基于m影像的烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)研究

基于m影像的烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)研究

衛(wèi)星遙感圖像包含波譜、空間和時(shí)間的信息。植物的物候?qū)W特征導(dǎo)致不同的光譜特征，并且在不同的生長(zhǎng)階段是不同的，并且這種季節(jié)相序在不同植物物種之間是不同的。根據(jù)物候特點(diǎn),選擇地物影像特征差異較大的時(shí)相,有利于去除其他地物的干擾信息,實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的遙感識(shí)別。國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了較多關(guān)于小麥、棉花、水稻等農(nóng)作物最佳時(shí)相選擇的研究。千懷隧根據(jù)作物光譜的種間差異、作物物候的種間差異、太陽(yáng)高度角的變化等信息,分析了我國(guó)主要糧食遙感估產(chǎn)最佳時(shí)相的選擇方法;李存軍等根據(jù)春夏季作物的物候特點(diǎn)探討了冬小麥和苜蓿遙感監(jiān)測(cè)和面積提取的方法;韓立建等基于多時(shí)相IRS-P6衛(wèi)星AWIFS影像研究了水稻種植面積的提取方法;國(guó)外Moran、Tso、Blaes等利用多時(shí)相遙感影像對(duì)地物的遙感識(shí)別和分類也進(jìn)行了研究?？緹熓侵匾慕?jīng)濟(jì)作物,鑒于吸煙對(duì)人體的危害,其種植面積和產(chǎn)量受到國(guó)家的嚴(yán)格監(jiān)控。同時(shí)烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)面臨烤煙空間分布破碎分散,烤煙與其它作物普遍混種或間種,以及烤煙與玉米等農(nóng)作物的光譜特征比較相近等難點(diǎn)。但目前關(guān)于烤煙遙感最佳時(shí)相選擇的研究還很缺乏,因此急需對(duì)各地烤煙遙感的最佳時(shí)相進(jìn)行選擇和分區(qū),以弱化相關(guān)因子的干擾,降低信息處理的難度,推進(jìn)烤煙遙感的進(jìn)程。本文根據(jù)云南紅河地區(qū)烤煙種植的特點(diǎn),以瀘西縣為例闡述了烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)最佳時(shí)間的選擇方法和烤煙遙感識(shí)別的一般規(guī)律,為相似地區(qū)的烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)提供參考。1大隴西縣統(tǒng)一大山東區(qū)煙物綜合種養(yǎng)基地的建設(shè)以云南省瀘西縣為研究區(qū),其地形地貌特征和烤煙空間分布情況見(jiàn)圖1所示。瀘西縣位于紅河州的東北部,位于103°30′～104°04′E,24°15′～24°45′N間,總面積1674km2,是云南省的烤煙種植大縣,年產(chǎn)烤煙1500×104kg,是云南烤煙種植的典型地區(qū)。屬亞熱帶季風(fēng)氣候,光照充足、晝夜溫差大,常年平均氣溫15.2℃,年均日照2122h,無(wú)霜期270d,年平均降雨量966mm。地處滇東高原,山區(qū)和丘陵占總面積的82.4%,最高海拔2459m,最低海拔821m,山地立體氣候明顯。瀘西縣的烤煙移栽時(shí)間一般在4月底開(kāi)始到5月中旬全部結(jié)束。烤煙移栽均采用地膜增溫技術(shù),以搶抓有效積溫、實(shí)現(xiàn)早生快發(fā)、提高煙葉內(nèi)在質(zhì)量。所產(chǎn)煙葉色澤金黃,組織疏松,油潤(rùn)豐滿,煙堿適中,內(nèi)在品質(zhì)好,香氣量足,余味舒適純凈。2物理和光譜特征的分析2.1玉米、煙食細(xì)度玉米與烤煙的光譜特征十分相似,是與烤煙最難區(qū)分的農(nóng)作物。在旺長(zhǎng)期的遙感影像上玉米與烤煙的光譜曲線基本一致,不利于兩者的區(qū)分。然而烤煙和玉米的物候存在較大差異,基于物候的差異利用多時(shí)相遙感影像可以比較容易區(qū)分玉米和烤煙。