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        基于Google Earth Engine三江平原水田提取研究

        2022-01-17 06:38:28李永帥齊修東
        地理空間信息 2021年12期
        關(guān)鍵詞:水稻信息

        李永帥,齊修東

        (1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

        影響水田信息提取精度的因素主要是水稻和其他植被同時(shí)相的光譜特征相似性易造成誤分,還有云和云陰影的覆蓋[1-5]。一些研究對(duì)水稻信息的提取只用到的時(shí)相信息過(guò)于單一,楊艷昭[6]等在水田移栽期通過(guò)計(jì)算地表水分指數(shù)(LSWI)等指標(biāo),基于Landsat數(shù)據(jù)提取了吉泰盆地的水田信息;王力凡[7]等通過(guò)對(duì)比分析成熟期的水田與其他覆蓋物的歸一化植被指數(shù)(NDVI)值和波段DN 值的差異,然后增大數(shù)值差別,從而建立基于像元的水田提取模型,在CBERS-02B 衛(wèi)星遙感影像提取了南京市溧水縣的水田信息。而利用分類器實(shí)現(xiàn)監(jiān)督或無(wú)監(jiān)督分類的水田信息提取方法要與光譜可變性的相位相關(guān)聯(lián),通常難以擴(kuò)展分類器規(guī)則和參數(shù),且大尺度的水田制圖要耗費(fèi)大量的時(shí)間和計(jì)算能力,導(dǎo)致周期長(zhǎng),難度大。因此,本研究基于GEE 云平臺(tái),通過(guò)在線編程的方式獲取和處理Landsat 影像,有效避免下載、預(yù)處理影像等繁雜的過(guò)程,能較大程度提高效率[8]。

        1 研究區(qū)概況

        三江平原是全國(guó)熱量條件最差、升溫最明顯的地區(qū),同時(shí)是近些年水田擴(kuò)張糧食增產(chǎn)最明顯的國(guó)家重要糧食生產(chǎn)基地。三江平原包括雞西、鶴崗、七臺(tái)河、佳木斯、雙鴨山等地級(jí)市以及牡丹江市的穆棱縣和哈爾濱的依蘭縣,共計(jì)23 個(gè)縣(區(qū)),總面積為10.88 萬(wàn)km2。特別是該地區(qū)有52 個(gè)國(guó)有農(nóng)場(chǎng)和8 個(gè)森林工業(yè)局[9]。三江平原地面坡度在萬(wàn)分之一左右,地勢(shì)平坦,整體傾斜趨勢(shì)由西南向東北,地貌多樣擁有低山丘陵、低平原區(qū)和興凱低平原區(qū)等類型,此外該處擁有因河流(黑龍江、松花江以及烏蘇里江等)交匯形成較多的河谷平原。該地區(qū)土壤肥沃,其有機(jī)質(zhì)積累作用超過(guò)它的分解作用,使得土壤中有機(jī)碳的含量極高,這也是三江平原地區(qū)土壤肥力較高的原因[10]。三江平原受地形和海陸熱力差異的影響,形成了中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明[11],降雨量充足且雨熱同期。

        2 研究方法

        2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源

        在GEE 中,可通過(guò)JavaScriptAPI 在線訪問(wèn)全球范圍Landsat 影像,且遙感影像經(jīng)過(guò)輻射校正和幾何校正等預(yù)處理。本研究使用的Landsat 影像均為可用的標(biāo)準(zhǔn)1 級(jí)地形校正(L1T)正射校正圖像。為了消除傳感器本身的誤差,確定傳感器入口處的準(zhǔn)確輻射值。大氣校正針對(duì)實(shí)驗(yàn)中用不同時(shí)相或不同傳感器的光譜指數(shù),保證計(jì)算量級(jí)的一致性,計(jì)算指數(shù)信息更加精確。本研究使用已作為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)Landsat-8 圖像集存儲(chǔ)在GEE 平臺(tái)中(TOA)大氣表觀反射率數(shù)據(jù)。影像選取年代中期年份影像數(shù)據(jù),如1980 年代取1985 年、1990 年代取1995 年、2000 年代取2005 年Landsat-5 數(shù)據(jù),2010 年代選取了2016 年到2018 年的Landsat-8 影像數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resd.cn),如圖1 所示。

