湖北省油菜種植面積的遙感監(jiān)測(cè)方法探討

唐文瀾，王曉燕，汪權(quán)方，陳志杰

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430062；2.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079)

湖北是一個(gè)農(nóng)業(yè)大省，素有“千湖之省”“魚米之鄉(xiāng)”等美譽(yù)。湖北省歷來(lái)是我國(guó)重要的糧棉油生產(chǎn)基地和我國(guó)糧食安全的保障基地，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在全國(guó)具有舉足輕重的地位，尤其是油菜的種植面積、總產(chǎn)量和優(yōu)質(zhì)率多年居全國(guó)第一。但湖北省地表分異度高、地貌類型多樣、河網(wǎng)稠密、湖泊眾多、旱澇災(zāi)害頻發(fā)，從而導(dǎo)致湖北省油菜生產(chǎn)的年際變化較大，因此及時(shí)進(jìn)行油菜播種面積和產(chǎn)量的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是每年各級(jí)政府部門迫切需要掌握的農(nóng)業(yè)基本信息。目前，農(nóng)業(yè)信息來(lái)源渠道主要是各級(jí)政府部門的逐級(jí)上報(bào)方式，由于存在各種不同利益的博弈，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性一直是一個(gè)大問(wèn)題。遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種獲取田間農(nóng)情信息的重要技術(shù)手段，具有成本低、速度快和精度高的特點(diǎn)。目前我國(guó)農(nóng)作物遙感監(jiān)測(cè)工作主要集中在水稻、小麥等方面[1-9]，油菜播種面積的遙感監(jiān)測(cè)工作研究成果相對(duì)較少[1-9]，也需要開展適宜于湖北省油菜種植面積遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法，包括最佳時(shí)相、最佳數(shù)據(jù)源和影像解譯方法等。鑒于此，筆者研究了適宜于湖北省油菜種植面積的遙感監(jiān)測(cè)的最佳時(shí)相、最佳數(shù)據(jù)源、影像解譯方法等。

1 主要遙感數(shù)據(jù)源

研究中選用了ALOS、SPOT和TM共3種影像數(shù)據(jù)，分別為ALOS(時(shí)相是20090131、20090421、20090503)、SPOT(時(shí)相是20081112、20090131)和TM(時(shí)相是20081224、20090314、20090415)，這3種衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)都具有較高的空間分辨率和良好的性價(jià)比。

2 油菜面積遙感監(jiān)測(cè)最佳時(shí)相

最佳時(shí)相遙感圖像的選擇是作物面積遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在選擇最佳時(shí)相時(shí)要求遙感圖像具有足夠高的空間分辨率，同時(shí)還能夠反映地理現(xiàn)象呈節(jié)律性變化中最具有本質(zhì)特性的特征信息，探測(cè)目標(biāo)與環(huán)境信息差異最大，即油菜與其他作物的光譜特征差異最大。

湖北省油菜種植期是每年9月—次年5月，歷經(jīng)播種期、發(fā)芽期、苗期、蕾薹期、開花期和角果發(fā)育成熟期等幾個(gè)階段。圖1是在油菜各生長(zhǎng)階段所拍攝的序列遙感影像及有關(guān)光譜特征曲線圖。

從圖1可以看出，在各影像的紅、綠、藍(lán)3波段上，絕大部分油菜區(qū)像元反射率都大于包括小麥、森林等在內(nèi)的其他植被，特別是在油菜開花期(3月中下旬—4月上旬)，3波段上的差異最明顯，其主要原因是油菜開花期，3個(gè)波段上的吸收率要低于“純綠色”。從色彩/色調(diào)上看，SPOT4-20081112和ALOS-20090503影像上油菜與其他植被差異最明顯，其次是TM-20090314和ALOS-20090421，在影像上的表現(xiàn)特征上，油菜與建筑物、水體等無(wú)植被區(qū)，無(wú)論是色彩/色調(diào)，還是光譜特征及NDVI指數(shù)等方面都具有顯著可分性。油菜與非植被區(qū)具有不同的波段規(guī)律，表現(xiàn)為油菜band 4>band 3，而非植被區(qū)band 4

