新疆渭-庫綠洲棉花種植面積遙感監(jiān)測研究

玉蘇甫·買買提，吐爾遜·艾山，買合皮熱提·吾拉木

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室，新疆烏魯木齊830004）

棉花是世界性的經(jīng)濟作物，也是我國重要的經(jīng)濟作物之一。棉花面積及長勢信息是棉花生產(chǎn)管理的重要依據(jù)，是決定棉花產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一[1]。長期以來,棉花種植總面積估算主要是通過逐級統(tǒng)計匯總上報或抽樣調(diào)查，逐級統(tǒng)計匯總方法受人為主觀因素的影響較大，而抽樣調(diào)查方法的準(zhǔn)確性依賴抽樣的樣本數(shù)量[2]。遙感技術(shù)可以快速有效地監(jiān)測大面積作物的種類、特性、產(chǎn)量、長勢等信息，并已得到了廣泛的應(yīng)用[1,3-6]。目前遙感監(jiān)測已成為作物種植面積調(diào)查的重要技術(shù)和方法[7-11]。

從1994年起，新疆成為我國最大產(chǎn)棉區(qū)和最大的商品棉基地[12]。2011年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，渭-庫綠洲棉花面積分別占全疆棉花面積及阿克蘇地區(qū)棉花面積的8.56%及38.2%，產(chǎn)量分別占8.41%及40.34%，是新疆主要的棉花生產(chǎn)區(qū)域之一。同時，該研究區(qū)地處塔里木盆地北部，年降水量少，也是終年以晴天為主的典型區(qū)域，非常有利于衛(wèi)星遙感監(jiān)測的應(yīng)用和大面積的提取作物類型評價。因此，本文基于前期遙感應(yīng)用研究基礎(chǔ)，以渭干河—庫車河三角洲綠洲為例，應(yīng)用2011年9月Landsat TM遙感數(shù)據(jù)，用遙感、地理信息技術(shù)對研究區(qū)棉花種植面積提取進行研究，為新疆棉花面積的調(diào)查提供方便、實用、經(jīng)濟的方法，促進遙感技術(shù)在新疆棉花監(jiān)測、生產(chǎn)科學(xué)決策與管理中的應(yīng)用。

1 材料和方法

1.1 區(qū)域介紹

渭干河-庫車河三角洲綠洲（以下簡稱渭-庫綠洲）位于新疆維吾爾自治區(qū)南部的塔里木盆地中北部,北起秋里塔格山,南接塔里木河北岸,東與輪臺、尉犁縣相鄰,西與溫宿縣接壤,是典型而完整的山前沖洪積扇平原[13]。地理坐標(biāo)：81°28′30″~84°05′06″E，39°29′51″~42°38′01″N，南北長約322 km，東西寬約194 km，平均海拔920-1100m，在行政上隸屬阿克蘇地區(qū)管轄，包括庫車、沙雅、新和3個縣，土地總面積為53500 km2，土地利用類型主要包括農(nóng)田、林地、荒地、草灘、鹽堿地等[14]。渭-庫綠洲屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候[15-17]。光熱資源豐富、降水少、蒸發(fā)量大，多年平均降水量51.6mm，適宜于棉花種植[18-19]。

1.2 野外調(diào)查方法

考察范圍為庫車、新和、沙雅三縣。為了準(zhǔn)確摸清研究區(qū)棉花種植面積，充分利用了2011年在研究區(qū)的2次野外調(diào)查數(shù)據(jù)。野外調(diào)查時間分別為2011年9月14-18日和11月8-13日。通過野外考察，掌握并收集了研究區(qū)的景觀、土地利用狀況、農(nóng)作物種植模式、作物分布、排灌條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌狀況。地面調(diào)查采取路線調(diào)查與樣方調(diào)查相結(jié)合的方法。第一次野外調(diào)查期間利用GPS采集了98個遙感圖象解譯與驗證點，第二次野外調(diào)查期間采集了107個點。樣方調(diào)查主要布設(shè)各類地面棉花種植樣方50多個，為棉花種植面積提取提供遙感圖像解譯標(biāo)志，驗證棉花種植面積遙感解譯結(jié)果。同時，收集了研究區(qū)1∶10萬和1∶5萬地形圖及其矢量化數(shù)據(jù)、2001年土地利用圖、2011年棉花種植面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)等資料。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 野外采集數(shù)據(jù)處理

樣方點及解譯標(biāo)志點數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS軟件，進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、屬性輸入、格式轉(zhuǎn)換等處理；同時建立研究區(qū)景觀照片庫，為下一步圖像解譯做準(zhǔn)備。

2.2 圖像校正

圖1 研究區(qū)解譯標(biāo)志點及樣方圖

本研究利用的遙感圖像為2011年9月6日的Landsat TM。利用已有的1∶5萬地形圖及GPS野外調(diào)查采集數(shù)據(jù)為參考，利用ERDASIMAGINE9.2軟件對研究區(qū)遙感影像進行了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、幾何及輻射校正。幾何校正時，在圖上選取對應(yīng)的地面控制點(GCP)，采用用戶輸入坐標(biāo)方式對實驗區(qū)的數(shù)據(jù)進行幾何精校正。GCP的選取原則是：有一定的數(shù)量保證，均勻分布在整個校正區(qū)域內(nèi)，具有明顯的精確的定位識別標(biāo)志，以保證精度。影像進行校正時，按照幾何校正的要求，誤差大于1個像元的GCP點進行刪除，共刪除11個GCP點，保證最后剩下誤差小于一個像元的23個GCP點。

