基于Landsat8數(shù)據(jù)的梨樹縣玉米種植面積提取研究

摘" 要：吉林省四平市梨樹縣作為全國糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)[1]，穩(wěn)種植面積是該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)。該文基于多時相Landsat8數(shù)據(jù)，結(jié)合全球高精度土地覆蓋數(shù)據(jù)集GlobeLand30數(shù)據(jù)，從影像采樣像元統(tǒng)計到典型地物光譜曲線，逐步識別研究區(qū)內(nèi)的玉米種植區(qū)，從而提取吉林省梨樹縣玉米種植面積數(shù)據(jù)，并對比吉林省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，最終獲取準(zhǔn)確的玉米面積提取方法。研究結(jié)果表明，使用吉林省玉米生長期中抽雄期的多時相Landsat8數(shù)據(jù)進(jìn)行種植面積的識別及提取準(zhǔn)確度較高，其次為乳熟期；多時相Landsat8數(shù)據(jù)在玉米面積的提取方面，乃至農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用方面都有一定的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：梨樹縣；Landsat8數(shù)據(jù)；地物光譜曲線圖；提取玉米種植面積；玉米遙感估產(chǎn)

中圖分類號：P208" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0047-04

Abstract： Lishu County in Siping City of Jilin Province， as a national advanced county in grain production and a national modern agricultural demonstration area， stabling planting area is the top priority of the region's agricultural development. This paper is based on multi-temporal Landsat8 data， combined with the global high-precision land cover dataset GlobeLand30 data， from image sampling pixel statistics to typical feature spectral profiles， the corn growing areas in the study area are identified step by step so as to extract data on corn planting area in Lishu County in Jilin Province， and compared with data from the Jilin Provincial Statistical Yearbook for error analysis and ultimately to obtain an accurate method of extracting corn planting area. The results of the study showed that the identification and extraction of planted area was more accurate using multi-temporal Landsat8 data from the mid-male staminate stage of the corn growing season in Jilin Province， followed by the lactation stage. The multi-temporal Landsat8 data has advantages in the extraction of corn area， and indeed in agricultural remote sensing applications.

Keywords： Lishu County; Landsat8 data; feature spectral profile; corn planting area; remote sensing for yield estimation

習(xí)近平強(qiáng)調(diào)，“中國人的飯碗任何時候都要牢牢端在自己手中，飯碗主要裝中國糧[1]”“對糧食安全不能有絲毫松懈”。當(dāng)今時代衛(wèi)星遙感技術(shù)有大面積觀測地表的能力，能實現(xiàn)周期連續(xù)地對同一地理范圍進(jìn)行觀測，可節(jié)省人力物力，成本低。這些優(yōu)勢使衛(wèi)星遙感技術(shù)成為進(jìn)行大片農(nóng)作物監(jiān)測的理想技術(shù)手段，遙感影像數(shù)據(jù)是進(jìn)行農(nóng)作物監(jiān)測的理想數(shù)據(jù)源[2]。Landsat8是美國陸地衛(wèi)星計劃（Landsat）的第8顆對地觀測衛(wèi)星，于2013年發(fā)射，是相對較新的一顆衛(wèi)星，其上搭載的新一代傳感器陸地成像儀（Operational Land Imager， OLI）包含了植被信息監(jiān)測波段，可以獲取多時相地表植被信息，影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，有較高的空間分辨率（30 m）[3]，非常適用于縣級區(qū)域尺度農(nóng)作物監(jiān)測。且經(jīng)過20年的發(fā)展，全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測工作專家組組長郭華東院長也曾表示：我國利用遙感技術(shù)在糧食估產(chǎn)方面已達(dá)到國際水平[4]。

對于不同地區(qū)玉米種植面積的識別與提取，大多利用不同時間的MODIS遙感影像數(shù)據(jù)對各區(qū)域進(jìn)行研究。而本文以吉林省四平市梨樹縣為研究區(qū)域，基于多時相Landsat8數(shù)據(jù)對吉林省梨樹縣玉米種植面積進(jìn)行識別提取。地物具有不同的光譜特征是進(jìn)行玉米遙感識別的理論基礎(chǔ)。不同地物具有不同的光譜特征表現(xiàn)為不同的農(nóng)作物在衛(wèi)星影像上的色調(diào)不一樣，不同時間段獲取的遙感影像可以顯示出不同農(nóng)作物在不同生長期內(nèi)的光譜信息特征，這樣就可以區(qū)分不同的地表類型和農(nóng)作物類型[5]，從而實現(xiàn)農(nóng)作物的識別，完成種植面積的提取。掌握了農(nóng)作物種植面積信息，就可以繼續(xù)深入進(jìn)行農(nóng)作物的產(chǎn)量遙感估算等研究。綜上，本文基于多時相Landsat8數(shù)據(jù)，通過遙感識別不同地物的光譜特征提取吉林省梨樹縣的玉米種植面積數(shù)據(jù)。

