范 莉，王 妍，祝 好，張 繼

多種光譜指數(shù)聯(lián)合地形特征對(duì)復(fù)雜地形區(qū)主要糧食作物種植面積的遙感識(shí)別*

范 莉1,2，王 妍3**，祝 好1,2，張 繼1,2

（1.重慶市氣象科學(xué)研究所，重慶 401147；2.重慶市農(nóng)業(yè)氣象與衛(wèi)星遙感工程技術(shù)研究中心，重慶 401147；3.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329）

復(fù)雜地形地區(qū)農(nóng)作物空間分布信息的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細(xì)化管理、合理分配資源具有重要意義，而農(nóng)作物分布零散、空間異質(zhì)性高是精細(xì)分類的難點(diǎn)。本文旨在探索復(fù)雜地形條件下，多時(shí)相高分辨率衛(wèi)星資料的多作物同步精細(xì)識(shí)別的方法，以期為重慶市域乃至西南低山丘陵復(fù)雜地區(qū)作物識(shí)別提供理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。選取重慶市渝西地區(qū)為研究區(qū)，采用多尺度分割算法，將同種地物類型的田塊進(jìn)行同質(zhì)單元構(gòu)建，從而避免基于像素分類過于零散的分類結(jié)果，實(shí)現(xiàn)高精度分類。再利用多時(shí)相Sentinel-2/MSI遙感影像有效挖掘主要糧食農(nóng)作物生育期內(nèi)物候規(guī)律和特征參數(shù)，構(gòu)建NDVI、RVI和NDWI等光譜指數(shù)，對(duì)比地面樣本點(diǎn)不同作物類型不同生育期的遙感光譜信息差異，聯(lián)合地形特征以確定農(nóng)作物識(shí)別的最優(yōu)組合，從而建立面向?qū)ο蟮臎Q策樹邏輯分類規(guī)則集提取主要糧食農(nóng)作物種植區(qū)。結(jié)果表明：（1）采用多尺度分割方法使農(nóng)作物識(shí)別在田塊基礎(chǔ)上進(jìn)行，在30分割尺度下、緊湊度因子和形狀因子均為0.5時(shí)，植被邊緣分割最優(yōu)；（2）結(jié)合農(nóng)作物物候期發(fā)育特征，選用4月NDWI、6月RVI、NDVI和8月NDVI等光譜特征指數(shù)，聯(lián)合海拔高度、坡度等地形特征建立目標(biāo)地物判別閾值，構(gòu)建面向?qū)ο鬀Q策樹分類模型，總體精度達(dá)到90.8%，水稻、玉米、紅薯的分類精度分別為85.7%、83.3%和 80.7%，說明多種光譜指數(shù)聯(lián)合地形特征的作物種植面積識(shí)別方法達(dá)到較高的識(shí)別精度，具有實(shí)踐意義。

復(fù)雜地形；Sentinel-2；農(nóng)作物；面向?qū)ο螅粵Q策樹

重慶市糧食作物種類有谷物類、豆類、薯類，以水稻、玉米和紅薯為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒，近5a三者產(chǎn)量合計(jì)超過全市糧食總產(chǎn)量的三分之二，是重慶最主要的糧食作物，保障其生產(chǎn)安全是糧食安全的關(guān)鍵。及時(shí)、準(zhǔn)確掌握重慶市主要糧食作物時(shí)空分布信息，是切實(shí)提高糧食作物綜合生產(chǎn)，促進(jìn)農(nóng)民持續(xù)增收和糧食種植產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等的基礎(chǔ)性重要工作。作物種植結(jié)構(gòu)包括作物種類和空間分布等信息，是農(nóng)作物空間格局的重要組成部分。及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行作物種植空間分布監(jiān)測(cè)可以輔助作物管理?作物產(chǎn)量預(yù)估?作物災(zāi)害的預(yù)警和作物種植計(jì)劃的制定,對(duì)保證糧食安全具有十分重要的意義[1?4]。

