农作物种植面积遥感估算的影响因素研究
张焕雪1, 李强子1, 文宁2, 杜鑫1, 陶青山2, 田亦陈1
1.中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100101
2.湖南省国土资源规划院,长沙 410007
通信作者:李强子(1970-),男,博士,研究员,主要从事农业、生态与高分辨率遥感监测技术研究。Email: liqz@radi.ac.cn

第一作者简介:张焕雪(1988-),女,博士研究生,主要研究方向为农业遥感。Email: zhanghx@radi.ac.cn

摘要

针对不同的农作物种植结构区,研究影响遥感影像分类各因素与农作物种植面积估算精度的定性和定量关系是十分必要的。以RapidEye影像提取的早稻种植信息为研究对象,从农作物的种植成数、种植破碎度和地块形状指数3个角度进行了不同空间分辨率下各因素对农作物面积监测的影响研究。结果表明:随着农作物种植成数的降低,种植结构越来越破碎,种植地块趋于狭长分布,各分辨率下农作物面积估算精度均呈递减趋势;要达到85%以上的面积估算精度,当作物种植成数在50%以上时,可选取高于150 m分辨率的遥感数据;当作物种植较为破碎时,需要在提高影像空间分辨率的同时融入其他技术手段;当作物种植地块为狭长分布时,提高影像的空间分辨率并不能保证面积估算精度,必须通过其他技术手段达到精度要求;并最终得到了4种影响因素对面积估算精度的定量评估模型。研究结果为解决不同农作物种植结构区遥感数据的选择、面积估算精度的提高,以及在特定研究区和数据源条件下可达到的面积估算水平等问题提供了理论基础。

关键词: 遥感估算; 种植面积; 农作物; 影像分类; 精度
中图分类号:TP 751.1; P 237 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2015)04-0054-08 doi: 10.6046/gtzyyg.2015.04.09
Important factors affecting crop acreage estimation based on remote sensing image classification technique
ZHANG Huanxue1, LI Qiangzi1, WEN Ning2, Du Xin1, TAO Qingshan2, TIAN Yichen1
1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Beijing 100101, China
2. Hunan Province Land and Resources Planning Institute, Changsha 410007, China
Abstract

It is necessary and valuable to study the effect of influencing factors of crop classification on crop acreage estimation from both qualitative and quantitative points of view. Therefore, the authors analyzed the resolution effect on the acreage estimation accuracy by using RapidEye imagery. Spatial statistics methods and manifold accuracy evaluation indices were used respectively to analyze the data with different index statistics of crop proportion, crop fragmentation and shape. The results show that decreased crop proportion and increased crop fragmentation and shape index will lead to reducing regional accuracy under all resolutions. And in order to keep the accuracy higher than 85%, we can select any resolution higher than 150 m data when the crop proportion is higher than 50%, so as to achieve the accuracy requirements. As merely improving resolution cannot guarantee the crop acreage estimation accuracy when the crop land exhibits long and narrow distribution, other technology must be adopted in this case. Finally the quantitative influence model of the four factors for crop acreage estimation accuracy is built. The results of this paper would provide academic reference for resolving the problem of data selection and accuracy improvement in crop acreage estimation by remote sensing.

Keyword: remote sensing estimation; planting acreage; crop; image classification; accuracy
0 引言

农作物种植面积是影响农产品产量的重要因素之一[1]。快速、准确、可靠的农作物种植面积调查结果, 已经成为国家农业政策分析和粮食宏观决策的重要支持信息之一[2]。遥感技术因其具有大范围的宏观观测能力和客观性, 一直在农作物种植面积调查中发挥着重要作用, 利用遥感影像进行各种农作物识别与面积估算的技术和方法也得到快速发展。农作物类型遥感识别从最初的人工目视判读[3]到利用影像光谱特征进行监督和非监督分类[1, 4, 5], 目前已经在利用遥感影像的时相特征[6, 7, 8]、散射极化特征[9, 10, 11]、空间特征[12, 13]等领域取得全面突破。为了提高分类精度, 还发展了混合像元分解技术、面向对象的影像分类技术、多源数据融合技术[14, 15]、辅助数据分析技术[16]以及新的分类识别模式[17, 18]等。