        圖1 RGB 合成影像

        2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與解譯變量計(jì)算

        根據(jù)Landsat-8 質(zhì)量評(píng)估帶[12],刪除了不良觀測(cè)結(jié)果,包括云,卷云和冰/冰。利用GEE API 編程,對(duì)于每種影響因素劃分4 個(gè)級(jí)別并表明它們的置信度,包括“未確定”(算法未確定此條件的狀態(tài)),“否”(0 ~33%置信度),“可能”(34~66%的置信度)和“是”(67~100%的置信度)。使用67~100%的置信水平來(lái)排除云和雪/冰的所有潛在的不良觀察效果。然后Landsat TOA 圖像采集的時(shí)間序列用于計(jì)算2 個(gè)光譜指數(shù),包括NDVI,NDWI。

        使用以下等式計(jì)算光譜指數(shù):

        式中,ρnir為近紅外波段;ρRed為紅光波段;ρGreen為綠光波段。

        所有Landsat 數(shù)據(jù)處理都是使用GEE 平臺(tái)(https://earthengine.google.org/)中的云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行的,這使得大型研究區(qū)域的并行計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理成為可能。排除這些不良觀察后,得到的時(shí)間序列數(shù)據(jù)用于以下基于物候的分類。

        2.3 研究區(qū)水稻物候信息

        旱地作物和水稻的光譜特征類似,會(huì)對(duì)提取水田信息產(chǎn)生影響,因此水田信息提取主要在水稻與其他旱地作物的物候差異期進(jìn)行。本文基于水稻生長(zhǎng)期遙感影像的植被指數(shù)和該區(qū)域的水體指數(shù),對(duì)比其在不同時(shí)期的物候特征提取出水田信息,如圖2 所示。

        圖2 水田提取技術(shù)路線

        不同作物的物理特性和生長(zhǎng)周期不同,而且水稻不同生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)特征也不相同。根據(jù)水稻的生長(zhǎng)階段可分為4 個(gè)階段:①?gòu)牟シN到移栽的苗圃階段;②從移栽到出穗的營(yíng)養(yǎng)階段;③從出穗到開(kāi)花的繁殖階段;④從開(kāi)花到完全成熟的成熟階段。依據(jù)該區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)出水稻生長(zhǎng)發(fā)育的時(shí)間特征,三江平原地區(qū)水稻是單季稻,一般6 月中下旬灌水移栽,10 月上旬進(jìn)入成熟收割期,其中8 月為生長(zhǎng)旺季。在水稻移栽期間,需要大量灌溉,故與生育期相同的旱地作物相比,地表濕度較大。此時(shí)間段水田的歸一化水體指數(shù)(NDWI)值比旱田的大,而在其他時(shí)相會(huì)由于植被含水量的原因使得旱地和水田不易區(qū)分,雖然五、六月份稻田植被指數(shù)(NDVI)值低,但是隨著水稻生長(zhǎng)在七、八月份水稻進(jìn)入生長(zhǎng)的旺盛期,NDVI 值達(dá)最大,隨后進(jìn)入成熟收割期,NDVI 值開(kāi)始下降。這與本文計(jì)算的從2016-2018 年的三江平原水田NDWI、NDVI 時(shí)間序列值所反映的物候信息一致。本研究通過(guò)三江平原水稻生長(zhǎng)期調(diào)研,利用遙感的多時(shí)相特征設(shè)計(jì)物候算法,選取2 個(gè)時(shí)期即灌溉期5、6 月份和旺盛期7、8 月份,計(jì)算2 種水體指數(shù)NDWI和NDVI,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)閾值提取水體和植被信息,然后利用邏輯運(yùn)算綜合判斷出水田信息,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確提取,如圖3 所示。

