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自然资源遥感  2022, Vol. 34 Issue (3): 184-195    DOI: 10.6046/zrzyyg.2021320
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基于多时相Sentinel-1水稻种植范围提取
查东平1,2(), 蔡海生1(), 张学玲1, 何庆港1
1.江西农业大学/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室,南昌 330045
2.江西旅游商贸职业学院,南昌 330100
Extraction of paddy fields using multi-temporal Sentinel-1 images
ZHA Dongping1,2(), CAI Haisheng1(), ZHANG Xueling1, HE Qinggang1
1. Key Laboratory of Poyang Lake Watershed Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China
2. Jiangxi Tourism and Commerce Vocational College, Nanchang 330100, China
全文: PDF(7594 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

通过遥感手段监测与提取水稻种植范围的是农业现代化管理的重要手段,南方地区春夏季节多云雨天气,难以获得有效的光学数据。为了准确提取多云雨地区的水稻种植范围,以江西省南昌县蒋巷镇为研究区,以Sentinel-1 多时相数据为数据源开展研究。通过早稻生长关键物候期Sentinel-1 SAR数据各地类后向散射系数,计算不同物候期条件下水稻田与其他地类的J-M距离,分析不同物候期SAR数据组合情况下水稻田与其他地类的J-M距离变化,获得提取水稻种植范围的最佳物候期影像。分别采用随机森林法、最大似然法、支持向量机和神经网络法进行分类,并对比验证分类精度。结果表明,孕穗期(6月14日)、三叶期(4月21日)、移栽期(5月3日)、二季晚稻移栽期(7月26日)组合SAR数据为水稻田提取最优时相组合。采用随机森林方法进行分类能够获得较高精度,研究区地物分类总体精度达到0.943,Kappa系数0.932。研究对于多云雨地区采用SAR数据开展水稻田制图,在时相选择和分类方法上有一定的借鉴意义和参考价值。

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查东平
蔡海生
张学玲
何庆港
关键词 遥感监测信息提取SARSentinel-1    
Abstract

The monitoring and information extraction of paddy fields using remote sensing techniques is an important means for modern agricultural management. However, it is difficult to obtain effective optical monitoring data of south China due to the frequent cloudy and rainy weather in spring and summer in this area. To accurately extract information on paddy fields in areas subject to frequent cloudy and rainy weather, this study investigated the paddy fields in Jiangxiang Town in Nanchang County, Jiangxi Province, using multi-temporal Sentinel-1 SAR data as the data source. Specifically, this study calculated the J-M distance between paddy fields and other land types in different phenological periods, analyzed the changes in the distance based on the backscattering coefficients of various land types in key phenological periods, and then obtained the best phenological images for the information extraction of paddy fields. Afterward, this study conducted ground object classification using methods such as random forest, maximum likelihood, support vector machine, and neural network and then compared and verified the classification accuracy. The results are as follows. The combined SAR data of the different stages including booting stage (June 14), trefeil stage (April 21), transplantion period (May 3), and transplanting peried of second season late rice (July 26) is the optimal temporal combination for the information extraction of paddy fields. Higher classification accuracy of ground objects in the study area can be obtained using the random forest method, with overall classification accuracy of up to 0.943 and a Kappa coefficient of 0.932. This study conducted the mapping of paddy fields in areas with frequent cloudy and rainy weather using SAR data and will provide important references for the temporal selection and classification.