目前, 农作物的遥感识别已经形成了多源、多尺度遥感数据在像元、亚像元和对象尺度的各类监督和非监督分类方法, 并发展了各类参数化和非参数化的分类算法[19]。但更高的分类精度是不断追求的目标。尽管科学家们充分利用遥感技术获取多源遥感数据, 并一直致力于提高农作物的分类精度[14, 20]; 但目前关于不同影像特征(分辨率、时相等)以及农作物种植地块特征等对分类精度的影响方面, 还没有得出一致性结论。针对某一具体研究区, 要满足预期的分类精度, 应当设计什么样的监测方案, 选用多大分辨率的遥感影像, 采用哪些特征进行分类, 确定的监测方案和数据源可以达到多高的分类精度等等, 一直没有给出满意的结果[21]

本文以湖南省澧县水稻产区为实验区, 以利用5 m分辨率的RapidEye影像提取的早稻种植信息为研究对象, 模拟一系列不同分辨率的遥感数据, 旨在分析影响农作物遥感识别的各主要因素(种植成数、种植破碎度和地块形状指数)在不同分辨率下对农作物面积估算精度的影响规律, 建立各因素对农作物面积估算精度的综合影响模型, 为解决不同作物种植结构区遥感数据的选择、面积估算精度的提高方式, 以及特定研究区和数据源可以达到的面积估算精度水平等问题提供理论依据和实验基础。

1 实验区概况与数据源
1.1 实验区概况

本文的实验区位于湖南省中北部澧县和临澧县境内, 中心位置的地理坐标为E111° 39'21″, N29° 49'37″(图1)。

图1 实验区地理位置及RapidEye影像Fig.1 Geo-location and RapidEye image of experimental area

该区属亚热带湿润气候区, 年降水量为1 200~1 500 mm; 四季温差明显, 年平均气温16° ~18℃。种植的农作物类型主要有水稻、棉花和少量的大棚葡萄、蔬菜等。其中, 水稻是主要的粮食作物, 其种植结构主要是双季稻或单季稻。单季中稻主要是6月初移栽, 9月初收获; 双季早稻生长季主要是从5月初到7月中下旬; 晚稻主要是7月下旬种植, 11月收获。

1.2 数据源

根据实验区主要农作物的物候历及遥感影像的质量, 本文选取了2012年6月19日获取的RapidEye影像。该影像清晰度好, 覆盖实验区面积约为25 km× 20 km(图1); 空间分辨率5 m, 幅宽77 km, 5个波段的波谱范围分别是B1(0.44~0.51 μ m), B2(0.52~0.59 μ m), B3(0.63~0.685 μ m), B4(0.69~0.73 μ m)和B5(0.76~0.85 μ m), 其中B4是红边波段。成像时双季早稻处于抽穗期, 而单季中稻处于移栽期, 比较适合早稻信息的提取。

对RapidEye影像的处理主要包括辐射定标和几何纠正。辐射定标[17]是将影像的DN值转化为大气顶归一化光谱反射率, 并采用FLAASH模型[22]进行大气校正; 几何纠正则以USGS提供的实验区TM影像作为参考影像, 采用二次多项式方法对RapidEye数据进行几何精纠正, 选取了40个地面控制点, 使纠正误差控制在0.5个像元内。

此外, 在早稻提取过程中, 还采用了取自国土资源二调土地利用数据集中的湖南省水田分布数据以及2012年6月采集的7个野外样方数据(图2)。

图2 水田及7个地面调查样方Fig.2 Paddy field and 7 field survey plots

2 研究方法
2.1 技术路线

本文首先利用RapidEye 数据分类进行实验区早稻种植地块的提取, 作为实验研究的近似真值; 然后以该早稻提取结果为基础, 通过尺度扩展构建不同分辨率影像序列, 并将实验区均匀布设成1 km× 1 km样区, 计算每个样区内早稻的种植成数、种植破碎度及地块形状指数指标; 再通过统计面积估算精度及标准差, 分析作物分类的主要影响因素(种植成数、种植破碎度和地块形状指数)随不同影像空间分辨率对农作物面积估算精度的影响规律; 最终建立影像空间分辨率和上述3个指标共4种因素对农作物面积估算精度的综合影响模型。总体技术路线如图3所示。

