陳志杰，汪權(quán)方，王新生，王 淵，袁 琳

（1.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430062；2.農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心武漢分中心，湖北 武漢 430062）

基于GF-1的冬小麥遙感監(jiān)測(cè)區(qū)域適用性分析

陳志杰1,2，汪權(quán)方1,2，王新生1,2，王 淵1，袁 琳1

（1.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430062；2.農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心武漢分中心，湖北 武漢 430062）

以湖北省為研究區(qū)，從地形地貌、種植結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)時(shí)相、譜段設(shè)置以及監(jiān)測(cè)精度等方面綜合分析了GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)在冬小麥種植面積遙感監(jiān)測(cè)中的區(qū)域適用性。研究表明，GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)江漢平原、鄂東沿江平原、鄂北崗地以及鄂東丘陵等地區(qū)的冬小麥遙感監(jiān)測(cè)均有較好的適用性，其監(jiān)測(cè)精度能夠滿足湖北省冬小麥大尺度遙感監(jiān)測(cè)的精度要求，但難以達(dá)到小范圍的遙感監(jiān)測(cè)精度要求。

GF-1；冬小麥；遙感監(jiān)測(cè)；適用性分析

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

以湖北省作為研究區(qū)，湖北省地處我國(guó)中部地區(qū)，是重要的產(chǎn)糧大省。湖北省東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地；山地占全省總面積的56%，丘陵占24%，平原湖區(qū)占20%。湖北省地形大致分為四大塊：鄂西山區(qū)為秦嶺東延部分和大巴山的東段，冬小麥油菜均有種植，田塊面積小，較破碎；鄂東丘陵地區(qū)主要分布在兩大區(qū)域，即鄂東南丘陵和鄂東北丘陵，大面積種植油菜，冬小麥較少，田塊面積小，較破碎；平原地區(qū)主要為江漢平原和鄂東沿江平原，冬小麥和油菜均有大面積種植，間種現(xiàn)象普遍；鄂北崗地位于湖北省中北部，大面積種植冬小麥，油菜極少。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 遙感影像數(shù)據(jù)

1.2.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)參數(shù)

GF-1衛(wèi)星搭載了2臺(tái)2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機(jī)（PMS）、4臺(tái)16 m分辨率多光譜相機(jī)（WFV），不側(cè)擺重訪周期分別為41 d和4 d，由兩種傳感器所獲取的多光譜影像都包含近紅外、紅光、綠光和藍(lán)光4個(gè)波段（表1）。

表1 GF-1衛(wèi)星傳感器主要參數(shù)

1.2.3 驗(yàn)證數(shù)據(jù)

精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)主要是地面樣方調(diào)查數(shù)據(jù)，采用GPS采集的實(shí)地地塊圖斑數(shù)據(jù)。湖北省冬小麥地面樣方為102個(gè)，主要分布在江漢平原腹地及鄂北丘陵崗地，涉及襄陽(yáng)、隨州、孝感、天門、潛江、仙桃、漢川、洪湖、監(jiān)利、江陵、沙市、蔡甸等市縣區(qū)，在襄陽(yáng)、棗陽(yáng)、潛江和天門市等區(qū)域分布的樣方最多。其中，位于潛江市的地面樣方為21個(gè)，棗陽(yáng)市為11個(gè)，襄陽(yáng)市為12個(gè)，天門市為10個(gè)。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 精度評(píng)價(jià)

本文從點(diǎn)和地面樣方兩個(gè)尺度對(duì)遙感解譯結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。隨機(jī)點(diǎn)驗(yàn)證，即在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)生成若干點(diǎn)，逐一判定隨機(jī)點(diǎn)分類屬性，根據(jù)判斷結(jié)果，構(gòu)建誤差混淆矩陣，計(jì)算隨機(jī)點(diǎn)驗(yàn)證精度；地面樣方數(shù)據(jù)驗(yàn)證，即對(duì)冬小麥解譯面積進(jìn)行定量驗(yàn)證。對(duì)地面樣方數(shù)據(jù)中冬小麥和油菜屬性相同的相鄰圖斑分別進(jìn)行合并，其他地物合并為一類，形成只包含冬小麥、油菜和其他地物3 種屬性圖斑的地面樣方矢量數(shù)據(jù)，再對(duì)冬小麥解譯結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，計(jì)算每種地物被正確解譯的面積，將其占樣方總面積的比例作為定量精度評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2 時(shí)相分析