2.3 圖像增強

圖像增強主要是對經(jīng)過校正之后的影像圖進行線性拉伸、灰度變換等增強處理，使圖像清晰，易于識別。按照增強的信息內(nèi)容可分為波譜特征增強、空間特征增強、以及時間信息增強三大類。棉花信息提取主要考慮對植被敏感的波段進行組合分析。本文依照野外調(diào)查經(jīng)驗及棉花信息提取經(jīng)驗，首先對研究區(qū)TM圖像進行了4、3、2波段組合，這種組合較其它組合效果好，影像上棉花紋理較清晰。然后采用直方圖均衡化將影像進行線性拉伸和濾波等增強處理，使棉花信息得到增強，獲得最佳目視效果的遙感圖像。經(jīng)過圖像增強處理后，依據(jù)研究區(qū)主要行政邊界裁切圖像，獲取渭-庫綠洲區(qū)遙感影像。

3 棉花種植面積遙感監(jiān)測流程

3.1 選點依據(jù)

研究區(qū)內(nèi)主要土地利用類型有耕地、林地、草地、水體、鹽堿地、沙漠、砂礫地、山體等。這些地物具有很好的可分性。其中，研究區(qū)內(nèi)棉地與其它作物的分離是本研究的重點及難點。因此，本文采用已經(jīng)處理好的遙感圖像與實地調(diào)研得到的GPS定位點及照片庫等專題數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)作物類型、波普與空間分布特征，進行選點。

圖1是在野外調(diào)查過程中所記錄的解譯標(biāo)志點及農(nóng)作物樣方圖。圖中不同代碼表示不同地物類型。其中1300表示棉花地、6000表示房屋、1103表示小麥、1800表示蔬菜、1901表示其他作物、4000表示林地、3000表示果園。

3.2 種棉地分類系統(tǒng)的確立

本文在種棉土壤的分類標(biāo)準(zhǔn)上，依據(jù)棉花地光譜特征信息，制定了研究區(qū)種棉地土壤信息分類系統(tǒng)（表1）。

表1 遙感影像的分類標(biāo)準(zhǔn)

圖1和表1顯示，9月份B4、B3、B2波段組合的TM圖像，不同地物表現(xiàn)出不同的波普與紋理特征。按照不同地物的這些特征，在一定程度上可以確定不同地物的分類標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 信息提取

參照GPG定點解譯標(biāo)志點及農(nóng)作物地面樣方數(shù)據(jù)對不同農(nóng)作物的光譜差異進行比較分析，找出作物種類。使用已處理好的TM數(shù)據(jù)，并與2011年野外調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合，參照已制定的研究區(qū)遙感圖像種棉土壤信息分類系統(tǒng)，在ERDASIMAGINE9.2軟件對TM影像進行非監(jiān)督分類。非監(jiān)督分類是在沒有先驗類別知識的情況下，主要根據(jù)像元間相似性的大小進行歸類合并，來劃分地物類別。考慮研究區(qū)實際情況及按照已有的經(jīng)驗，本研究首先設(shè)置了40個分類，然后進行歸類合并，初步得到了研究區(qū)棉花面積；最后使用人工目視解譯并結(jié)合野外實地調(diào)查，對所提取的棉花信息進行修改，得到了研究區(qū)準(zhǔn)確的棉花面積信息。

3.4 信息提取精度

精度檢驗是遙感圖像分類過程中一項不可缺少的工作。通過精度分析，可以定量獲取分類結(jié)果的可靠性。本研究在以下幾個方面對研究區(qū)棉花信息提取精度進行了驗證。

首先選取用GPS布設(shè)的20個棉花樣方，分別計算每一個樣方內(nèi)的棉花面積。同時研究區(qū)遙感影像分類圖上扣除，對應(yīng)每一個樣方的區(qū)域，并計算棉花面積。最后將每一個樣方內(nèi)的棉花面積與遙感得到的結(jié)果一一對比分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 渭-庫綠洲棉花種植分布

利用遙感、地理信息技術(shù)對研究區(qū)棉花種植面積及空間分布進行了分析。結(jié)果表明，通過遙感手段得到的研究區(qū)棉花種植面積為155210.01 hm2，其中庫車縣、新和縣、沙雅縣的棉花面積分別為 54536.69 hm2、37737.47 hm2、62935.85 hm2。渭-庫綠洲棉花主要集中分布于研究區(qū)西南和南邊沿塔里木河北邊的新開墾地，少量零散在中部和北部（圖2）。