綜上所述，在湖北境內(nèi)油菜面積遙感監(jiān)測(cè)的最佳識(shí)別時(shí)相大致位于3月中旬—4月中旬，即油菜的開花期。

圖1 局部地區(qū)作物/植被等在衛(wèi)星影像上的表現(xiàn)特征Fig.1 The characteristics of different vegetations in the remote images

3 油菜面積遙感監(jiān)測(cè)信息提取方法

3.1基于單時(shí)相影像自動(dòng)分類的油菜面積信息提取由于ALOS和SPOT影像分辨率較高，直接對(duì)2類影像結(jié)合地物解譯標(biāo)志進(jìn)行監(jiān)督分類，然后參考地形、土地利用以及野外樣方調(diào)查等方面資料，對(duì)初始解譯結(jié)果進(jìn)行修正，最后按照最小上圖圖斑為“4×4”個(gè)像元(狹長(zhǎng)地物的短邊寬最小為2個(gè)像元、長(zhǎng)度大于8個(gè)像元)的原則，對(duì)修正后的解譯結(jié)果進(jìn)行了小圖斑去除。統(tǒng)計(jì)油菜分類面積，發(fā)現(xiàn)利用小圖斑去除分析后所得到的油菜面積要明顯少于未做小圖斑去除處理的結(jié)果(表1)。

圖2 基于ALOS影像自動(dòng)分類的油菜面積信息提取效果Fig.2 The results of extracting rape’s area based on automatic classification at ALOS images

首先對(duì)成像于油菜開花期的TM12339-20090314和TM12239-20090408影像進(jìn)行NDVI指數(shù)分析，結(jié)果顯示在這2景影像上，位于江漢平原和鄂東長(zhǎng)江沿岸平原區(qū)集中成片分布的油菜區(qū)像元NDVI值分別大于0.200和0.333，而在武漢、咸寧兩地小片分布的油菜區(qū)，大多數(shù)像元的NDVI值并不符合上述規(guī)律。因此，對(duì)這2景影像先利用行政邊界將武漢和咸寧境內(nèi)的部分裁剪下來(lái)，并進(jìn)行單獨(dú)的監(jiān)督分類；對(duì)于其他地區(qū)，則先利用上述NDVI閾值將可能有油菜分布的區(qū)域提取出來(lái)，然后再進(jìn)行監(jiān)督分類(圖3)。

注：A.提取前(TM432合成后的原始影像)；B.提取后(綠色部分，其底層為TM432合成影像)Note：A.Before extraction(raw image after TM432 synthesis)；B.After extraction(green part，the bottom layer was TM432 composite image)圖3 基于TM影像自動(dòng)分類的油菜面積信息提取效果Fig.3 The results of extracting rape’s area based on automatic classification at TM images

3.2基于NDVI雙時(shí)差值的油菜面積信息提取基于NDVI雙時(shí)差值的油菜面積信息提取的主要思路為：對(duì)具有同一傳感器的多時(shí)相影像，采用“先剔除非植被類地物，然后進(jìn)行雙時(shí)NDVI差值分析，最后采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類或多光譜閾值分割”的方法來(lái)提取油菜面積。多光譜閾值分割法是指利用同一幅影像上不同地物的光譜特征差異對(duì)影像進(jìn)行密度分割，最終提取目標(biāo)地物。

3.2.1基于雙時(shí)ALOS/NDVI差值的油菜信息提取。ALOS-20090131和ALOS-20090503的2幅影像上相同地物的NDVI指數(shù)變化為：大多數(shù)油菜區(qū)像元NDVI值表現(xiàn)為1月份大于5月份，而森林以及水生植物則表現(xiàn)出相反的規(guī)律。據(jù)此，可以將1月份的NDVI值減去5月份，從而得到1幅雙時(shí)NDVI差值影像，然后按照“雙時(shí)NDVI差值大于0以及ALOS-20090131影像上NDVI也大于0”或“雙時(shí)NDVI差值大于0以及ALOS-20090131和ALOS-20090503影像上NDVI也都大于0”的原則對(duì)上述2幅影像進(jìn)行裁剪。