光學(xué)遙感成像范圍廣、光譜信息豐富、觀測(cè)成本低，可實(shí)現(xiàn)短時(shí)間重復(fù)觀測(cè)，近年來已經(jīng)成為作物種植區(qū)域信息提取的重要手段[5?7]。目前大多數(shù)農(nóng)作物遙感識(shí)別研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多圍繞時(shí)序植被指數(shù)的農(nóng)作物種植識(shí)別[8?18]、多源影像數(shù)據(jù)融合[19?20]、特征變量?jī)?yōu)選[21?24]、分類器選擇及參數(shù)優(yōu)化[25?28]等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)農(nóng)作物種植空間識(shí)別開展了大量深入而廣泛的研究?尤其是近年來衛(wèi)星傳感器呈現(xiàn)出高時(shí)空、高光譜的發(fā)展特點(diǎn)，分類方法也在不斷改進(jìn)，使得農(nóng)作物種植識(shí)別取得長(zhǎng)足的進(jìn)展[20，29?31]，但大多農(nóng)作物遙感提取研究主要針對(duì)平原地區(qū)的單一作物類型，較少學(xué)者將其研究區(qū)定位在地形復(fù)雜、作物種植種類繁多的地區(qū)。西南地區(qū)地形復(fù)雜，田塊零碎，作物種植分布呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間異質(zhì)性[32]，且碎片化程度和離散度較高，致使同一像元內(nèi)不同地物類型存在明顯的光譜混合現(xiàn)象，作物種植精細(xì)識(shí)別存在較大挑戰(zhàn)。

鑒于此，本研究針對(duì)丘陵山地復(fù)雜地形區(qū)多種作物同時(shí)精細(xì)識(shí)別的目標(biāo)，利用sentinel-2多時(shí)相影像，提出一種多種光譜指數(shù)聯(lián)合地形特征的主要糧食作物遙感識(shí)別方法，基于面向?qū)ο蟮姆诸愃枷霕?gòu)建決策樹分類模型，選取重慶市渝西地區(qū)水稻、玉米和紅薯為研究對(duì)象，開展多種作物種植分布信息高精度識(shí)別研究，以期為重慶市市域乃至西南低山丘陵復(fù)雜地區(qū)作物識(shí)別提供參考和依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

重慶市位于青藏高原與長(zhǎng)江中下游平原的過渡地帶，地跨105°11′?110°11′E、28°10′?32°13′N，境內(nèi)山高谷深，溝壑縱橫，地形復(fù)雜。研究區(qū)位于重慶市西部（簡(jiǎn)稱渝西地區(qū)，下同），區(qū)內(nèi)平壩、丘陵和山地等多種地形地貌并存，海拔高差1219m，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，水熱資源差異大，光溫水同季，年平均氣溫17.2～18.3℃，年平均降水量999～1134mm，降水多集中在5?9月。渝西地區(qū)獨(dú)特自然環(huán)境和氣候條件利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，是重慶市主要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，糧食作物主要為水稻、玉米和紅薯，區(qū)內(nèi)種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作物斑塊分布零散，多種作物物候期有重疊。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

1.2.1 主要糧食作物物候期調(diào)查

基于實(shí)地調(diào)查和重慶市氣象局作物生育期觀測(cè)，確定了研究區(qū)主要糧食作物生長(zhǎng)物候歷，結(jié)果見圖1。由圖可見，3類主要糧食作物依次從2月下旬開始播種，其中春玉米播種最早，依次為水稻和紅薯；3種主要農(nóng)作物在經(jīng)歷了出苗、移栽、拔節(jié)、開花、灌漿或薯塊膨大等生長(zhǎng)階段后，于7月中下旬陸續(xù)進(jìn)入成熟期。表中顯示，各類作物的生長(zhǎng)階段在時(shí)間上有交叉，尤其是水稻與玉米生育期高度重疊，給準(zhǔn)確識(shí)別帶來一定困難。