        圖3 三江平原水田NDWI、NDVI 時(shí)間序列曲線圖

        3 結(jié)果與分析

        基于以上方法提取了三江平原的水田信息,并對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行了適當(dāng)修正。從1980 年代到2010 年代30 a 間,三江平原水田經(jīng)歷了爆炸性增長(zhǎng),由1980 年代的1 942.76 km2增加到2010 年代的27 746.2 km2,30 a 間三江平原水田面積增加了10 倍之多。各個(gè)年代之間增長(zhǎng)速率呈現(xiàn)逐年遞增,1990 年代水田面積為5 916.61 km2,特別是2000 年代到2010 年代增長(zhǎng)速率最快由13 091.5 km2增加到27 746.2 km2。

        在空間上,不同時(shí)期水田和旱地的分布重心也不同。由四期水田提取結(jié)果可以大致看出,1980 年代和1990 年代水田重心向西北方向偏移了,而2000 年代和2010 年代水田偏移方向發(fā)生較大變化,轉(zhuǎn)向東北方向偏移。但是整體上三江平原水田的重心表現(xiàn)為向東北偏移的趨勢(shì)。其中主要分布在三江平原東北部,主要是富錦市、虎林市、同江市和撫遠(yuǎn)縣等縣區(qū),如圖4所示。

        圖4 三江平原水田空間分布圖

        三江平原水田面積的暴增是氣候、人口、政策多種因素影響的結(jié)果,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)近100 a,在中國(guó)氣溫平均上升了1.2℃,東北地區(qū)平均增溫1.5℃。1959-2005 年期間,三江平原人口增長(zhǎng)了3.13 倍,而同期的黑龍江省是1.26 倍,整個(gè)東北地區(qū)是0.93 倍[13],同時(shí)國(guó)家政策的支持進(jìn)一步促進(jìn)了三江平原水田的發(fā)展。從上世紀(jì)80 年代中期到本世紀(jì)初,三江平原在“以稻治澇”的指導(dǎo)方針下開(kāi)展農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)。2004 年《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)農(nóng)民增加收入若干政策的意見(jiàn)》指出切實(shí)加大農(nóng)業(yè)投入,強(qiáng)調(diào)“大力推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè),促進(jìn)糧食穩(wěn)定生產(chǎn)”。2006 年國(guó)家廢除《農(nóng)業(yè)稅條例》,全面消除農(nóng)業(yè)稅。2007 年?yáng)|北地區(qū)在《東北振興規(guī)劃》確定“國(guó)家重要商品糧和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地”。2008 年《國(guó)家糧食安全中長(zhǎng)期規(guī)劃(2008-2020 年)》中提出“提高東北水稻綜合生產(chǎn)能力”。2010 年《關(guān)于加快轉(zhuǎn)變東北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)指導(dǎo)意見(jiàn)的通知》提出要把東北建設(shè)成農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化示范區(qū)和維護(hù)國(guó)家糧食安全的戰(zhàn)略基地。國(guó)家和地區(qū)的強(qiáng)農(nóng)惠農(nóng)政策極大加快了農(nóng)業(yè)發(fā)展[14]??萍嫉倪M(jìn)步同樣為土地開(kāi)墾,水田發(fā)展助力。隨著水利設(shè)施建設(shè)力度增加,耕地灌溉面積迅速變大,種植結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,向“旱改水”方向轉(zhuǎn)化,加之優(yōu)良稻種的培養(yǎng)種植,交通等因素限制作用減小,為發(fā)展水田提供了良好的條件。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文基于NDWI 和NDVI 時(shí)間序列,依據(jù)水稻在各個(gè)生長(zhǎng)期與其他作物表現(xiàn)出的生理差異特征,基于GEE 云平臺(tái)使用物候算法,充分利用Landsat 影像的時(shí)間特征和空間特征,得到了三江平原1980 年代到2010 年代的水田的空間分布信息。并對(duì)結(jié)果進(jìn)一步分析,得出以下結(jié)論:①三江平原的水田擴(kuò)張主要受國(guó)家政策、科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、氣候變化和人類活動(dòng)等因素影響。②30 a 間三江平原在多種因素的影響下水田面積急劇擴(kuò)張??傮w表現(xiàn)為向東北方向偏移,其主要分布在三江平原東北部。

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