柳菲,王新生

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430062)

一季稻晚稻作為我國主要糧食作物之一,其種植面積、生長長勢和作物產(chǎn)量是國家糧食安全體系的重要組成部分,準(zhǔn)確及時(shí)地監(jiān)測一季稻晚稻種植面積的相對(duì)變化率,為國家的宏觀調(diào)控提供科學(xué)依據(jù),對(duì)確保糧食安全有十分重要的意義[1].衛(wèi)星遙感具有實(shí)時(shí)、宏觀、客觀等特點(diǎn),能夠快速準(zhǔn)確地獲取農(nóng)作物種植區(qū)域的面積信息及空間分布情況,在農(nóng)作物種植面積測量中被廣泛應(yīng)用[2].目前,利用遙感影像提取農(nóng)作物的種植面積尚無一套成熟的體系,現(xiàn)階段常采用單期影像和多時(shí)相遙感影像兩種方式,單期影像由于受到“混合像元”和“同物異譜、異物同譜”影響,難以保證農(nóng)作物遙感識(shí)別精度,多時(shí)相遙感影像由于受到照度差異和配準(zhǔn)誤差的影響,也難以準(zhǔn)確獲取農(nóng)作物種植面積[3].因此,探討快速提取農(nóng)作物種植面積相對(duì)變化率的方法是很有必要的.本文中以湖北省為研究區(qū),一季稻晚稻為研究對(duì)象,充分利用一季稻晚稻光譜信息在7-8月最為明顯的特征,選用分辨率分別為20 m、10 m的SPOT4和SPOT5影像作為遙感解譯數(shù)據(jù)源,結(jié)合GPS實(shí)測地面樣方建立解譯標(biāo)志數(shù)據(jù)集進(jìn)行人機(jī)交互式分類,分別得出2009年和2010年湖北省解譯區(qū)的一季稻晚稻種植面積,對(duì)比分析得出這兩年的湖北省一季稻晚稻種植面積的相對(duì)變化率.

表1 遙感解譯數(shù)據(jù)源

要求圖像清晰,均無條帶缺失

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)概況湖北省位于北緯29°05′至33°20′,東經(jīng)108°21′至116°07′,正處于中國地勢第二級(jí)階梯向第三級(jí)階梯過渡地帶,屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候,全省面積18.59萬km2,山地占全省總面積的55.5%,丘陵和崗地占24.5%,平原湖區(qū)占20%,雨熱同季,降水豐沛,十分利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),是我國重要的糧、棉、油生產(chǎn)基地,其中稻谷約占總產(chǎn)的67%.

1.2研究區(qū)數(shù)據(jù)根據(jù)研究區(qū)一季稻晚稻生長物候歷,6月中旬至6月下旬為返青期,6月下旬至7月中旬為分蘗期,7月中旬至8月中旬為拔節(jié)抽穗期[4],同時(shí)考慮研究區(qū)的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、種植制度等特點(diǎn),確定一季稻晚稻種植面積遙感識(shí)別最佳時(shí)相為7月中旬至8月中旬,共選用2009年和2010年7-8月SPOT4和SPOT5衛(wèi)星影像8景(如表1),主要分布在武漢、咸寧和監(jiān)利等地.并于2010年6-8月間,野外實(shí)地測量地面樣方108個(gè),所有樣方主要分布在湖北省的江漢平原地區(qū)及鄂東南地區(qū),屬于一季稻晚稻主產(chǎn)區(qū).

2 實(shí)施方案

湖北省一季稻晚稻種植面積動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測采用中高空間分辨率多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù),結(jié)合地面樣方調(diào)查結(jié)果,采取自動(dòng)分類與人機(jī)交互方式進(jìn)行一季稻晚稻識(shí)別與分類,提取監(jiān)測區(qū)內(nèi)相鄰兩年一季稻晚稻種植面積的空間分布及數(shù)量,計(jì)算監(jiān)測該區(qū)域的一季稻晚稻種植面積年相對(duì)變化率,如圖1.

圖1 遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)流程圖

2.1地面樣方調(diào)查湖北省一季稻晚稻地面樣方調(diào)查遵照全國農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室文件《農(nóng)作物遙感監(jiān)測工作規(guī)范》,每個(gè)地面樣方大小為500 m×500 m,且遠(yuǎn)離村莊、國道、工礦用地、河流等非耕地區(qū)域,種植一季稻晚稻面積占樣方總面積的50%以上,所有樣方主要分布在湖北省的江漢平原地區(qū)及鄂東南地區(qū),覆蓋范圍較大,涉及荊門市、荊州市、孝感市、天門市、仙桃市、武漢市、黃岡市、黃石市、咸寧市等9個(gè)地市,根據(jù)地面樣方數(shù)據(jù)利用ARCMAP9.2軟件提取解譯標(biāo)志,分別建立SPOT4和SPOT5解譯標(biāo)志集,如圖2、圖3所示[5-7].