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)處理

Sentinel-2攜帶寬幅高分辨率多光譜成像儀（MSI），覆蓋可見光、近紅外到短波紅外共13個(gè)光譜波段，空間分辨率10～60m，幅寬290km，根據(jù)農(nóng)作物識(shí)別需求，選擇研究區(qū)4?11月云量小于10%的Sentinel-2/MSI衛(wèi)星L2A級(jí)產(chǎn)品共6期，成像時(shí)間分別為4月17日、6月6日、7月23日、8月25日、10月31日和11月8日，通過歐洲航天局（ESA）網(wǎng)站（https：//scihub.copernicus.eu/）下載，該產(chǎn)品經(jīng)過正射校正、幾何校正和大氣校正。在ENVI5.3軟件中選取空間分辨率為 10m的藍(lán)、綠、紅三個(gè)可見光波段和近紅外波段進(jìn)行波段疊加、影像拼接及裁剪，得到包含4個(gè)波段的研究區(qū)影像圖，空間坐標(biāo)系GCS-WGS-84。

數(shù)字高程模型（DEM）選用美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）與國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局（NIMA）聯(lián)合測(cè)量的90m空間分辨率STRM DEM數(shù)據(jù)，通過中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http: //www.gscloud.cn）下載獲取。

1.2.3 地面樣本數(shù)據(jù)收集

2018年4?9月農(nóng)作物生長(zhǎng)季，先后多次對(duì)作物種植類型、物候和產(chǎn)量信息進(jìn)行野外調(diào)研，同步利用Google Earth高分辨率影像基于目視解譯采用分層隨機(jī)抽樣法選取土地覆被類型樣點(diǎn)，共獲得地面樣本點(diǎn)930個(gè)，按照3:7的比例劃分281個(gè)樣本點(diǎn)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，649個(gè)樣本點(diǎn)作為糧食作物分類精度的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，較為均勻地覆蓋整個(gè)研究區(qū)（圖2）

1.3 多種光譜指數(shù)聯(lián)合地形特征識(shí)別方法

1.3.1 技術(shù)流程

（1）基于面向?qū)ο蟮乃枷?，依?jù)作物關(guān)鍵生育期選取多時(shí)相Sentinel-2遙感影像，進(jìn)行多尺度影像分割獲得地塊尺度分類對(duì)象；（2）通過分析地塊級(jí)別光譜和地形特征以確定閾值，構(gòu)建CART決策樹分類規(guī)則集，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)主要糧食作物空間分布的高精度提?。唬?）根據(jù)地面樣本數(shù)據(jù)驗(yàn)證主要糧食作物種植面積提取精度。技術(shù)流程如圖3所示。由圖3可見，主要技術(shù)環(huán)節(jié)包括多時(shí)相選擇、多尺度影像分割、多種光譜特征指數(shù)和地形特征指數(shù)分析、決策樹規(guī)則制定與閾值確定等。

圖1 渝西地區(qū)主要糧食作物生長(zhǎng)物候歷

Note: E is the first ten-day of a month, M is the middle ten-day of a month, L is the last ten-day of a month.TR is transplanting–regrowth, TJ is tillering–jointing, SF is spurting–flowering, GM is grouting–maturing, TS is transplanting–seven leaves, TT is tillering –tasseling, FS is flowering–spitting. The same as below.

圖2 研究區(qū)內(nèi)調(diào)查樣本點(diǎn)分布

1.3.2 多尺度影像分割

面向?qū)ο蠓▍^(qū)別像元影像分類僅考慮譜信息的局限性，它以分類對(duì)象為基本處理單元，既考慮對(duì)象的光譜值，還利用對(duì)象形狀、紋理和空間拓?fù)湫畔⒆鳛檩o助分類信息，將影像分割成具有相似特征同質(zhì)影像區(qū)域，作為后續(xù)作物分類的對(duì)象。采用多尺度分割對(duì)影像中同質(zhì)對(duì)象進(jìn)行圖像分割。多尺度影像分割既能自動(dòng)生成遙感影像的影像對(duì)象，又能將這些影像對(duì)象按等級(jí)結(jié)構(gòu)聯(lián)接起來[33]，分割尺度大小會(huì)影響分割對(duì)象的大小和分類結(jié)果精細(xì)程度[34?35]，分割參數(shù)設(shè)置包括形狀因子和緊湊度因子。