對(duì)連續(xù)時(shí)相的GF-1衛(wèi)星影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正、裁剪等預(yù)處理，按照山區(qū)、平原、丘陵、崗地等不同地物類型分區(qū)的原則抽樣選取若干區(qū)域，采用非監(jiān)督分類方法，結(jié)合目視解譯手段提取冬小麥種植面積空間分布[4]；再采用隨機(jī)點(diǎn)驗(yàn)證方法對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；最后依據(jù)驗(yàn)證結(jié)果分析湖北省冬小麥遙感監(jiān)測(cè)的最佳時(shí)相[5-8]。

當(dāng)前，我國(guó)關(guān)于個(gè)人信息保護(hù)立法工作有待改進(jìn)。從法律規(guī)定內(nèi)容看，具有較強(qiáng)的原則性但可操作性不足；從立法體系看，相關(guān)法律規(guī)定散見于各層級(jí)的立法文件中，缺乏統(tǒng)領(lǐng)性的專門立法。這為個(gè)人信息保護(hù)工作帶來(lái)一定的困境。為此，筆者從國(guó)家層面、行業(yè)層面分析我國(guó)個(gè)人信息保護(hù)立法現(xiàn)狀。

2.3 波段光譜分析

遙感圖像普遍依據(jù)包括作物在內(nèi)的不同地表覆蓋物在各波段上的波譜反射和輻射差異來(lái)分類，因此需對(duì)不同地物在GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)4個(gè)波段上的表現(xiàn)特征進(jìn)行分析。采用相同區(qū)域不同時(shí)間的GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)各波段光譜信息進(jìn)行分析[8-9]，評(píng)價(jià)高分辨率衛(wèi)星傳感器波段的適用性。

2.4 不同分辨率分析

不同的研究目標(biāo)對(duì)衛(wèi)星遙感空間分辨率的需求也不同，GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括16 m分辨率WFV傳感器和8 m分辨率PMS傳感器的影像數(shù)據(jù)。選取最佳監(jiān)測(cè)時(shí)相且能覆蓋相同區(qū)域的兩種分辨率的高分辨率影像數(shù)據(jù)提取冬小麥種植面積，并采用隨機(jī)點(diǎn)和地面樣方數(shù)據(jù)分別對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。

3 結(jié)果分析

3.1 時(shí)相及精度驗(yàn)證結(jié)果分析

3.1.1 時(shí)相及區(qū)域驗(yàn)證分析

采用2014年1月～4月連續(xù)時(shí)相的16 m分辨率WFV傳感器的高分辨率影像數(shù)據(jù)提取冬小麥種植面積，鄂西山區(qū)未獲取到足夠的合適高分辨率影像，因而選取南漳縣、潛江市、洪湖市、鄂州市等區(qū)域解譯結(jié)果，采用隨機(jī)點(diǎn)驗(yàn)證方法進(jìn)行驗(yàn)證。在各監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)生成240個(gè)隨機(jī)驗(yàn)證點(diǎn)，對(duì)驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行分類屬性判別，定性計(jì)算遙感解譯精度。驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

表2 湖北省冬小麥分縣隨機(jī)點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果

由表2可知，3月份高分辨率影像提取的冬小麥的總體精度普遍高于其他時(shí)間的監(jiān)測(cè)結(jié)果。南漳縣是冬小麥主種植區(qū)，油菜分布較少，該區(qū)域1月下旬和3 月份冬小麥分類精度都較高，冬小麥在1月下旬長(zhǎng)勢(shì)較好，能夠覆蓋地面，不受裸地影響，同時(shí)，植被指數(shù)又明顯高于其他植被，3月份植被還未全部進(jìn)入生長(zhǎng)期，對(duì)作物的監(jiān)測(cè)影響較小。潛江市和洪湖市屬于江漢平原，冬小麥和油菜均有大面積種植，且間種現(xiàn)象普遍存在，二者互相干擾作用強(qiáng)，因此3月份冬小麥分類精度最高，是最佳監(jiān)測(cè)時(shí)間。鄂州市屬于鄂東丘陵地區(qū)，田塊較破碎，油菜分布較多，冬小麥分布相對(duì)較少，分類精度較低，但3月份依然是該區(qū)域最佳監(jiān)測(cè)時(shí)間。