2.2遙感解譯利用ERDAS 9.2和ARCMAP9.2兩款遙感和地理信息系統(tǒng)軟件,采用人機(jī)交互解譯中的目視解譯方法,解譯目標(biāo)作物一季稻晚稻[8-9].①遙感影像預(yù)處理,將已配準(zhǔn)的2009年和2010年SPOT影像進(jìn)行相交運(yùn)算,得到兩個(gè)年度SPOT影像的共同區(qū)域, 再采用1∶5萬標(biāo)準(zhǔn)分幅圖框?qū)餐瑓^(qū)域進(jìn)行裁剪.②影像解譯,先利用ERDAS 9.2遙感軟件對(duì)各圖幅進(jìn)行自動(dòng)分類和初始類別的判讀,然后在ARCMAP9.2中進(jìn)行圖斑修改,最終獲取目標(biāo)作物一季稻晚稻的空間分布信息,如圖4所示.

2.3解譯結(jié)果與分析本次解譯的總面積約1 289 874.998 hm2,共計(jì)39個(gè)1∶5萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅.其中,在SPOT4-282290、SPOT4-283291這兩景影像所覆蓋的區(qū)域內(nèi),雖然2010年的一季稻晚稻面積均比2009年有所減少,但是減少幅度不大,年相對(duì)變化率分別為-2.34%、-2.91%.

序號(hào)類型影像特征對(duì)應(yīng)圖像1道路建設(shè)用地寶藍(lán)色,色調(diào)偏冷,無紋理,多成片分布,分布較廣,不同規(guī)模大小不一,無陰影2棉花橘紅色、天藍(lán)色,暖色調(diào),紋理較清晰,呈條碼狀,形狀不規(guī)則,常與大豆交叉分布,多分布于水分不充足地區(qū),面積分布較廣,無陰影3山體碧綠色,山體紋理較清晰,山脊山谷明顯,多沿山體走向分布,山體丘陵區(qū)分布較廣,平原地區(qū)較少,面積比例較大,有明顯陰影,特別是溝谷地區(qū)4水生植被純黃色,暖色調(diào),較明亮,無紋理,形狀不規(guī)則,多沿湖泊水體分布,大小不一,無陰影5一季稻棕色,色調(diào)偏冷,高度較暗,紋理較細(xì)膩,一般田塊較規(guī)整,呈塊狀分布,多分布于水分充沛地區(qū),面積分布較廣,無陰影6水體純藍(lán)色,無紋理,呈條帶狀,面狀分布,面積一般較大,無陰影

圖2 SPOT4影像解譯標(biāo)志(波段組合342)

序號(hào)類型影像特征對(duì)應(yīng)圖像1道路建設(shè)用地淡藍(lán)色,較明亮,無條理,多成片分布,分布較廣,不同規(guī)模大小不一,無陰影2山體淡黃色,山體紋理較清晰,山脊山谷明顯,多沿山體走向分布,山體丘陵區(qū)分布較廣,平原地區(qū)較少,面積比例較大,有明顯陰影,特別是溝谷地區(qū)3旱地植被天藍(lán)色,淡黃色,暖色調(diào),紋理較清晰,呈條碼狀,形狀不規(guī)則,常與大豆交叉分布,多分布于水分不充足地區(qū),面積分布較廣,無陰影4晚稻橙紅色,色調(diào)偏冷,紋理較細(xì)膩,一般田塊較規(guī)整,呈塊狀分布,山體丘陵地區(qū)多分布于溝谷,主要分布于水分充沛地區(qū),面積分布較廣,無陰影5一季稻灰褐色,色調(diào)偏冷,紋理較細(xì)膩,一般田塊較規(guī)整,呈塊狀分布,山地丘陵地區(qū)多分布于溝谷,主要分布于水分充沛地區(qū),面積分布較廣,無陰影6水體深藍(lán)色,無紋理,呈條帶狀,面積分布,面積一般較大,無陰影

圖3 SPOT5影像解譯標(biāo)志(波段組合142)