在eCognition8.9中使用process tree模塊設(shè)置進(jìn)程為分割，通過insert child插入子進(jìn)程，設(shè)置子進(jìn)程的算法為多尺度分割，即multi segmentation，再調(diào)整分割尺度及參數(shù)。通過多次試驗(yàn)調(diào)整分割尺度，結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)目視解譯，找到最優(yōu)尺度參數(shù)，獲得地塊尺度的分類對(duì)象。

1.3.3 光譜特征構(gòu)建

利用高分辨率衛(wèi)星影像中農(nóng)作物不同波段的響應(yīng)特征識(shí)別地形復(fù)雜地區(qū)農(nóng)作物，是提高識(shí)別精度的重要方法，參考國(guó)內(nèi)外農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)遙感提取的相關(guān)文獻(xiàn)[36?37]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及用戶知識(shí)選擇歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI）、比值植被指數(shù)（Ratio vegetation index，RVI）、歸一化差值水體指數(shù)（Normalized difference water index，NDWI）等特征值作為光譜特征變量。NDVI是目前應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)[15]，對(duì)植被有較強(qiáng)的反映能力，作物類型不同，NDVI的光譜差異明顯。因研究區(qū)植被覆蓋度普遍較高，RVI在一定程度上可以克服飽和性的問題，對(duì)高覆蓋植被區(qū)域更為敏感，與生物量的相關(guān)性最好，適用于區(qū)分農(nóng)作物和林地。NDWI可以突出水體信息，適合對(duì)水稻與其他旱地作物進(jìn)行區(qū)分。其計(jì)算式分別為

圖3 技術(shù)流程圖

式中，ρnir為近紅外波段的反射率；ρred為紅波段的反射率；ρgreen為綠波段的反射率。

1.3.4 地形特征構(gòu)建

地形特征是地形復(fù)雜地區(qū)作物分類的重要指標(biāo)，渝西地區(qū)地形地貌多樣，水稻一般生長(zhǎng)在地勢(shì)平坦區(qū)域，玉米、紅薯除在平壩地區(qū)種植外，中高海拔地區(qū)也有種植，因此，地形特征加入農(nóng)作物識(shí)別能夠進(jìn)一步提高分類精度。選用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地形分析，在ArcGIS10.8軟件中計(jì)算海拔高度(elevation)和坡度(slope)特征，并將其作為獨(dú)立波段參與特征構(gòu)建。

1.4 分類方法與精度評(píng)價(jià)

選用CART（classification and regression trees）決策樹算法快速提取出三種主要糧食作物種植分布。CART算法采用二分遞歸進(jìn)行劃分，分支節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行布爾運(yùn)算，判斷條件為真的劃為左分支，條件為假的劃為右分支，最終形成二叉決策樹。

精度評(píng)價(jià)基于野外調(diào)查數(shù)據(jù)和Google Earth影像展開，使用混淆矩陣精度評(píng)價(jià)方法計(jì)算用戶精度、制圖精度、總體精度和Kappa系數(shù)[38]。制圖精度表示整個(gè)研究區(qū)內(nèi)正確分為某類的總像元數(shù)與該類實(shí)際參考總像元數(shù)的比值；用戶精度表示正確分到某類的總像元數(shù)與整個(gè)研究區(qū)分到該類總像元數(shù)的比值，二者從錯(cuò)分和漏分像元的角度來評(píng)價(jià)分類結(jié)果的精度?？傮w精度表示正確分類像元數(shù)占參與分類總像元數(shù)比例；Kappa系數(shù)可以表示分類結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)一致性。

2 結(jié)果與分析

2.1 最優(yōu)尺度遙感影像分割結(jié)果

對(duì)Sentinel-2影像典型時(shí)相（4月17日、6月6日、8月25三幅影像）的多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分割，參數(shù)包括分割尺度、形狀因子和緊湊度因子。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，訓(xùn)練調(diào)整不同分割尺度效果，三種典型尺度的分割結(jié)果見圖4。由圖可見，分割尺度為50時(shí)（圖4a），圖中分割對(duì)象過大，不利于將農(nóng)作物與林地等地物區(qū)分開；分割尺度為10時(shí)（圖4c），圖中分割對(duì)象過于細(xì)致，斑塊零散；分割尺度為30時(shí)（圖4b），可以得到較好的尺度效果，因此，取最適宜分割尺度為30。