經(jīng)過(guò)上述處理，可以將這2幅ALOS影像上水體、道路/建筑物、空閑的耕地等非植被區(qū)以及森林、水生植物、部分非油菜類作物等剔除，余下的影像再根據(jù)地物光譜特征和色彩/色調(diào)差異進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類或多光譜閾值分割(圖4)。

3.2.2基于雙時(shí)SPOT/NDVI差值的油菜信息提取。首先，將SPOT2-20090130與 SPOT4-20081112的NDVI相減，從而得到1幅雙時(shí)SPOT/NDVI差值影像。依據(jù)任一時(shí)期的SPOT/NDVI均應(yīng)大于0原則，分別將SPOT4-20081112和SPOT4-20081112影像上的水體、道路/建筑物、空閑的耕地等非植被區(qū)剔除，余下的部分按照“雙時(shí)SPOT/NDVI差值大于0或者同一像元在2幅影像上的NDVI都大于0.2 ”的原則再次進(jìn)行裁減，此時(shí)SPOT2-20090130和SPOT4-20081112影像上主要包含油菜和少量的其他作物/植被信息。

對(duì)經(jīng)過(guò)上述裁減處理后的SPOT2-20090130和SPOT4-20081112影像，分別根據(jù)地物的光譜特征曲線進(jìn)行密度分割和油菜信息的提取(圖5)。

注：A.ALOS-200901031;B.ALOS-20090503Note：A.ALOS-200901031；B.ALOS-20090503 圖4 基于雙時(shí)ALOS/NDVI差值的油菜信息提取效果(綠色部分)Fig.4 The extracting results of rape area based on ALOS/NDVI difference

圖5 基于雙時(shí)SPOT/NDVI差值的油菜面積信息提取效果Fig.5 The extracting results of rape area based on SPOT/NDVI difference

3.2.3基于雙時(shí)TM/NDVI差值的油菜信息提取。具體處理方法如下：同時(shí)提取TM12339-20090314和TM12339-20081224這2景影像中的NDVI都大于0.2，并且NDVI差值(3月14日的NDVI減去12月24日)大于0的區(qū)域，將處理結(jié)果對(duì)TM12339-20090314影像進(jìn)行掩膜，然后對(duì)掩膜后的影像分別進(jìn)行監(jiān)督分類或光譜閾值分割(圖6)。

注：A.TM12339-20090314；B.TM12339-20081224 Note：A.TM12339-20090314；B.TM12339-20081224 圖6 基于雙時(shí)TM/NDVI差值法的油菜面積信息提取效果(綠色部分)Fig.6 The extracting results of rape area based on TM/NDVI difference

4 結(jié)論

該研究通過(guò)對(duì)多數(shù)據(jù)源、多時(shí)相的遙感影像的湖北省油菜種植面積解譯試驗(yàn)，采用了多種解譯方法，并對(duì)各方法解譯精度進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：

(1)考慮到湖北省農(nóng)作物的物候期，通過(guò)對(duì)農(nóng)作物光譜特征分析，湖北省油菜面積遙感監(jiān)測(cè)的最佳識(shí)別時(shí)相大致位于3月中旬—4月中旬，即油菜的開花期。

(2)提出了基于NDVI雙時(shí)差值的油菜面積信息提取的有效方法。對(duì)具有同一傳感器的多時(shí)相影像，采用“先剔除非植被類地物，然后進(jìn)行雙時(shí)NDVI差值分析，最后采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類或多光譜閾值分割”的方法來(lái)提取油菜面積。

(3)兼顧經(jīng)濟(jì)上可行性和精度要求，建議湖北省油菜面積遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方案為：對(duì)于油菜連片分布的平原地區(qū)(如位于江漢平原的仙桃、天門、潛江、洪湖、漢川以及位于鄂東沿江一帶的武穴和黃梅等地)采用雙時(shí)TM影像，其中至少有1景影像必須成像于油菜開花期(3月中旬—4月中旬)；對(duì)于油菜非成片分布的低山丘陵地區(qū)(咸寧等)采用10m-ALOS影像。