圖4 2009年與2010年一季稻晚稻解譯面積空間分布對(duì)比

在SPOT4-282289影像所覆蓋的區(qū)域內(nèi),因?yàn)榻ㄔO(shè)用地占用等原因,使得2010年的一季稻晚稻面積也比2009年有所減少,其相對(duì)變化率在-0.59%～-0.94%之間.另外,在h50e009001和h50e009002圖幅所覆蓋的區(qū)域內(nèi),因?yàn)?010年突發(fā)洪水和大量碎小圖斑的存在等原因,使得利用成像于洪水期的遙感影像來建立一季稻晚稻的解譯標(biāo)志非常困難,在統(tǒng)計(jì)結(jié)果時(shí)需要單獨(dú)考慮這兩個(gè)圖幅的解譯結(jié)果.

在SPOT4-279290影像所覆蓋的區(qū)域內(nèi),因有大量水稻田改種棉花等,導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域的一季稻晚稻面積在2010年有明顯減少.不過,所減少的面積大小有兩種情況：若不包括h49e013021和h49e014021兩個(gè)圖幅的解譯結(jié)果(因?yàn)檫@兩個(gè)圖幅在2010年均有不少地方嚴(yán)重漬水,甚至被淹沒),則2010年一季稻晚稻面積約減少2 759.75 hm2,年相對(duì)變化率為-3.39%；若包括h49e013021和h49e014021這兩個(gè)圖幅的解譯結(jié)果,則約減少10 092.74 hm2,年相對(duì)變化率為-9.17%.

總之,在湖北省一季稻晚稻遙感監(jiān)測樣區(qū)內(nèi),排除特殊圖幅影響,2009年一季稻晚稻相對(duì)種植面積為478.716 hm2,2010年一季稻晚稻相對(duì)種植面積為469.629 hm2,總體年變化率為-1.39%.

3 結(jié)論

本文中分別提取相鄰兩年解譯區(qū)一季稻晚稻的種植面積,通過計(jì)算推算出湖北省一季稻晚稻種植面積總體變化率.上述方法從新的角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)一季稻晚稻種植面積的動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測,避免了“混合像元”和“同物異譜、異物同譜”對(duì)農(nóng)作物動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測所帶來的不確定性影響,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的獲取提供了新思路新方法.但是,研究中也存在一些問題[10-11]：(1)遙感解譯結(jié)果受到影像質(zhì)量和解譯人員專業(yè)素養(yǎng)的影響；(2)研究需要結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和區(qū)域背景資料來提高農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測精度和準(zhǔn)確性；(3)需要利用數(shù)量眾多的地面樣方來建立詳盡的解譯標(biāo)志數(shù)據(jù)庫,使得解譯成本較高.

[1] 鄧勁松,王珂,沈掌泉,等.基于特征波段的SPOT-5衛(wèi)星影像耕地信息自動(dòng)提取的方法研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(6)：145-148.

[2] 張峰,吳炳方,黃慧萍,等.泰國水稻種植區(qū)耕地信息提取研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2003,18(6)：766-772.

[3] Wishahy Z. Evaluation of area calculation from SPOT imageries[C].Canadian Conference on GIS, Ottawa, 1994：1296-1303.

[4] Huang Jing-feng, Ahmad Y, Wang Ren-chao. Integration of GIS and TM data toextract early rice area in Long You Country[J].Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2001, 17(1):159-162.

[5] Sushil P. Crop area estimation using GIS, remote sensing and data frame sampling[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2001, 3(1):86-92.

[6] Yang C, Everitt J H, Murden D. Evaluating high resolution SPOT 5 satellite imagery for crop identification[J].Computers and Electronics in Agriculture, 2011, 75(2):347-354(in Chinese).

[7] 陳伸新,劉海啟,周清波,等.全國冬小麥面積變化遙感監(jiān)測抽樣外推方法的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2000, 16(5):126-129.

[8] Gallego F J.Remote sensing and land cover area estimation[J].International Journal of Remote Sensing,2004,25:3019-3047.

[9] Ambrosio Ftores, L,Igtesias Martines.Land cover estimation in small areas using grond survey and remote sensing[J].Remote Sensing of the Environment,2000,74:240-248.

[10] 黃敬峰,王人潮,蔣亨顯,等.基于GIS的浙江省水稻遙感估產(chǎn)最佳時(shí)相選擇[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2002,(3):291-295.

[11] 吳炳方,劉海燕.水稻種植面積估計(jì)的運(yùn)行化感方法[J].遙感學(xué)報(bào),1997, 1(1):58-63.