图3 各因素影响分析技术流程Fig.3 Flowchart of all factors analysis

2.2 早稻种植地块提取

在实验区1:1万比例尺水田数据的支持下, 首先从RapidEye影像中提取出水田区域; 然后利用实地调查数据, 选取8 319个像元作为训练样本, 采用最大似然分类(MLC)、支持向量机(SVM)和人工神经网络(ANN)3种分类方法得到早稻种植地块分布信息, 并估算其面积。根据野外实测样方得到的7 142个验证样本对分类结果进行精度验证, 将精度最高的SVM分类结果(总体分类精度95.99%, Kappa=0.89)作为5 m分辨率早稻分布的“ 准真值” , 以便进行后续研究。

2.3 多分辨率影像序列获取

本文通过尺度扩展方法对利用RapidEye影像提取的早稻种植地块分布数据进行重采样, 获得不同分辨率的影像序列。常用的尺度扩展方法主要包括简单平均法、中心像元法、最近邻法、双线性内插和立方卷积等[23, 24]。其中, 最近邻法、双线性内插和立方卷积是常用的方法; 但Hay等[25]发现, 这3种方法在尺度转换因子大于5时, 不适合将影像从高分辨率转换到低分辨率。故本文采用了简单平均法进行影像的尺度扩展。

2.4 遥感分类精度的影响因素

通过将实验中分类得到的农作物类型与地面调查得到的实地农作物分布类型进行比较分析, 发现农作物的种植成数[26](即面积比例)、种植破碎度[27](即集聚程度)以及地块的形状指数[28]均对农作物遥感识别精度具有明显的影响。因此, 本文将25 km× 20 km的实验区均分成500个面积为1 km× 1 km的样区, 计算每个样区内原始5 m分辨率和一系列较低分辨率下的早稻的种植成数、种植破碎度和地块形状指数; 分析其尺度效应, 并通过多元线性回归分析得到4种因素与面积估算精度之间的关系模型。2.5 精度评价为全面分析上述4种因素对农作物面积监测的影响, 本文从面积估算精度和估算精度的稳定性2个方面进行评价。

1)面积估算精度Ki是用来比较相对精度的指标, 按式(1)计算得到, 即

Ki=1-Ai-A0A0×100%, (1)

式中:A0为从5 m分辨率RapidEye影像得到的早稻面积, 本文将该值作为基准值; Ai为由尺度转换得到的某种较低分辨率(i)下提取的早稻面积。

2)估算精度的稳定性以面积估算精度平均值的标准差δ (i)来衡量, 用来反映整个实验区各个样区间早稻估算精度的离散程度(即与整个实验区早稻平均面积估算精度 K¯i的偏离程度), 计算方法为

δ(i)=1ni=1nKi-K¯i2。 (2)

3 结果与分析
3.1 种植成数的影响

本文通过计算不同分辨率下的早稻种植面积百分比, 发现随着种植成数的升高, 面积估算精度呈增加趋势, 而且精确度也逐渐趋于稳定。图4给出了10 m分辨率模拟影像中500个1 km× 1 km样区的面积估算精度与种植成数的二维散点图。

图4 10m分辨率影像分类时农作物种植成数与面积估算精度关系散点图Fig.4 Scatter plots of crop proportion and area estimation accuracy under 10 m resulation image classification

图4可以看出, 在较低的种植成数水平下, 面积估算精度具有较大的分散性(即精确度较低); 而随着种植成数的提高, 面积估算精度趋于收敛, 表明作物面积估算误差也越来越小; 且能实现对作物面积的无偏估计, 当种植成数超过60%, 面积估算精度稳定在85%以上。