其次，調(diào)整形狀因子和緊湊度因子，經(jīng)過多次調(diào)整和試驗(yàn)，對(duì)分割效果進(jìn)行目視判讀，在分割尺度為30的影像對(duì)象層中，設(shè)置緊湊度因子為0.5、形狀因子0.3（圖5a）和緊湊度因子0.5、形狀因子0.5時(shí)（圖5b），發(fā)現(xiàn)圖4b邊界更加細(xì)致，植被邊緣分割較為理想，也能體現(xiàn)林間帶。因此，將分割尺度30、形狀因子0.5和緊湊度因子0.5作為最優(yōu)尺度參數(shù)，分割結(jié)果作為下一步特征提取的地塊對(duì)象。

2.2 主要糧食作物特征指數(shù)識(shí)別

對(duì)影像進(jìn)行多尺度分割后，分別在地塊尺度上聯(lián)合光譜特征和地形特征描述對(duì)象，建立地塊與農(nóng)作物之間的關(guān)系和判別規(guī)則。

圖4 Sentinel-2影像不同尺度分割效果

圖5 不同形狀因子分割效果

由于葉綠素的吸收作用，植被在可見光區(qū)域內(nèi)的反射率偏低，近紅外波段卻保持著較高的反射率，分析4?11月6個(gè)時(shí)相訓(xùn)練樣本的NDVI值，研究不同地物的光譜變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，與其他地物的光譜平均值相比，農(nóng)作物與林地的光譜曲線相似，易于與建筑物、裸地及水體等地物進(jìn)行區(qū)分（圖6）。紅波段和近紅波段相差較大，由農(nóng)作物和林地的紅波段?近紅波段光譜特征空間分析可見，農(nóng)作物紅光波段反射率在5%～8%，林地集中在紅光波段，反射率3%～5%（圖7）。因此，可對(duì)紅光、近紅外波段組合并歸一化處理，利用綠色植被的反射和吸收特性，結(jié)合作物關(guān)鍵物候期影像構(gòu)建植被指數(shù)來識(shí)別農(nóng)作物。

圖6 典型地物NDVI時(shí)間序列曲線

渝西地區(qū)地形復(fù)雜、作物類型多樣且生育期有重疊，在高分辨率遙感影像中，農(nóng)作物類型提取所面臨的干擾因素較多，因此，結(jié)合作物物候歷，選擇典型時(shí)相紅光、近紅外波段，組合構(gòu)建作物不同生育期特征指數(shù)，增強(qiáng)農(nóng)作物與林地的光譜差異。6月初，植被進(jìn)入旺長(zhǎng)期，NDVI值迅速拉升，與建筑、裸地、水體等非植被覆蓋區(qū)形成鮮明對(duì)比，首先選擇2018?06?06的Sentinel-2衛(wèi)星影像區(qū)分植被與非植被覆蓋區(qū)（圖8b），采用NDVI來獲取渝西地區(qū)植被分布狀況，通過多次調(diào)整和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以NDVI≥0.46作為閾值可以較準(zhǔn)確地提取研究區(qū)中的植被信息。根據(jù)物候信息，6月初水稻生長(zhǎng)進(jìn)入孕穗期，玉米為抽雄吐絲期、紅薯處于移栽期，真彩色影像上規(guī)則的灰綠區(qū)域?yàn)楦?，深綠色區(qū)域?yàn)榱值?，通過RVI特征值能夠很好地區(qū)分林地和耕地，選擇2018?06?06的Sentinel-2衛(wèi)星影像，設(shè)置參數(shù)RVI≥4.8，區(qū)分出茂密度高的林地；耕地類型分為水田和旱地，4月水稻處于移栽期，水田水量充足，與旱地和河流塘庫(kù)等NDWI取值差異大，選擇2018?04?17的Sentinel-2衛(wèi)星影像進(jìn)行NDWI判識(shí)（圖8a）。水稻對(duì)種植環(huán)境要求較高，海拔越高水稻種植的適宜性越低，渝西地區(qū)海拔超過600m且坡度大于15°的地區(qū)基本屬于不適宜種植水稻的區(qū)域，在光譜指數(shù)判識(shí)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合地形特征，設(shè)定閾值為?0.39≤NDWI≤0、海拔＜600、坡度＜15°提取出水田，農(nóng)作物類型為水稻。8月中下旬渝西地區(qū)玉米已收獲完畢，NDVI值迅速下降，而紅薯處于薯塊形成期，地上部分長(zhǎng)勢(shì)旺盛，葉綠素含量上升，NDVI值升高，選擇2018?08?25的Sentinel-2衛(wèi)星影像，設(shè)置閾值NDVI＜0.6，顏色黃褐色的為玉米地，生長(zhǎng)旺盛且邊界清晰的深綠色區(qū)域?yàn)榧t薯和其他蔬菜地（圖8c）。