3.1.2 地面樣方驗(yàn)證結(jié)果分析

采用地面樣方驗(yàn)證方法對(duì)潛江市、襄陽(yáng)市轄區(qū)、棗陽(yáng)市以及天門市等地面樣方分布較多的區(qū)域進(jìn)行精度驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。

表3 湖北省冬小麥分區(qū)遙感監(jiān)測(cè)地面樣方驗(yàn)證結(jié)果

從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，在冬小麥主種植區(qū)（如襄陽(yáng)市），冬小麥的解譯精度可達(dá)95%，棗陽(yáng)市也是冬小麥主種植區(qū)，但2月份影像上冬小麥大量呈現(xiàn)裸地特征，因而解譯精度不高?；诘孛鏄臃綌?shù)據(jù)的精度評(píng)價(jià)結(jié)果大部分在75%～85%，明顯低于點(diǎn)尺度上的精度驗(yàn)證水平。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是地面樣方地塊圖斑面積小，特別是田間道路、田間水溝以及零碎的空地等，寬度往往不及一個(gè)像元大小，因此，在遙感解譯分類過(guò)程中細(xì)小田間道路、水溝等地物容易混入目標(biāo)作物解譯結(jié)果中，降低了總體精度。

3.2 波譜分析

高分辨率影像數(shù)據(jù)有近紅外、紅光、綠光和藍(lán)光4個(gè)波段，前3個(gè)波段能較好地反映植被信息，適用于農(nóng)作物的遙感監(jiān)測(cè)。湖北省冬季農(nóng)作物主要有冬小麥和油菜兩種，其他作物分布較少，二者屬于同期作物，在不同時(shí)期的GF-1衛(wèi)星影像上相互之間的差異呈動(dòng)態(tài)變化。采用同一套樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)不同時(shí)期影像上的光譜信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果表明1月份冬小麥、油菜和植被的波譜變化不統(tǒng)一，光譜信息在各波段間都有一定交集，并大面積呈現(xiàn)裸地特征，不易精確提取冬小麥種植面積；2月份影像中小麥、油菜和植被的差異開始拉大，可以較好地區(qū)分農(nóng)作物和其他植被信息，但冬小麥和油菜的影像特征依然接近，難以有效區(qū)分；3月份影像中油菜多數(shù)進(jìn)入開花期，冬小麥與油菜在近紅外和紅光波段的波譜差異明顯增大，二者容易區(qū)分；4月份影像中冬小麥和油菜特征接近，同時(shí)植被指數(shù)開始明顯增大，且和作物特征接近，干擾了對(duì)冬小麥種植面積的提取。因此，3月份是湖北省冬小麥和油菜GF-1衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的最適宜時(shí)期，對(duì)于冬小麥主種植區(qū)，2月份影像數(shù)據(jù)也能較好地提取冬小麥種植面積。

3.3 不同分辨率驗(yàn)證分析

本文分別利用成像時(shí)間相同的16 m和8 m分辨率多光譜數(shù)據(jù)（圖1）對(duì)冬小麥、油菜的種植面積進(jìn)行提取，并采用隨機(jī)點(diǎn)和覆蓋區(qū)域中的10個(gè)地面樣方數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果如表4所示。冬小麥和油菜隨機(jī)點(diǎn)定性驗(yàn)證精度隨著GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率的提高有一定的提高，但是地面樣方定量驗(yàn)證精度沒(méi)有明顯提高。

圖1 2014年3月17日GF-1衛(wèi)星影像

表4 不同分辨率的GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，GF-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對(duì)湖北省冬小麥種植面積遙感監(jiān)測(cè)有較強(qiáng)的區(qū)域適用性，主要結(jié)論為：

1）湖北省冬小麥最佳監(jiān)測(cè)時(shí)間和驗(yàn)證精度在不同區(qū)域有一定差異。在冬小麥主種植區(qū)，主要是鄂北崗地區(qū)域，從1月下旬到3月份監(jiān)測(cè)效果均較好，隨機(jī)點(diǎn)驗(yàn)證精度較高；在冬小麥和油菜間種區(qū)域，如江漢平原大部分地區(qū)以及鄂東沿江平原地區(qū)，3月份油菜開花期為最佳監(jiān)測(cè)時(shí)間，驗(yàn)證精度較高；鄂東丘陵地區(qū)，最佳監(jiān)測(cè)時(shí)間為3月份，遙感監(jiān)測(cè)精度相對(duì)偏低。