1" 研究區(qū)域概況和數(shù)據(jù)

1.1" 研究區(qū)概況

梨樹縣介于北緯43°02′～43°46′，東經(jīng)123°45′～124°53′之間，總面積3 232 km2。地處松遼平原腹地，是黑土地上的“黃金玉米帶”，耕地面積廣闊（圖1），是典型的農(nóng)業(yè)縣，這里已建成百萬畝（1畝約等于667 m2）國家綠色食品原料（玉米）標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)基地，且全國糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣[6]屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，作物生長期日照、降水較充足。2020年7月22日，習(xí)近平總書記5年來第3次來吉林省考察，首站來到了四平市梨樹縣國家綠色玉米生產(chǎn)基地調(diào)研糧食生產(chǎn)情況[7]。

1.2" 數(shù)據(jù)源概況

本文使用數(shù)據(jù)源如下。

1）Landsat8衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可在網(wǎng)上地理空間數(shù)據(jù)云中免費(fèi)下載獲取。經(jīng)篩選后可用數(shù)據(jù)分別為2016—2019年處于玉米拔節(jié)期、抽雄期、乳熟期、成熟期且其中7—9月份且云量小于等于1%的數(shù)據(jù)，其空間分辨率為30 m，空間坐標(biāo)系為WGS 84坐標(biāo)系。

2）全球土地覆蓋數(shù)據(jù)集Globeland30。可在網(wǎng)站www.globalandcover.com上申請下載。同樣使用30 m的分辨率，選擇2020期梨樹縣所在的圖幅。

3）2016—2019年吉林省梨樹縣玉米種植面積準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。該部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于不同年份吉林省統(tǒng)計年鑒，多數(shù)可從吉林省統(tǒng)計局官網(wǎng)獲取。

2" 研究方法

2.1" 研究思路

該研究的主要流程為：可用遙感數(shù)據(jù)的篩選及下載、遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、提取典型地物光譜曲線、構(gòu)建決策數(shù)、識別及提取玉米種植面積、對比統(tǒng)計數(shù)據(jù)。整體流程如圖2所示。

此前，國內(nèi)對玉米種植面積的提取大多基于不同時間的MODIS遙感影像數(shù)據(jù)、玉米不同維度下的空間差異和物候差異呈現(xiàn)不同光譜特征并結(jié)合MODIS EVI時間序列等數(shù)據(jù)。相較于其他數(shù)據(jù)的研究內(nèi)容，本研究基于新一代中高分辨率遙感衛(wèi)星多時相Landsat8數(shù)據(jù)探索玉米遙感的應(yīng)用，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有大面積觀測地表的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)周期連續(xù)的對同一地理范圍進(jìn)行觀測，可以節(jié)省人力物力，成本低，更能夠準(zhǔn)確地提取玉米種植面積。

2.2" 影像處理

對于Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)，其一是基于ENVI軟件依次對其進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和研究區(qū)裁剪等圖像預(yù)處理操作；其二要基于影像采樣像元特征統(tǒng)計生成器光譜曲線圖，并據(jù)其分析研究區(qū)內(nèi)個地表類型在不同波段的反射率值特征，從而構(gòu)建光譜決策樹，其結(jié)果如圖3所示，識別出如圖4所示研究區(qū)內(nèi)的玉米種植區(qū)；其三因要對圖像中的植被進(jìn)行處理，因此對影像采用標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成顯示，便于觀察解譯。

在Globeland30數(shù)據(jù)的處理上，需基于ArcGIS軟件利用吉林省梨樹縣行政區(qū)的矢量邊界對2020期編號為N51_40的圖幅進(jìn)行研究區(qū)裁剪，后將裁剪后的數(shù)據(jù)進(jìn)行耕地的掩膜處理，進(jìn)而對梨樹縣玉米種植面積給定最大限度的范圍，并觀察對比吉林省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)中玉米種植面積與掩膜中梨樹縣總耕地面積之間的關(guān)系，以糾正分類數(shù)據(jù)。

