吉林一號衛星在鹽堿地精細提取中的應用—以吉林省乾安縣為例

文|李 彤 王春月 范昕桐

長光衛星技術股份有限公司

一、前言

土壤鹽堿化是指土壤含鹽量太高（超過0.3%），而使植物不能生長或者作物低產[1]。形成鹽堿地的條件有：氣候干旱和地下水位高；地勢低洼，沒有排水出路[2]。地下水都含有一定的鹽份，如其水面接近地面，而該地區又比較干旱，由于毛細作用上升到地表的水蒸發后，便留下鹽分，日積月累，土壤含鹽量逐漸增加，形成鹽堿地。土地的鹽堿化是當今世界土地種植面積退化的主要原因之一，也是各個國家重視的難題。我國的鹽堿地主要集中在濱海地區、華北及華東平原和西北內陸地區，土地的鹽堿化使大量可耕種的土壤退化，一定程度上削減了中國農業的綜合生產能力，因此研究土地鹽堿化的監控及控制措施刻不容緩[3]。

目前，獲取鹽堿地分布的方法有以下幾種:人工相機拍照、激光掃描、區域內攝像頭監控、無人機航測、衛星遙感數據。前四種往往需要大量的人力投入，且無法宏觀、快速獲取鹽堿地信息。衛星遙感技術具有探測范圍大、光譜信息豐富、觀測角度高等特點[4-5]，有利于對區域土地鹽堿化分布及其程度進行認知，可以為鹽堿地整治規劃提供數據依據。

本文以吉林省乾安縣為研究區，以“吉林一號”0.75m 分辨率衛星影像為數據源，研究鹽堿地精確提取的方法，快速、全面和定量地提取鹽堿地信息，并對提取的鹽堿地結果進行匯總、分析，得到鹽堿地的定量化分析結果，為制定高效的鹽堿地整治規劃措施提供可靠的數據依據。

二、研究區域與數據源

1. 研究區域介紹

吉林省乾安縣隸屬于松原市，地處吉林省西北部，松原市西部，123.417° E—124.387° E，45.304° N—44.64° N。乾安縣位于松嫩平原腹地，松花江、嫩江匯合處以南，全縣面積約為3616km2。吉林省乾安縣地勢平坦，屬于溫帶半干旱半濕潤氣候區，四季分明，全年溫度變化較大，無霜期短。乾安縣低洼處較多，溶解于水的鹽分隨著水存于此處，且難以排出，因此容易導致鹽分在土壤的表層堆積，從而導致土壤鹽堿化程度較為嚴重。

2. 研究數據源介紹

吉林一號星座是長光衛星技術股份有限公司在建的核心工程，由138 顆涵蓋高分辨、大幅寬、視頻、多光譜等系列的高性能光學遙感衛星組成。截至2022 年8 月，吉林一號在軌衛星數量達到70 顆，可對全球任意地點實現每天23 至25 次重訪，具備全球一張圖一年更新2 次、全國一張圖一年更新6次的能力。吉林一號重訪高、分辨率高、幅寬大等優勢可以為土壤環境監測提供豐富的遙感數據和產品服務[6]。

本次吉林省乾安縣鹽堿地精細提取采用吉林一號寬幅01A 衛星作為主要數據源，其衛星空間分辨率為 0.75m，包含藍光、綠光、紅光以及近紅外四個光譜通道。衛星影像數據的獲取和處理均需滿足兩個要求：一是衛星數據質量要求，要求云量低于10%，側擺角低于±10°，二是鹽堿地的空間紋理特征與積雪類似，因此為了去掉積雪帶來的影像，影像拍攝時間需排除冬季。最終選擇的衛星遙感影像獲取時間為2021 年6 月11 日10時，云量為1%，側擺角為-6.99°，效果理想，滿足應用的要求，松原市乾安縣吉林一號衛星遙感影像圖如圖1 所示。鹽堿地等級的界定、遙感特征與影像樣本如表1 所示。