圖7 農(nóng)作物和林地在紅光波段?近紅外波段的光譜特征

圖8 Sentinel-2/MSI不同物候期影像圖（RGB:432）

注：紅色框代表同一地塊水稻不同生育期在真彩影像上的變化。

Note: The red boxes represent the variation of different fertility stages of rice in the same plot on the true color image.

2.3 主要糧食作物分類結(jié)果與精度評(píng)價(jià)

2.3.1 分類決策樹

在多尺度分割的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)作物的物候信息特征，開展地面選取樣點(diǎn)在多時(shí)相影像上的特征值計(jì)算，確定不同作物類型的光譜特征指數(shù)和地形特征值指數(shù)閾值范圍，建立面向?qū)ο蟮臎Q策樹模型（圖9），提取主要糧食作物的種植分布。

2.3.2 分類結(jié)果

利用多時(shí)相Sentinel-2衛(wèi)星資料，采用面向?qū)ο蟮臎Q策樹方法對(duì)2018年渝西地區(qū)糧食作物識(shí)別結(jié)果表現(xiàn)為，水稻、玉米、紅薯為研究區(qū)的主要農(nóng)作物，呈鑲嵌結(jié)構(gòu)廣泛分布于研究區(qū)（圖10）。其中水稻種植面積最大，約20.7萬hm2，在各區(qū)縣均有大量分布；紅薯種植面積其次，約9.3萬hm2，主要分布在合川、潼南、銅梁等區(qū)縣；玉米面積約7.3萬hm2，在合川、潼南、銅梁有大量種植。從圖中還可以看出，水稻主要種植在研究區(qū)中狹長(zhǎng)分布的、地形較平緩的地區(qū)，林地集中分布于研究區(qū)地勢(shì)相對(duì)較高的中部山脈及偏西區(qū)域，其他區(qū)域有零散分布。山腳下林地周邊略有坡度的耕地有少量水稻種植，較多種植了玉米和紅薯，這也與農(nóng)作物本身的物候特性相關(guān)。將遙感監(jiān)測(cè)的作物種植面積與當(dāng)年統(tǒng)計(jì)年鑒對(duì)比，顯示遙感監(jiān)測(cè)的3種作物面積與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)非常接近，總面積較統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)值偏少2.9%。

2.3.3 精度評(píng)價(jià)

研究基于野外調(diào)查數(shù)據(jù)和Google Earth影像獲取了均勻分布的649個(gè)驗(yàn)證樣本，包括235個(gè)水稻樣本，189個(gè)玉米樣本，83個(gè)紅薯樣本，林地樣本132個(gè)，以及10個(gè)其他地類（建筑用地、河流、裸地、云影響區(qū)等）樣本，使用混淆矩陣精度評(píng)價(jià)方法對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算分類結(jié)果的總體精度為90.8%，Kappa系數(shù)為86.3%。利用作物關(guān)鍵生育期時(shí)相的影像分類得到的水稻、玉米、紅薯的用戶分類精度分別為85.7%、83.3%和 80.7%（表1），分類結(jié)果與地類實(shí)際空間分布基本一致。玉米田塊中有被錯(cuò)分成紅薯、水稻和林地，一部分水稻田塊被錯(cuò)分成玉米，紅薯種植多為套種，田塊中有局部斑塊錯(cuò)分成玉米和林地，說明在多光譜數(shù)據(jù)中，水稻、玉米、紅薯和林地的光譜較為相似，局部田塊的分類效果較差。對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，將符合精度要求的分類結(jié)果輸出，獲取目標(biāo)作物識(shí)別結(jié)果。