2.3" 數(shù)據(jù)處理

將識別后梨樹縣玉米種植區(qū)域通過屬性表進(jìn)行面積統(tǒng)計，得到提取的面積數(shù)據(jù)。同時在下載的眾多年份的吉林省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)中，查找農(nóng)業(yè)范疇內(nèi)的吉林省梨樹縣玉米種植面積及玉米產(chǎn)量的數(shù)值，對其進(jìn)行匯總整理。并結(jié)合吉林省玉米生長期的月份及對應(yīng)可用的Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)與2020的GlobeLand30數(shù)據(jù)，篩選所有可用數(shù)據(jù)，并與基于影像識別提取的玉米面積數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

針對吉林省梨樹縣玉米種植面積的提取結(jié)果，本文采用面積誤差統(tǒng)計進(jìn)行精度驗證，即計算遙感識別的玉米種植面積與統(tǒng)計年鑒中玉米種植面積數(shù)據(jù)之間的誤差，誤差公式為

Esta= ×100%，

式中：Esta表示面積提取誤差，A表示遙感識別的玉米面積，A′表示統(tǒng)計年鑒的玉米種植面積。對得到的所有數(shù)據(jù)匯總整理進(jìn)行綜合對比處理，得到如圖5、圖6所示的面積對比圖及誤差圖。

在玉米生長的4個階段中，因不同玉米生長階段的Landsat8數(shù)據(jù)影像相差較大，造成最終的分類規(guī)則不同，進(jìn)而提取的面積區(qū)域不同，其結(jié)果和提取精度也有所差異，在誤差分析及面積綜合對比圖上均有所體現(xiàn)。

2.4" 研究分析

研究發(fā)現(xiàn)，在玉米拔節(jié)期、乳熟期和成熟期提取的面積值均小于實際值，而抽雄期則略高于實際值，拔節(jié)期與成熟期面積提取誤差較大。

結(jié)合玉米各個生長時期的葉片特征變化，發(fā)現(xiàn)在玉米拔節(jié)期，因其植株葉片數(shù)量剛達(dá)到一個小數(shù)量，葉片發(fā)育不完全，植被覆蓋度有限，因此此時從影像數(shù)據(jù)中提取的面積數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于實際值；作物生長到抽雄期，是玉米生長過程中發(fā)育最快的一個時期，葉片數(shù)量與長度均達(dá)到正常，因此，此時對該地區(qū)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行面積提取誤差最小，從另一方面來說，作物根、莖、葉的繁茂也會一定程度超出真實播種范圍，導(dǎo)致數(shù)據(jù)略高于實際值；作物乳熟期內(nèi)，其苞葉表現(xiàn)為顏色變淺但仍為綠色，從而使該時期提取的面積數(shù)據(jù)誤差仍較小且數(shù)值低于實際值；成熟期時，大部分植株中下部的葉片會變黃，基部葉片也變干枯，這也導(dǎo)致了衛(wèi)星影像中玉米目視解譯中無法避免的誤差影響，使提取的玉米種植面積小于真實值。

在多時相Landsat8影像的合理性上，抽雄期及乳熟期的誤差結(jié)果有力地證明了該類衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對于作物面積的識別提取，甚至是作物的遙感估產(chǎn)，都有著極大的優(yōu)勢，基于多時相Landsat8數(shù)據(jù)進(jìn)行作物遙感應(yīng)用的合理性極好，從而便于繼續(xù)進(jìn)行更深入的研究。

3" 結(jié)論

本文利用多時相Landsat8衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合Globeland30數(shù)據(jù)對吉林省梨樹縣玉米種植面積進(jìn)行了提取研究，并基于面積誤差統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行誤差分析，得到如下結(jié)論。

1）在玉米種植面積提取方面，應(yīng)選用玉米生長期中的抽雄期或乳熟期，抽雄期提取精度更高，其次是乳熟期。這兩個時期即8月份的數(shù)據(jù)中基于多時相Landsat8數(shù)據(jù)提取出的結(jié)果更接近實際值，誤差更小。

2）使用多時相Landsat8數(shù)據(jù)對吉林省梨樹縣玉米種植面積進(jìn)行提取的方法是可行的，更是具有合理性的。該數(shù)據(jù)在農(nóng)作物的遙感應(yīng)用方面也具有一定獨(dú)特的優(yōu)勢。

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