为进一步考察随影像空间分辨率的变化作物种植成数与面积估算精度的关系, 本文将种植成数指标从0~100%进行分组统计, 共分为10组(组间距10%), 分别统计不同空间分辨率下、不同种植成数水平与对应样区的面积估算精度和平均标准差的变化趋势(图5)。

图5 不同分辨率影像分类时农作物种植成数与面积估算精度(左)/标准差(右)的关系Fig.5 Relationship between crop proportion and area estimation accuracy (left)/standard deviation(right) under different resolution image classifications

图5可以看出, 随着农作物种植成数的增加, 各分辨率下的作物面积估算精度均呈增加趋势, 而标准差均呈递减趋势。作物种植成数低于10%时, 各分辨率下的面积估算精度均处于最低值, 而标准差均处于最大值; 且随着空间分辨率的降低, 面积估算精度越来越低、标准差值越来越大, 即面积估算精度的离散程度越来越大, 面积估算结果越来越不稳定。当分辨率降至150 m时, 面积估算精度仅为45%, 标准差则大于25%。表明在种植成数低于10%时, 要达到85%以上的面积估算精度, 且保证估算标准差接近于0, 需要采用分辨率高于10 m的遥感数据源。随着种植成数和影像分辨率的提高, 各分辨率下的面积估算精度呈现出较快的增长趋势, 并在种植成数达到40%~50%时接近最高并逐渐稳定在85%以上; 相反, 面积估算精度标准差则随着种植成数和分辨率的提高出现显著的降低趋势, 并在达到40%~50%的种植成数水平时, 稳定在4%以下。说明当作物种植百分比在50%以上时, 要想达到85%的分类精度, 可以选取分辨率高于150 m的遥感数据。

3.2 种植破碎度的影响

由于我国自然环境和种植制度的复杂性, 作物“ 插花” 种植现象普遍存在[29]。本文研究了农作物种植破碎度与种植面积估算精度的关系, 并对500个样区的结果进行了统计分析, 发现随着种植破碎度的提高, 种植面积估算精度趋于降低(图6)。

图6 10m分辨率影像分类时农作物种植破碎度与面积估算精度关系散点图Fig.6 Scatter plots of crop fragmentation and area estimation accuracy under 10 m resulation image classification

图6可以看出, 在农作物种植破碎度较高的情况下, 面积估算精度具有趋于分散和低精确度特征。亦即随着种植破碎度的降低, 面积估算精度趋于收敛且稳定; 而随着作物种植的分散化, 面积估算误差不断递增, 当种植破碎度高于0.7时, 面积估算精度很难保证足够的精度, 基本在85%以下。

为进一步考察不同空间分辨率影像分类中作物种植破碎度与面积估算精度的关系, 对种植破碎度指标0~1.3进行分组实验, 共分9组(组间距如图7所示), 分别统计不同的种植破碎度级别对应样区的面积估算精度和平均标准差在不同空间分辨率下的变化趋势(图7)。

图7 不同分辨率影像分类时农作物种植破碎度与面积估算精度(左)/标准差(右)的关系Fig.7 Relationship between crop fragmentation and area estimation accuracy (left)/standard deviation(right) under different resulation image classifications

图7可以看出, 随着种植破碎度的增加和影像分辨率的降低, 各种分辨率条件下的作物面积估算精度均呈递减趋势, 标准差则基本呈递增趋势。作物种植破碎度指数为0~0.5时, 种植较为完整, 各分辨率下的面积估算精度均处于最高水平, 标准差均处于最低水平; 随着影像空间分辨率的降低, 面积估算精度越来越低, 当分辨率降低至150 m时, 面积估算精度仅为55%。表明在0~0.5破碎度等级下, 要达到85%以上的面积估算精度, 且保证估算标准差接近于0, 需要采用空间分辨率高于20 m的遥感数据。随着种植破碎度指数从0.5逐步增加, 各分辨率下的面积估算精度呈降低趋势, 标准差表现出增加趋势; 但分辨率为10 m的数据除外, 该分辨率下作物面积估算标准差随种植破碎度的变化基本不变, 说明当采用高于10 m分辨率的遥感数据时, 作物种植破碎度已经不是影响其面积估算稳定性的主要因素。当种植破碎度达到1.2~1.3(即作物分布极为破碎)时, 即使采用10 m分辨率的数据, 面积估算精度也难以达到60%。说明当作物种植较为破碎时, 要想达到85%的面积估算精度, 不仅需要采用高于10 m空间分辨率的遥感影像, 而且还需要通过其他技术手段提高面积估算精度。