Key wordsremote sensing and monitoring    information extraction    SAR    Sentinel-1
收稿日期: 2021-09-30      出版日期: 2022-09-21
ZTFLH:  TP79  
基金资助:国家自然科学基金项目“鄱阳湖流域土地集约利用与生态安全耦合发展及其综合响应机制研究”(31660140);国家自然科学基金项目“亚热带山地草甸退化格局与土壤生态过程研究——以江西武功山为例”(31560150);江西省“十三五”社科规划项“新时期共享型农业经营体系的政策和机制创新研究”(17YJ11);江西省高校人文社科规划项目“新时期农村宅基地退出及其补偿机制研究——以江西省试点情况调研为例”(GL17113);及江西省高校人文社科重点研究基地项目“基于乡村振兴战略下农村土地资源配置制度创新研究”(2018-32)
通讯作者: 蔡海生
作者简介: 查东平(1985-)男,博士研究生,主要从事农业资源与环境相关研究。Email: 345914421@qq.com
引用本文:   
查东平, 蔡海生, 张学玲, 何庆港. 基于多时相Sentinel-1水稻种植范围提取[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(3): 184-195.
ZHA Dongping, CAI Haisheng, ZHANG Xueling, HE Qinggang. Extraction of paddy fields using multi-temporal Sentinel-1 images. Remote Sensing for Natural Resources, 2022, 34(3): 184-195.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2021320      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2022/V34/I3/184
Fig.1  研究区位置
Fig.2  多时相Sentinel-1数据处理方法
Fig.3  无人机飞行轨迹图
Fig.4  无人机录像截图
Fig.5  样本点分布图
Fig.6  随机森林训练流程图
极化 4月9日 4月21日 5月3日 5月15日 6月2日 6月14日 7月8日 7月26日
VV -10.34 -12.23 -10.82 -9.63 -10.65 -11.96 -9.64 -11.47
VH -18.82 -19.92 -20.44 -19.63 -17.98 -19.36 -18.03 -17.39
Tab.1  水稻田不同时相平均后向散射系数
Fig.7  水稻田不同时相平均后向散射系数
地类 4月9日 4月21日 5月3日 5月15日 6月2日 6月14日 7月8日 7月26日
莲田 -16.02 -15.14 -12.46 -11.70 -9.27 -7.84 -11.77 -6.95
林地 -9.58 -8.88 -9.70 -8.25 -7.96 -8.43 -8.21 -8.53
人工表面 -7.46 -5.20 -7.61 -5.37 -5.37 -6.75 -5.47 -6.68
水体 -19.42 -18.26 -18.18 -20.20 -17.47 -19.11 -20.35 -18.95
水稻田 -10.34 -12.23 -10.82 -9.63 -10.65 -11.96 -9.64 -11.47
湿地 -11.20 -10.08 -10.99 -9.34 -8.94 -8.50 -18.98 -20.85
Tab.2  VV极化各地物不同时相后向散射系数
地类 4月9日 4月21日 5月3日 5月15日 6月2日 6月14日 7月8日 7月26日
莲田 -22.27 -21.68 -19.78 -20.08 -16.88 -15.82 -16.91 -14.26
林地 -15.59 -15.01 -16.43 -14.92 -14.02 -14.72 -14.01 -14.98
人工表面 -16.07 -15.04 -16.07 -14.98 -14.34 -15.28 -14.36 -15.35
水体 -25.92 -25.32 -24.34 -25.02 -23.91 -24.28 -24.03 -25.52
水稻田 -18.82 -19.92 -20.44 -19.63 -17.98 -19.36 -18.03 -17.39
湿地 -17.27 -15.42 -16.74 -14.96 -14.30 -14.90 -24.79 -26.81
Tab.3  VH极化各地物不同时相后向散射系数
Fig.8  VV极化各地物不同时相后向散射系数图
Fig.9  不同时相数据地类VV散射系数箱型图
Fig.10  VH极化各地物不同时相后向散射系数
Fig.11  不同时相数据地类VH散射系数箱型图
地类 水稻田
4月9日 4月21日 5月3日 5月15日 6月2日 6月14日 7月8日 7月26日
莲田 1.069 0.516 0.527 0.278 0.078 0.899 1.001 1.455
林地 0.817 1.236 1.264 1.280 1.251 1.390 1.173 1.219
人工表面 0.455 0.915 0.715 0.879 0.857 1.093 0.995 0.930
水体 1.267 1.106 1.318 1.595 1.069 1.604 1.207 1.673
湿地 1.575 0.943 1.113 1.174 1.103 0.536 1.187 1.998
Tab.4  单时相数据水稻田与各地物J-M距离
时相数据组合 类型 莲田 林地 人工表面 水体 湿地
(VV+VH)6.14+(VV/VH)6.14 水稻田 1.305 1.646 1.523 1.599 1.541
(VV+VH)6.14+(VV/VH)6.14+(VV+VH)4.09 水稻田 1.644 1.841 1.672 1.902 1.743
(VV+VH)6.14+(VV/VH)6.14+(VV+VH)4.21 水稻田 1.501 1.914 1.786 1.747 1.852
(VV+VH)6.14+(VV/VH)6.14+(VV+VH)5.03 水稻田 1.635 1.952 1.743 1.827 1.919
(VV+VH)6.14+(VV/VH)6.14+(VV+VH)5.15 水稻田 1.606 1.914 1.713 1.817 1.891
(VV+VH)6.14+(VV/VH)6.14+(VV+VH)6.02 水稻田 1.493 1.840 1.659 1.765 1.767
(VV+VH)6.14+(VV/VH)6.14+(VV+VH)7.08 水稻田 1.524 1.798 1.665 1.778 1.966
(VV+VH)6.14+(VV/VH)6.14+(VV+VH)7.26 水稻田 1.675 1.858 1.682 1.954 1.998
Tab.5  多时相数据水稻田与各地物J-M距离
类型 莲田 林地 人工表面 水体 湿地
J-M距离 1.832 1.979 1.890 1.975 1.999
Tab.6  水稻田与各地物J-M距离
Fig.12  时相优选前分类结果
分类器 准确率(P) 召回率(R) F指数(F) 总体精度(A)
随机森林 0.914 0.960 0.937 0.937
最大似然法 0.913 0.950 0.931 0.927
支持向量机 0.896 0.950 0.922 0.933
神经网络 0.742 0.930 0.825 0.770
Tab.7  时相优选前结果精度比较
Fig.13  时相优选后分类结果
分类器 准确率(P) 召回率(R) F指数(F) 总体精度(A)
随机森林 0.913 0.950 0.931 0.943
最大似然法 0.915 0.970 0.942 0.930
支持向量机 0.862 0.970 0.913 0.923
神经网络 0.936 0.970 0.953 0.907
Tab.8  时相优选后分类结果精度比较
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