圖9 面向?qū)ο蟮姆诸悰Q策樹

注：“0417”、“0606”、“0825”分別指4月17日、6月6日、8月25日Sentien1-2/MSI影像。NDVI、RVI和NDWI分別為歸一化植被指數(shù)、比值植被指數(shù)和歸一化差值水體指數(shù)。

Note: "0417", "0606" and "0825" represent the Sentien1-2/ MSI images of 17th April, 6th June and 25th August, respectively. NDVI, RVI and NDWI represent normalized difference vegetation index, ratio vegetation index and normalized difference water index, respectively.

分類結(jié)果驗(yàn)證了基于覆蓋作物完整生育期的高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用多種光譜指數(shù)聯(lián)合地形特征的方法進(jìn)行地形復(fù)雜地區(qū)農(nóng)作物種植分布識(shí)別的可行性。該方法可克服地物波譜特征相似的問題，使研究區(qū)的分類決策條件更細(xì)化、詳盡，在一定程度上提高了作物的分類精度，說明Sentinel-2多光譜數(shù)據(jù)在大區(qū)域尺度農(nóng)作物識(shí)別上有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

圖10 重慶市渝西地區(qū)2018年糧食作物分類結(jié)果

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）從重慶市大宗作物以田塊為基本管理單元的客觀事實(shí)出發(fā)，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄊ咕哂邢嗨菩螤?、光譜特征的像素在空間上集聚，在30的分割尺度下，形狀因子和緊湊度因子均為0.5時(shí)，同質(zhì)單元構(gòu)建效果更好，后續(xù)作物識(shí)別在田塊多尺度分割的基礎(chǔ)上分層進(jìn)行，避免了分類結(jié)果出現(xiàn)“椒鹽”現(xiàn)象。

（2）在田塊尺度上，結(jié)合主要糧食作物生育期，分析田塊級(jí)別光譜特征和地形特征并確定閾值，通過決策樹規(guī)則集的制定，完成了渝西地區(qū)主要糧食作物的智能識(shí)別。水稻、玉米、紅薯為呈鑲嵌結(jié)構(gòu)廣泛分布于研究區(qū)，分類總體精度達(dá)90.8%，Kappa系數(shù)為86.3%，水稻、玉米、紅薯的用戶精度分別為 85.7%、83.3%和 80.7%，說明在地形復(fù)雜地區(qū)，采用多光譜指數(shù)聯(lián)合地形特征的識(shí)別模型進(jìn)行多作物識(shí)別可以獲得較高的分類精度。

3.2 討論

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)作物種植空間識(shí)別開展了大量研究，但研究多針對(duì)地勢(shì)平坦地區(qū)，識(shí)別作物種類單一，針對(duì)地形復(fù)雜、作物種類繁多的地區(qū)的研究并不多見。因而，本文針對(duì)目前農(nóng)作物遙感識(shí)別中存在的問題，提出一種多種光譜指數(shù)聯(lián)合地形特征的主要糧食作物遙感識(shí)別方法，該方法針對(duì)復(fù)雜地形條件下，作物種植分散且斑塊尺度小，多種作物生育期存在重疊的情況提出，識(shí)別總體精度達(dá)到了90.8%，驗(yàn)證了利用多時(shí)相高分辨率衛(wèi)星資料在地形復(fù)雜地區(qū)對(duì)大宗作物識(shí)別技術(shù)的可行性，可為其他地形復(fù)雜作物分類提供較好的理論與實(shí)踐支撐。