3.3 地块形状指数的影响

受地形地势及灌溉条件等限制, 不同地区的农作物地块形状各不相同。本文通过计算地块形状指数并分析其与面积估算精度的关系, 发现随着形状指数的提高(即地块由正方形向细长形过度), 面积估算精度明显下降(图8)。

图8 10m分辨率影像分类时地块形状指数与面积估算精度关系散点图Fig.8 Scatter plots of shape index and area estimation accuracy under 10 m resulation image classification

图8可以看出, 当作物种植多为狭长地块时, 面积估算精度较低; 随着地块形状的变长, 面积估算精度递减且分布趋于分散。当地块形状指数低于0.13时, 面积估算精度才能基本稳定在85%以上。

为进一步考察随影像空间分辨率的变化地块形状指数与面积估算精度的关系, 本文对形状指数0~0.26进行分组实验, 共分15组(组间距如图9所示), 分别统计不同的地块形状指数层次在不同分辨率影像分类后对面积估算精度和平均标准差的影响。

图9 不同分辨率影像分类时地块形状指数与面积估算精度(左)/标准差(右)的关系Fig.9 Relationship between shape index and area estimation accuracy (left)/standard deviation(right) under different resulation image classifications

图9可以看出, 随着作物种植地块趋向于狭长分布和影像分辨率的降低, 各分辨率下作物面积估算精度均呈递减趋势, 标准差则基本呈增加趋势。农作物地块形状指数小于0.1时, 各分辨率下的面积估算精度均处于最高水平, 标准差均处于最低水平; 随着影像空间分辨率的降低, 面积估算精度越来越低。当分辨率降低至150 m时, 面积估算精度降到25%以下。即使选用分辨率为10 m的数据, 面积估算精度也仅为70%。表明在地块形状指数小于0.1的情况下, 要达到85%以上的估算精度, 且保证估算标准差接近于0, 需要采用分辨率高于10 m的遥感数据。随着地块形状指数从0.1逐步增加(即种植地块逐步趋向于狭长分布), 各分辨率下的面积估算精度均呈降低趋势, 同时标准差表现出增加趋势; 尤其是当地块形状指数达到0.25~0.26时, 在不同分辨率下面积估算精度均不足30%。说明当作物种植地块呈狭长形状的情况下, 需要采用分辨率高于10 m(甚至5 m)的遥感影像来提高其面积估算精度。

3.4 多因素综合影响分析与建模

根据3.1— 3.3节中得到的影像空间分辨率、种植成数、种植破碎度和地块形状指数4种农作物面积估算影响因素分析资料, 进行多元回归统计拟合, 建立了4种因素对面积估算精度的综合影响模型。

建模过程中的估计参数如表1所示。拟合优度R2值越大, 所反映的自变量与因变量的共变量比率越高, 模型与数据的拟合程度越好。

表1 分类模型的估计参数 Tab.1 Estimate parameters of classification model

分类模型的回归分析结果(表2)表明, 本模型的显著性水平sig.< 0.05, 可以认为所建立的回归方程有效。

表2 分类模型的回归分析参数 Tab.2 Regression analysis parameters of classification model

多元统计模型的相关参数及模型的显著性检验结果见表3

表3 多元统计模型参数 Tab.3 Parameters of multivariate statistical model

多元统计模型中4个自变量回归系数的显著性水平Sig.=0.000均小于0.05, 可以认为4个自变量(种植成数、地块形状指数、种植破碎度和影像空间分辨率)对因变量(面积估算精度)均有显著影响。最终, 回归分析得到的回归方程为