研究區(qū)內(nèi)春玉米播種時(shí)間為每年3月下旬到4月上旬,一般采用先播種后覆膜的方式,于8月底9月初成熟;夏玉米播種時(shí)間為每年5月下旬到6月上旬,此時(shí)氣溫較高,一般不需覆蓋地膜,于10月底11月初成熟;烤煙移栽時(shí)也覆蓋地膜,但與春玉米的地膜覆蓋時(shí)間存在近一個(gè)月的時(shí)間差?？緹熞圃詴r(shí)間一般在4月底開(kāi)始到5月中旬結(jié)束,于8月初煙葉成熟采收烘烤,玉米和烤煙的物候歷見(jiàn)表1所示。2.2煙田特征在覆蓋觀測(cè)于煙田塊5月下旬瀘西縣的烤煙煙苗全部移栽到煙田,并全部覆蓋地膜,以搶抓有效積溫。圖2是烤煙等地物的實(shí)測(cè)光譜曲線。由圖2中d與e可知道,烤煙與玉米的光譜特征十分接近。旺長(zhǎng)期的烤煙和玉米的空間紋理特征也比較類似,因此在不使用高光譜遙感影像的情況下識(shí)別兩者非常困難。而覆蓋于煙田地表的地膜屬于人工合成樹(shù)脂,其光譜特征與其他地物存在明顯差異(如圖2中b),有利于輔助識(shí)別煙田地塊。TM影像是最常用的遙感數(shù)據(jù)源之一,其空間分辨率為30m,這個(gè)尺度下所得到的地物光譜多為混合光譜。烤煙移栽后,TM采集到的煙田光譜主要是由地膜、烤煙煙苗和土壤組成的混合光譜。光譜儀模擬測(cè)量得到的其混合光譜曲線如圖2中f所示。由此可知,該混合光譜與裸地和玉米等地物的光譜特征均存在較大差異,因此可作為識(shí)別烤煙地塊的特征光譜。盡管煙田地膜與玉米田地膜之間光譜也十分相似,但玉米田地膜出現(xiàn)在3月底,而煙田地膜出現(xiàn)在5月中旬,兩者存在很長(zhǎng)一段時(shí)間差,可以消除這種不利因素。雖然夏玉米的播種時(shí)間與烤煙移栽時(shí)間比較接近,但是夏玉米不需要覆蓋地膜,因此也不會(huì)與煙田地膜產(chǎn)生混淆。3時(shí)間選擇3.1遙感影像的選取及背景分析利用地膜作為煙田識(shí)別標(biāo)志時(shí),遙感影像的時(shí)間選擇非常重要。烤煙移栽和春玉米播種時(shí)均覆蓋地膜,由于兩者的地膜覆蓋時(shí)間存在較長(zhǎng)一段時(shí)間差,為煙田與玉米的區(qū)分提供了條件。為了便于說(shuō)明,需要定義地膜可視度。植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在單位面積內(nèi)的垂直投影面積所占百分比。參考植被覆蓋度的定義方法,地膜可視度定義為沿垂直方向從上往下所觀察到的地膜面積所占單位面積百分比,如圖3a所示。煙田和玉米的植被覆蓋度及地膜覆蓋度隨著時(shí)間的推移是逐漸演變的,根據(jù)其演變規(guī)律選擇適宜的遙感監(jiān)測(cè)時(shí)間成為區(qū)分煙田和玉米的關(guān)鍵。根據(jù)瀘西縣烤煙和春玉米的生長(zhǎng)物候期模擬得到它們的植被覆蓋度和地膜可視度的演變趨勢(shì)曲線,如圖3所示。烤煙和玉米的地膜可視度隨著時(shí)間推移逐漸變小,而植被覆蓋度則先增大后減小。5月下旬至6月初這一時(shí)段,烤煙和玉米的植被覆蓋度與地膜可視度的大小和比例關(guān)系比較恰當(dāng),是適宜于遙感區(qū)分的最佳時(shí)段。若早于這個(gè)時(shí)段,則烤煙和玉米的地膜可視度均比較大,遙感影像主要反映為地膜的光譜,引起烤煙地膜與玉米地膜之間的光譜混淆;若晚于這個(gè)時(shí)段,則烤煙和玉米的植被覆蓋度比較大,遙感影像主要反映為植被的光譜,引起烤煙與玉米葉片之間的光譜混淆;唯有5月下旬至6月初這一時(shí)段,遙感影像上烤煙主要表現(xiàn)為地膜特征,而玉米則表現(xiàn)為植被特征,從而有利于它們的區(qū)分,是適宜于烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)的最佳時(shí)段。3.2米的tm-tm4影像特征選取6月初(6月9日)和7月初(7月11日)的TM影像各一幅,以驗(yàn)證分析烤煙和玉米的物候特征的演變規(guī)律。在影像上采集得到的烤煙和玉米兩個(gè)不同時(shí)相的TM光譜曲線見(jiàn)圖4所示,影像特征見(jiàn)圖5所示。