維維度（范圍在1～8，8表示不進(jìn)行末位特征舍棄、保留所有成分）條件下，分別開展包括冬小麥在內(nèi)的5種土地覆蓋物的分類，研究降維維度變化對地物識別的作用和影響，確定提取冬小麥種植面積的最佳降維維度。同時，使用其他2種基準(zhǔn)方法與所提出的融合主成分分析特征的方法進(jìn)行對比，以檢驗(yàn)該方法的有效性。對所有的方法，在提取過程中采用參數(shù)一致的KNN分類器（[k=1]），以便能對這些方法的有效性進(jìn)行更好的判斷。為避免數(shù)據(jù)劃分對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，重復(fù)開展20次，每次隨機(jī)選取30%的樣本點(diǎn)作為訓(xùn)練集，其余樣本點(diǎn)作為測試集。采用OA和Kappa系數(shù)對各方法的識別效果進(jìn)行定量評價。所用方法的英文縮寫及對應(yīng)含義概述如下。

1）RAW。直接采用只經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理的原始GF-6 WFV影像為地面樣本點(diǎn)提供進(jìn)行土地覆蓋物分類所需要的屬性信息。使用該方法作為與本研究所提方法進(jìn)行對比的基準(zhǔn)。

2）PDR。在經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理的原始GF-6 WFV影像基礎(chǔ)上，僅使用PCA算法對其進(jìn)行降維處理，提取其主成分分析特征，代替原始GF-6 WFV影像光譜波段為地面樣本點(diǎn)提供屬性信息。使用該方法作為與本研究所提方法進(jìn)行對比的基準(zhǔn)。

3）RPCA。即本研究提出的土地覆蓋物分類方法。

圖2、圖3分別展示了在不同方法下OA與Kappa系數(shù)隨降維維度的變化。從圖中可以看出，PDR方法和RPCA方法受到了降維維度條件的顯著影響，在圖像上表現(xiàn)為折線；而RAW方法由于直接采用原始影像數(shù)據(jù)，沒有經(jīng)歷降維過程，故OA和Kappa系數(shù)保持不變，在圖像上表現(xiàn)為直線。對比3種方法的OA、Kappa系數(shù)圖像可以發(fā)現(xiàn)，在圖2和圖3中，RPCA方法的圖像整體上都位于RAW和PDR方法的上方，RAW方法的圖像均位于PDR方法的上方，說明在土地覆蓋物的分類表現(xiàn)上RPCAgt;RAWgt;PDR，即RPCA方法具有最佳的地物識別效果，RAW方法次之，PDR方法表現(xiàn)最差。造成這些現(xiàn)象的可能原因是，PDR方法在降維過程中雖然提取了影像的特征，但是不可避免有光譜信息的損失，導(dǎo)致分類精度不高，呈弱于RAW方法的結(jié)果；RPCA方法在PDR方法的基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)融合彌補(bǔ)了這部分損失的光譜信息，結(jié)果顯示RPCA方法不僅強(qiáng)于PDR方法，對比RAW方法也有較為明顯的提升。上述試驗(yàn)結(jié)果及有關(guān)分析表明將原始GF-6 WFV影像與其主成分分析特征進(jìn)行數(shù)據(jù)融合是必要的，具有提升分類器土地覆蓋物識別能力的重要作用。

當(dāng)降維維度從1到3時，RPCA方法和PDR方法的分類精度逐漸上升，至降維維度為3時到達(dá)最高位，當(dāng)降維維度gt;3后，分類精度不再呈穩(wěn)步增長的變化趨勢，而是在高位附近上下波動，說明隨著降維維度的增加，主成分分析特征所能提供給分類器的差異信息量趨于飽和，且PCA算法根據(jù)貢獻(xiàn)率大小依序提取影像特征，所以新增的維度對分類精度提高的作用效果越來越小，當(dāng)降維維度增加到某個確切數(shù)值，亦即主成分分析特征的維度累積到一定數(shù)量時，分類精度達(dá)到峰值，此時若繼續(xù)增加維度，則主成分分析特征可能會形成冗余，干擾分類，從而影響精度的進(jìn)一步提升或?qū)е路诸惥认陆怠Ｍㄟ^計(jì)算GF-6 WFV影像的主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率（表3）也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。當(dāng)主成分?jǐn)?shù)（即降維維度）為3時，方差累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)99.329%，再進(jìn)一步提高維度并不會提供更多有用信息。綜上，在降維維度為3時采用RPCA方法，于所有的土地覆蓋物分類試驗(yàn)中取得了最好的結(jié)果，表明RPCA方法的有效性，并確定最佳的降維維度參數(shù)是3。

如表4所示，當(dāng)降維維度為3時，使用3種方法得到每種地物的分類精度均值、標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，STD）以及OA、Kappa系數(shù)。其中，冬小麥、水體、建筑、裸土、其他植被的最優(yōu)分類精度均值分別為93.57%、97.61%、65.71%、87.26%、88.57%，并且除裸土外，其余地物的最優(yōu)分類精度均在所提出的RPCA方法下取得。因此，RPCA方法比其他方法表現(xiàn)更好，在冬小麥、水體、建筑和其他植被4種土地覆蓋物的識別上都取得了最優(yōu)的結(jié)果，同時，依據(jù)式（10）、式（11），其多次試驗(yàn)的OA均值達(dá)89.71%，Kappa系數(shù)均值達(dá)0.87，也為所有方法中最優(yōu)。