本研究?jī)H采用三種光譜特征指數(shù)和兩種地形指數(shù)組合建立識(shí)別模型，后續(xù)工作將對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化完善。一是特征變量的優(yōu)選和組合研究上；二是協(xié)同光學(xué)和微波遙感影像技術(shù)，挖掘作物生長(zhǎng)周期內(nèi)的多特征信息，綜合考慮多云霧復(fù)雜地形下研究區(qū)作物“光譜?后向散射?空間結(jié)構(gòu)?紋理”特征對(duì)于中小尺度斑塊水稻精細(xì)識(shí)別的貢獻(xiàn)，構(gòu)建多特征協(xié)同優(yōu)化策略的精細(xì)識(shí)別方法。

表1 糧食作物分類結(jié)果的混淆矩陣（樣本數(shù)）

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Remote Sensing for the Planting Area of Major Grain Crops in Complex Terrain Regions by Integrating Multiple Spectral Indices with Topographic Features

FAN Li1,2, WANG Yan3, ZHU Hao1,2,ZHANG Ji1,2

(1.Chongqing Institute of Meteorological Sciences, Chongqing 401147, China; 2. Chongqing Engineering Research Center of Agrometeorology and Satellite Remote Sensing, Chongqing 401147; 3.Chongqing Academy of Agricultural Sciences, Chongqing 401329)

Accurate monitoring of crop spatial distribution in topographically complex areas is of great significance for guiding agricultural management production and reasonable allocation of resources. However, scattered crop distribution and high spatial heterogeneity pose challenges for precise classification. The objective of this study was to explore a method for simultaneous precise identification of multiple crops with multi-temporal high-resolution satellite data under complex terrain conditions, thus further providing a theoretical and practical basis for crop identification in Chongqing city area and the complex low hills area in southwest China. The western Chongqing was selected as the study area. First, a multi-scale segmentation algorithm was adopted to construct homogeneous units from fields of the same feature type. This approach helped to achieve high accuracy classification by avoiding overly fragmented classification results based on pixel classification. Secondly, the multi-temporal Sentinel-2/MSI remote sensing images were used to explore the weathering patterns and characteristic parameters during the fertility period of major food crops. The spectral indices, such as NDVI, RVI and NDWI, were constructed to compare the differences in remote sensing spectral information of different crop types at various fertility periods based on ground sample points. Such information was then combined with the topographic features to determine the optimal combination for crop identification. Finally, an object-oriented decision tree logical classification rule set was established to extract major grain crop growing areas. The results showed that, (1) the multi-scale segmentation method was an effective approach that can make crop identification on a field basis. In addition, the vegetation edge segmentation was optimal at a segmentation scale of 30 and a compactness and shape factor of 0.5. (2) The target feature discrimination threshold was established by combining the spectral feature indices of NDWI in April, RVI in June, NDVI in August and NDVI in August with the topographic features such as altitude and slope. The overall accuracy of the classification reached 90.8%, being 85.7%, 83.3% and 80.7%, for paddy rice, maize, and sweet potato, respectively. This paper showed that the crop planting area identification method based on multiple spectral indices combined with topographic features can achieve high recognition accuracy and has practical significance.

Complex terrain；Sentinel-2；Crops；Object-oriented；Decision trees

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.09.008

范莉,王妍,祝好,等.多種光譜指數(shù)聯(lián)合地形特征對(duì)復(fù)雜地形區(qū)主要糧食作物種植面積的遙感識(shí)別[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2023,44(9):845-856

2022?12?05

重慶市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（CSTB2022NSCQ-MSX0588）；重慶市氣象部門業(yè)務(wù)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目（YWJSGG- 202315）；重慶市氣象部門智慧氣象技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（ZHCXTD-202022）；重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用示范專項(xiàng)社會(huì)民生類重點(diǎn)項(xiàng)目（cstc2019jscx-gksbX0138）

王妍，副研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源分析、土資源信息管理和農(nóng)業(yè)信息技術(shù)等，E-mail：271840221@qq.com

范莉，E-mail：fanli_0223@163.com