圖1 松原市乾安縣吉林一號衛星遙感影像圖

三、鹽堿地精細提取

1. 鹽堿地程度分級標準

鹽堿地按照嚴重程度可以分為三種等級：重度鹽堿地、中度鹽堿地和輕度鹽堿地[7-8]。各種等級的界定、遙感特征與影像樣本如表1，表中的衛星遙感影像樣本均來源于圖1。

2. 采用的乾安縣鹽堿地精細提取方法

為了實現乾安縣鹽堿地的精細提取，本文使用吉林一號高分辨率遙感影像，技術路線圖如圖2 所示。衛星遙感影像經過預處理后，獲取樣方并進行目視解譯得到帶標記的樣方，分為訓練集、驗證集和測試集。在藍光、綠光、紅光以及近紅外四個光譜通道中，鹽堿地與道路的光譜特性比較相似，因此無法僅用光譜特性對鹽堿地進行提取，需要利用大量的空間特征，而對于提取高分辨率影像中地物的空間特征而言，語義分割方法通常能夠取得比像素級分類更好的結果。本案例使用語義分割方法對高分辨率遙感影像中的鹽堿地進行提取，所用的語義分割方法為DeepLabv3+（一種用于語義圖像分割的基于擴張可分離卷積的編碼器- 解碼器結構），該方法引入特征融合策略，使網絡保留了比較多的淺層信息，同時它也加入了深度可分離卷積來對分割網絡的速度進行優化，最終得到較好的分割邊界[9]。經過DeepLabv3+ 模型預測得到的結果，再進行Majority/MinorityAnalysis（主/次要分析）實現后處理，優化提取結果。最后，使用測試集對提取結果進行精度驗證。

圖2 利用吉林一號衛星遙感影像進行鹽堿地提取技術路線圖

3.乾安縣鹽堿地精細提取

利用2021 年6 月11 日吉林一號高分辨率衛星遙感影像，使用語義分割方法進行乾安縣鹽堿地精細提取，分析乾安縣鹽堿地分布和程度信息。乾安縣鹽堿地提取結果如圖3 所示，為了驗證提取結果準確性，目視解譯30 個512 像素×512 像素大小的樣方標簽作為測試集，具有代表性的各類型鹽堿地樣方真彩色影像、地物標簽、提取結果如圖4 所示，觀察提取結果的細節可以發現，重度、中度、輕度的鹽堿地區分良好，邊界比較清晰，對于尺寸較小的細碎地塊提取效果十分理想。經樣方驗證的總體精度為94.60%，Kappa 系數為0.9068，詳見表2。提取的鹽堿地總面積約為156km2，其中重度鹽堿地占比約為19.8%，中度鹽堿地占比約為54.1%，輕度鹽堿地占比約為26.1%。

表 2 各類鹽堿地提取精度

圖 3 乾安縣鹽堿地分布圖

圖 4 部分樣方

通過與基于隨機森林分類的Sentinel-2A/B 影像土地利用分類[10]、基于全卷積神經網絡的高分一號影像鹽堿地提取[11]、基于鹽堿化監測指數的Landsat 影像鹽堿地提取進行對比[12]，本文基于語義分割方法的吉林一號高分辨率影像鹽堿地提取結果分辨率更高，精度更優。

四、結論

基于吉林一號高頻次、高覆蓋、高空間分辨率的衛星遙感影像可以進行鹽堿地精細提取,高效地提取出不同嚴重程度的鹽堿地，且邊界清晰。使用語義分割方法，選取吉林省松原市乾安縣作為研究區域，提取效果較好，提取結果經樣方驗證的總體精度為94.60%，Kappa 系數為0.9068。

通過吉林一號衛星影像分析研究區內土壤鹽堿化的形成原因，從自然因素看，研究區內地形低洼平坦，存在大量水坑，造成大量鹽分聚集。從人類活動因素看，研究區內耕地占比大，草地退化現象較為嚴重。乾安縣鹽堿化程度以中度為主，重度和中度鹽堿地多集中在乾安縣中西部的水坑周圍，輕度鹽堿地多分布在中東部，分散于耕地、水坑周圍。在鹽堿地規劃整治措施上，應因地制宜，根據土壤鹽堿程度分區制定改良策略。