Y=98.70+0.73X1+4.83X2-4.78X3-0.23X4, (3)

式中:Y为面积估算精度; X1为种植成数; X2为地块形状指数; X3为种植破碎度; X4为影像空间分辨率。

4 结论与展望
4.1 结论

本文通过简单平均法将原始空间分辨率为5 m的遥感影像分别模拟到10 m, 20 m, 30 m, 60 m, 90 m, 120 m和150 m分辨率, 其中10 m, 20 m, 30 m和60 m分辨率分别对应农作物种植面积遥感测量中常用的SPOT, CBERS, TM和IRS-P6数据。通过本文研究, 最终得到了影响农作物分类精度的主要因素(种植成数、种植破碎度、地块形状指数)随不同影像分辨率的变化对农作物种植面积估算精度的影响规律, 以及4种因素对农作物面积估算精度的综合影响模型。为解决不同研究区数据源的选取、农作物面积估算精度的提高方式以及特定研究区和数据源可以达到的农作物面积估算精度水平等问题提供了理论基础。得出如下结论:

1)随着农作物种植成数的增加, 各影像分辨率下作物面积估算精度均呈增加趋势, 标准差呈递减趋势。作物种植成数百分比为0~10%时, 要达到85%以上的面积估算精度, 且保证估算标准差接近于0, 需要采用分辨率高于10 m的遥感数据源。当作物种植成数百分比在50%以上时, 在不同影像分辨率下面积估算精度基本均稳定在88%以上, 标准差稳定在4%以下; 要想达到85%的分类精度, 可以选取分辨率高于150 m的任意遥感数据。

2)随着农作物种植越来越破碎, 各影像分辨率下作物面积估算精度均呈递减趋势, 标准差基本呈增加趋势。作物种植破碎度指数为0~0.5时, 作物种植较为完整, 要达到85%以上的面积估算精度, 且保证估算标准差接近于0, 需要采用分辨率高于20 m的遥感数据源。当作物种植较为破碎(例如破碎度指标为1.2~1.3)时, 要想达到85%的面积估算精度, 除了需要提高影像的空间分辨率, 还需要通过多元回归统计拟合等其他技术手段提高面积估算精度。

3)随着农作物种植地块逐步趋向于狭长分布, 各影像分辨率下作物面积估算精度均呈递减趋势, 标准差呈增加趋势。农作物地块形状指数为0~0.1时, 要达到85%以上的面积估算精度, 且保证估算标准差接近于0, 需要采用分辨率高于10 m的遥感数据源。当农作物种植地块为狭长分布(例如形状指数指标为0.25~0.26)时, 仅仅提高影像的空间分辨率并不能保证面积估算精度, 还需要通过其他技术手段才能达到85%的面积估算精度需求。

4)4种影响因素(种植成数X1、地块形状指数X2、种植破碎度X3和影像空间分辨率X4)对农作物面积估算的精度均有显著影响, 具体的定量影响方式为:Y=98.70+0.73X1+4.83X2-4.78X3-0.23X4

4.2 展望

在以后的研究中还需在以下方面做进一步讨论和改进:

1)本文所采用的一系列较低空间分辨率数据, 是由5m分辨率的RapidEye多光谱影像中的早稻提取信息基于简单平均法模拟得到的, 这样做是为了避免其他因素的影响而单纯地分析遥感影像空间分辨率对农作物面积估算精度的影响。在今后的研究中将尝试直接采用不同空间分辨率影像进行分类精度评价, 并对这2种不同的方法进行比较分析, 以期得到更加符合实际情况的结论。

2)本文设计的农作物提取结果只区分了目标作物和非目标作物2类。在今后的研究中, 将考虑对更多的其他作物进行更为全面的影响因素分析, 并尝试在其他不同地貌类型和种植结构的典型作物区进行试验, 以进一步测试本文结论的普适性。

The authors have declared that no competing interests exist.

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