7月初的烤煙和玉米的TM光譜曲線基本是一致的(見(jiàn)圖4曲線c和d),這時(shí)烤煙和玉米的植被覆蓋度均很高,表現(xiàn)為T(mén)M3到TM4光譜曲線的斜率都很陡,而地膜可視度接近于0,影像特征如圖5b所示。而6月初的烤煙和玉米的TM光譜曲線存在較明顯的差異(見(jiàn)圖4曲線a和b),此時(shí)烤煙和玉米的地膜可視度分別約為0.22和0.02,烤煙和玉米的植被覆蓋度分別約為0.09和0.23;這時(shí)的TM影像中煙田表現(xiàn)為土地、地膜和煙苗的混合光譜,而玉米地則主要表現(xiàn)為植被光譜特征,玉米的TM3到TM4光譜曲線斜率大大高于煙田的曲線斜率,影像特征如圖5a所示。上述分析也進(jìn)一步說(shuō)明,5月下旬至6月初是區(qū)分烤煙和玉米的最佳時(shí)段,而煙田地膜是最有利于烤煙識(shí)別的特征標(biāo)志。4調(diào)查問(wèn)卷的獲取和比選關(guān)于地表類型遙感自動(dòng)分類的方法多種多樣,具體應(yīng)用時(shí)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇。目視解譯廣泛地應(yīng)用于對(duì)精度要求較高的分類中,尤其適用于米級(jí)高分辨率遙感影像的分類。瀘西縣的烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)采取自動(dòng)分類和目視判讀相結(jié)合的方法,基本流程如圖6所示。在自動(dòng)分類的基礎(chǔ)上再結(jié)合目視判斷來(lái)核查和修改煙田分類結(jié)果。目視解譯時(shí),在對(duì)比分析多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的同時(shí),還利用TM與資源一號(hào)衛(wèi)星2.36m高分辨率全色波段的融合影像作為基礎(chǔ)地理底圖以準(zhǔn)確描述煙田地塊的準(zhǔn)確位置,結(jié)合一定數(shù)量的GPS野外實(shí)地采樣數(shù)據(jù),并利用土地利用現(xiàn)狀,煙田適宜區(qū)分布、土壤類型、煙田輪作、道路水渠等相關(guān)煙田基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)等作為判別分析和空間定位的輔助數(shù)據(jù),以便準(zhǔn)確地獲取烤煙的空間分布圖。基于圖7的流程,選擇2008-06-09和07-11兩幅TM影像,獲得了瀘西縣2008年的烤煙種植面積遙感監(jiān)測(cè)的結(jié)果,如表2所示。煙苗分發(fā)面積是指根據(jù)煙草公司向煙農(nóng)分發(fā)用于移栽的烤煙秧苗換算成的烤煙面積。該數(shù)據(jù)能夠比較全面真實(shí)的反映烤煙種植的實(shí)際面積,用以分析烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)的結(jié)果。偏差率=100%×(遙感監(jiān)測(cè)面積-煙苗分發(fā)面積)/煙苗分發(fā)面積。永寧鄉(xiāng)的偏差率最高,為12.4%;舊城鎮(zhèn)的偏差率最低,為5.6%;瀘西全縣的偏差率為10.1%;各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的平均偏差率為9.7%;說(shuō)明烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)能夠達(dá)到較高的精度,能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。5煙田膜遙感識(shí)別由于烤煙與玉米的光譜特征十分相似,在烤煙旺長(zhǎng)期單時(shí)相遙感影像上提取烤煙信息比較困難。而基于烤煙和玉米物候特征的差異,利用多個(gè)時(shí)相遙感影像,進(jìn)行烤煙面積的遙感監(jiān)測(cè)是可行的。烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵在于掌握烤煙與其他農(nóng)作物的物候特征,并且選取多個(gè)恰當(dāng)時(shí)相的遙感圖像以反映出各個(gè)時(shí)期的