2）PMS傳感器比WFV傳感器分辨率高，影像能更清楚地反映地物的邊界，據(jù)其提取的目標(biāo)作物面積更準(zhǔn)確，但采用地面樣方定量驗(yàn)證的精度并沒(méi)有比WFV傳感器提高太多。PMS傳感器幅寬小，影像覆蓋范圍小，難以滿足大面積農(nóng)作物的遙感監(jiān)測(cè)需求。

3）GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)能較好地滿足冬小麥面積遙感監(jiān)測(cè)需求。在作物種植結(jié)構(gòu)單一的區(qū)域，GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)適用性相對(duì)較好，最佳監(jiān)測(cè)時(shí)間區(qū)間相對(duì)較大，監(jiān)測(cè)時(shí)間可適當(dāng)提前；在地形破碎、作物種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域監(jiān)測(cè)精度明顯降低。

4）GF-1衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)能滿足大尺度作物面積遙感監(jiān)測(cè)的精度要求，但難以達(dá)到小范圍的作物面積遙感監(jiān)測(cè)精度要求。GF-1衛(wèi)星重訪周期短、WFV傳感器數(shù)據(jù)幅寬大、覆蓋面廣，短時(shí)間內(nèi)可獲取大量的影像。因此，GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠滿足冬小麥的遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)需求。

[1] 吳秀蘭,鄭江華,倪亦非,等．國(guó)產(chǎn)ZY1-02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)在新疆典型毒草白喉烏頭遙感監(jiān)測(cè)中的適用性分析[J]．中國(guó)植保導(dǎo)刊,2014,34(7):9-14

[2] 趙廣亮,游曉斌,姚永剛．應(yīng)用于森林資源二類調(diào)查的多遙感信息源適用性分析與評(píng)價(jià)[J]．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(增刊1):24-27

[3] 張廷斌,唐菊興,劉登忠．衛(wèi)星遙感圖像空間分辨率適用性分析[J]．地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2006,28(1):79-82

[4] 楊博,劉義．農(nóng)業(yè)遙感影像目視解譯技術(shù)要點(diǎn)[J]．現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2008(4):37-39

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[6] 楊朝俊,胡庭興,梁玉喜．四川森林植被遙感識(shí)別最佳時(shí)相的選擇[J]．四川林業(yè)科技,2005,26(5):68-71

[7] 歐文浩,蘇偉,薛文振,等．基于HJ-1衛(wèi)星影像的三大農(nóng)作物估產(chǎn)最佳時(shí)相選擇[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(11):176-182 [8] 陳思寧,趙艷霞,申雙和．基于波譜分析技術(shù)的遙感作物分類方法[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(5):154-160

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P237

B

1672-4623（2017）01-0066-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.01.020 GF-1衛(wèi)星是國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星，可為我國(guó)農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)工作提供大量的遙感數(shù)據(jù)源，因此研究其在農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)中的作用尤為重要。目前，對(duì)遙感數(shù)據(jù)源的農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)適宜性分析較少，吳秀蘭[1]等利用ZY1-02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)新疆地區(qū)白喉烏頭的空間分布進(jìn)行了分割提取，并進(jìn)行了精度驗(yàn)證，探討了其在監(jiān)測(cè)新疆草原典型毒草白喉烏頭空間分布的可行性。趙廣亮[2]等應(yīng)用中高空間分辨率的遙感圖像進(jìn)行調(diào)查作圖，從不同角度對(duì)森林資源二類調(diào)查的多遙感信息源適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。張廷斌[3]等從衛(wèi)星遙感圖像空間分辨率的定義出發(fā)，對(duì)衛(wèi)星遙感圖像空間分辨率的適用性進(jìn)行了分析。在實(shí)際遙感監(jiān)測(cè)過(guò)程中，地形地貌、種植結(jié)構(gòu)等區(qū)域性因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果有較大影響，因此也需加以考慮，本文從多方面因素出發(fā)對(duì)GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)在湖北省冬小麥遙感監(jiān)測(cè)中的區(qū)域適用性進(jìn)行了分析。

陳志杰，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用方面的研究。

2015-12-28。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2010CB950902）；農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心武漢分中心農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)資助項(xiàng)目。