基于遙感技術(shù)的小麥種植面積變化研究
——以河南省洛陽市偃師區(qū)為例

河南省鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心 劉玉昕

俗話說：“河南熟，天下足。”河南省小麥生產(chǎn)在全國糧食作物生產(chǎn)中占有重要地位。小麥作為河南省的主要糧食作物，其種植面積是影響區(qū)域糧食總產(chǎn)量的主要因素。及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測小麥種植面積變化情況，對小麥產(chǎn)量估算、農(nóng)業(yè)資源管理、糧食安全政策制定等有著重要意義。傳統(tǒng)的小麥實(shí)地勘察方法精度較低，還耗費(fèi)巨大的人力物力。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)數(shù)字化的推進(jìn)和遙感技術(shù)的發(fā)展，利用遙感手段對區(qū)域內(nèi)小麥種植情況進(jìn)行監(jiān)測具有成本低、精度高、覆蓋范圍廣、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢。

本文以河南省洛陽市偃師區(qū)為例，采用哨兵Sentinel-2 號衛(wèi)星遙感影像作為數(shù)據(jù)源，通過目視解譯和野外調(diào)查相結(jié)合的方法，監(jiān)測了偃師區(qū)2021—2022年小麥種植面積的變化，并分析其變化原因。

一、偃師區(qū)概況

偃師區(qū)位于河南省中西部地區(qū)，南屏嵩岳、北臨黃河，地理坐標(biāo)位于東經(jīng)112°26′15″～113°00′00″和北緯34°27′30″～34°50′00″，總面積668 km2，地表形態(tài)大體可分為山地、丘陵、坡地、平原四種類型。這里光照充足，氣候溫和，平均氣溫14.8 ℃，0℃以上積溫5 419.3℃，年平均降水量537.3 mm，無霜期313 d，年日照時(shí)數(shù)為2 045.1。偃師區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件優(yōu)越，種植作物類型主要包括小麥、蔬菜、玉米、鮮食葡萄、花卉苗木等。

二、數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

（一）遙感影像

本文使用的影像數(shù)據(jù)為哨兵Sentinel-2號衛(wèi)星影像，是公眾可以免費(fèi)獲得的最高空間分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)，也是唯一一個(gè)在紅邊范圍含有3 個(gè)波段的數(shù)據(jù)，這對監(jiān)測植被信息和地表變化有著很大優(yōu)勢，可以作為提取河南省洛陽市偃師區(qū)小麥種植信息的數(shù)據(jù)源。

受2021 年“7·20”暴雨的影響，洛陽市偃師區(qū)2022 年小麥播種高峰較往年推遲了15 天左右。結(jié)合天氣條件，研究選取了2021 年2 月19 日和2022 年3月11 日的哨兵影像。第一步是利用歐空局提供的插件Sen2cor 對該數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正和輻射定標(biāo)。第二步是利用SNAP 軟件進(jìn)行波段選擇、數(shù)據(jù)重采樣輸出、波段融合，合成10 米多波段數(shù)據(jù)。第三步是利用ENVI 軟件將合成后的遙感影像進(jìn)行圖像融合、圖像鑲嵌處理。最后是使用洛陽市偃師區(qū)的矢量邊界數(shù)據(jù)裁剪融合后的圖像，得到偃師區(qū)2021 年2 月19 日和2022 年3 月11 日的10 m 的哨兵2A 多波段圖像。

（二）地面樣點(diǎn)數(shù)據(jù)

本研究針對偃師區(qū)不同作物類型開展實(shí)地調(diào)查，利用“地面GPS+WLAN+移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)”的定位模式，采集到50 個(gè)樣本進(jìn)行解譯點(diǎn)標(biāo)識。采集的樣本主要有小麥、花卉苗木、葡萄園、中藥材、大棚、裸地等。

三、小麥識別及面積提取

本研究解譯不同作物類型的方法是利用ENVI 軟件對2021 年和2022 年偃師區(qū)的影像進(jìn)行相同尺度的解譯，結(jié)合野外調(diào)查采集的樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)而識別小麥、裸地、林地、居民地、水體、山體等典型地物。不同類型作物光譜特征的差異可以作為分類提取作物種植信息進(jìn)行的根據(jù)。

以小麥和裸地為例，圖1 和圖2 分別為在B8、B3、B2 波段組合下小麥和裸地的光譜特征曲線。在該波段下，遙感影像上小麥顏色呈現(xiàn)淡紅色，而裸地呈現(xiàn)亮白色，這是區(qū)分不同地物類型的依據(jù)。

圖1 小麥光譜曲線

圖2 裸地光譜曲線

本次分類采用ENVI 監(jiān)督分類的方法，使用最大似然監(jiān)督分類法進(jìn)行分類。分類后對樣本進(jìn)行可分離度評價(jià)，結(jié)果如下頁表1 所示，小麥與其他樣本之間的可分離度良好，均在1.9 以上。

表1 小麥與其他樣本之間可分離度

重分類利用ArcGIS 軟件進(jìn)行，提取和統(tǒng)計(jì)全區(qū)小麥種植面積，具體分布如圖3 所示。

圖3 偃師區(qū)小麥種植分布遙感監(jiān)測圖

經(jīng)過對2021 年和2022 年偃師區(qū)的小麥分類結(jié)果的計(jì)算和比較，筆者發(fā)現(xiàn)2022 年偃師區(qū)小麥面積較2021年有所增加，增幅達(dá)10%。

四、研究結(jié)果與分析

本文以哨兵Sentinel-2 號衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，采用最大似然監(jiān)督分類法提取研究區(qū)的小麥種植面積信息，并結(jié)合樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，總體分類精度達(dá)92%。

解譯結(jié)果表明，偃師區(qū)2022 年小麥面積較2021 年增加了10%左右。經(jīng)調(diào)查分析，研究認(rèn)為小麥面積的增長有兩方面的原因：一是受2021 年河南省“7·20”暴雨影響，偃師區(qū)大量葡萄園及部分其他作物生長條件遭到破壞，土壤水分含量高，不適宜繼續(xù)種植其他作物，尤其是葡萄，較往年減產(chǎn)六七成。二是受國際形勢和宏觀環(huán)境的影響，2022 年小麥價(jià)格增幅較大，大多數(shù)農(nóng)民選擇改種小麥，小麥種植面積增加。