3.2 固鎮(zhèn)縣冬小麥種植面積提取結(jié)果

在最佳的降維維度參數(shù)條件下，基于一般的RAW方法、PDR方法以及本研究提出的RPCA方法分別對固鎮(zhèn)縣的土地覆蓋物分類識別，提取其冬小麥種植分布與面積，并通過蚌埠市統(tǒng)計(jì)年鑒得到2022年固鎮(zhèn)縣冬小麥實(shí)際種植面積。不同方法所提取固鎮(zhèn)縣冬小麥的種植面積及相對誤差如圖4所示，其中，相對誤差值大于0，表示提取過程中存在較多其他地物類別錯分為冬小麥類別的現(xiàn)象，小于0表示存在較多冬小麥類別被漏分的現(xiàn)象。結(jié)果表明，RPCA方法的提取效果最好，面積精度為98.49%，其相對誤差最小，為1.51%，部分地區(qū)存在錯分現(xiàn)象。PDR方法的提取效果最差，面積精度為87.53%，其相對誤差最大，為-12.47%，漏分現(xiàn)象較為明顯。

根據(jù)上述不同方法的土地覆蓋物分類及冬小麥種植提取的結(jié)果和分析，選擇總體精度與面積精度最高的方法繪制冬小麥種植分布。通過將PCA算法的降維維度設(shè)置為最佳參數(shù)（取[v=3]），以選取的地面樣本點(diǎn)為訓(xùn)練集，采用本研究的融合GF-6 WFV影像主成分分析特征的RPCA方法，獲得了2022年固鎮(zhèn)縣的冬小麥種植分布（圖5）。

從圖5可以看出，固鎮(zhèn)縣冬小麥種植范圍廣泛，普遍分布于該縣各個地區(qū)，是境內(nèi)最主要的夏收作物。以縣城為中心，固鎮(zhèn)縣冬小麥的種植空間整體呈散射狀。其中，城鎮(zhèn)附近及懷洪新河沿岸一帶的種植地塊比較零散，廣大農(nóng)村地區(qū)的種植地塊則連片密集，分布均勻，與實(shí)際情況相符合。

4 小結(jié)

本文以安徽省固鎮(zhèn)縣為研究區(qū)域，結(jié)合當(dāng)?shù)刈魑镂锖?，利用冬小麥拔?jié)期內(nèi)的單景 GF-6 WFV影像，采用PCA算法提取潛在的主成分分析特征，并與原始的光譜信息合理融合，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建識別冬小麥、水體等多種土地覆蓋物的K-最近鄰分類模型，實(shí)現(xiàn)了基于單時相遙感數(shù)據(jù)的高精度縣域冬小麥種植面積提取，從中得出以下結(jié)論。

1）PCA算法能夠?qū)F-6 WFV影像進(jìn)行有效降噪去冗，提取得到類別顯著性較強(qiáng)的主成分分析特征。本研究表明，GF-6 WFV影像的主成分分析特征與其原始光譜信息互補(bǔ)，與單純使用原始影像數(shù)據(jù)或主成分分析特征開展分類相比，采用歸一化方法合理融合二者能夠增強(qiáng)土地覆蓋物的識別性能，具有最佳的冬小麥提取效果。

2）結(jié)合K-最近鄰分類器開展土地覆蓋物分類試驗(yàn)，與2種基準(zhǔn)方法相比，本研究融合主成分分析特征的RPCA方法的識別效果整體最優(yōu)，且具體結(jié)果對PCA降維維度參數(shù)較為敏感。當(dāng)維度參數(shù)為3時，RPCA方法在所有情況下分類精度最高，總體精度達(dá)89.71%，Kappa系數(shù)達(dá)0.87。

3）在降維維度為3的最佳參數(shù)條件下采用RPCA方法開展縣域冬小麥種植面積提取，得到固鎮(zhèn)縣冬小麥的種植面積為569.02 km2，與官方面積相比，面積精度為98.49%，相對誤差僅為1.51%，種植分布情況與實(shí)際相符，對比其他方法提取效果最好，證明該方法能夠有效減少錯分和漏分冬小麥的現(xiàn)象，具有較好的推廣和使用價值。

本研究基于單時相GF-6 WFV遙感影像，利用在原始光譜信息中融入主成分分析特征，采用K-最近鄰分類器提取了2022年固鎮(zhèn)縣冬小麥種植面積和空間分布，對比一般方法，成功提高了識別的精度。然而，影像16 m的空間分辨率導(dǎo)致小尺度的土地覆蓋物容易產(chǎn)生混合像元現(xiàn)象，依舊是影響分類精度的重要原因。此外，主成分分析特征僅是眾多圖像數(shù)據(jù)特征中的1種。下一步可將GF-6 WFV遙感影像與高分辨率遙感影像相結(jié)合，并進(jìn)一步提取紋理、空間關(guān)系、植被指數(shù)等多種特征，綜合運(yùn)用混合像元分解和數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行作物種植面積提取，以滿足更精細(xì)化的應(yīng)用需求場景。

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基金項(xiàng)目：安徽省自然科學(xué)基金“江淮氣象”聯(lián)合基金項(xiàng)目（2208085UQ04）；安徽省科技重大專項(xiàng)（2023n06020017）

作者簡介：張 萌（1993-），男，安徽合肥人，助理工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)遙感研究，（電話）0551-62290356（電子信箱）3103387872@qq.com；通信作者，徐建鵬（1979-），男，安徽安慶人，高級工程師，主要從事農(nóng)村信息化、農(nóng)業(yè)氣象研究，（電話）0551-62290195（電子信箱）20333800@qq.com。