圖2 研究區(qū)棉花信息提取結(jié)果圖

4.2 渭-庫綠洲棉花種植面積提取精度分析

2011年研究區(qū)棉花統(tǒng)計面積為147493.33 hm2，遙感手段得到的棉花面積為155210.01 hm2，二者面積相差7716.67 hm2，提取精度為94.77%（表2），提取精度較高。分別用庫車縣、新和縣、沙雅縣邊界矢量圖，在分類好的影像上裁切各縣界內(nèi)的棉花種植區(qū)域并統(tǒng)計相應(yīng)種植面積，然后與相應(yīng)年份的統(tǒng)計面積進行了對比。庫車縣、新和縣、沙雅縣棉花種植信息提取精度分別為92.16%、93.19%和97.83%。

表2 2011年棉花種植面積提取精度分析

通過樣方和解譯標(biāo)志點的精度驗證顯示，20個樣方范圍內(nèi)，面積誤差最大是17.21%，最小是0%，20個點的平均誤差6.23%。200個棉花解譯標(biāo)志點中，191個點在遙感圖像分類結(jié)果圖上準(zhǔn)確分為棉花地。

5 結(jié)論

根據(jù)TM圖像的光譜與紋理特征，TM圖像的4、3、2波段組合對研究區(qū)棉花的識別較好。渭-庫綠洲棉花種植面積主要集中分布于研究區(qū)西南和南邊沿塔里木河北邊的新開墾地，少量零散在中部和北部，總體信息提取精度達到了94.77%。研究區(qū)域棉花種植面積的估算精度無論在空間上或數(shù)量上誤差均比較小，分類所得的棉花在空間上分布規(guī)律與渭-庫綠洲棉花分布規(guī)律比較吻合，是一個提取棉花種植面積的有效手段。

渭-庫綠洲農(nóng)作物種類較多、種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜，棉花和其他作物的識別容易誤分，導(dǎo)致棉花信息提取精度的降低。因此，后續(xù)研究應(yīng)加強棉花與其他作物的精細識別與分類研究，并結(jié)合農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)信息，進一步提高棉花種植面積信息遙感提取的精度。

[1]李敏,趙庚星,李百紅.基于遙感的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級棉花面積提取與長勢監(jiān)測研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2011,42(4):533-538.

[2]馬眾模,婁徑,裴志遠,等.長江流域棉花種植面積變化遙感監(jiān)測——以安慶市和池州市為例[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,28(7):738-742.

[3]除多,德吉央宗,普布次仁,等.藏北草地地上生物量及遙感監(jiān)測模型研究[J].自然資源學(xué)報,2013,28(11):2000-2011.

[4]靳華安,王錦地,柏延臣,等.基于作物生長模型和遙感數(shù)據(jù)同化的區(qū)域玉米產(chǎn)量估算[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(6):162-173.

[5]Yang YH,Fang JY,Pan Y D,etal.Aboveground biomass in Tibetan grasslands[J].JournalofArid Environments,2009,73:91-95.

[6]干友民,成平,周純兵,等.若爾蓋亞高山草甸地上生物量與植被指數(shù)關(guān)系研究[J].自然資源學(xué)報,2009,24(11):1963-1972.

[7]程永政.多尺度農(nóng)作物遙感監(jiān)測方法及應(yīng)用研究[D].解放軍信息工程大學(xué)博士學(xué)位論文,2009,42-50.

[8]溫兆飛,張樹清,白靜,等.農(nóng)田景觀空間異質(zhì)性分析及遙感監(jiān)測最優(yōu)尺度選擇：以三江平原為例[J].地理學(xué)報,2012,67(3):346-356.

[9]陳思寧,趙艷霞,申雙和.基于波譜分析技術(shù)的遙感作物分類方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(5):154-160.

[10]程永政.河南省冬小麥遙感動態(tài)監(jiān)測研究[J].中國科技成果,2009,(5):55-57.

[11]康曉風(fēng),王乃斌,楊小喚.糧食種植面積提取方法的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].資源科學(xué),2002,24(5):8-13.

[12]劉玫岑.基于遙感和GIS的棉花面積提取和產(chǎn)量估測研究[D].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士論文,2006,1-3.

[13]江紅南,塔西甫拉提·特依拜,丁建麗,等.新疆渭干河灌區(qū)土地鹽漬化時空變化影響因子分析[J].干旱區(qū)地理,2008,31(6):885-891.

[14]陳小兵,楊勁松.渭干河灌區(qū)灌排管理與水鹽平衡研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(4):59-65.

[15]庫車縣志編纂委員會編.庫車縣志[M].烏魯木齊:新疆大學(xué)出版社,1991:1-7.

[16]沙雅縣史志編纂委員會.沙雅縣志[M].烏魯木齊:新疆人民出版社,1995:1-7.

[17]新和縣地方志編纂委員會.新和縣志[M].烏魯木齊:新疆人民出版社,1997:1-5.

[18]錢云,郝毓靈.新疆綠洲[M].新疆人民出版社,2000,5:358-359.

[19]滿蘇爾·沙比提,胡江玲,迪里夏提·司馬義.近40年來渭干河－庫車河三角洲綠洲氣候變化特征分析[J].地理科學(xué),2008,28(4):518-524.