基于Landsat影像的勐臘縣橡膠遙感識(shí)別與種植面積信息提取

韓 雪 賈麗娟

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125）

云南省是我國(guó)最大的橡膠種植區(qū)。據(jù)2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，云南省橡膠面積為57.13萬(wàn)hm2，居全國(guó)首位。云南省橡膠種植區(qū)主要分布在西南部，其中勐臘縣的橡膠種植面積為14.87萬(wàn)hm2。本研究利用Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)遙感影像的顏色、紋理、形狀等信息來(lái)提取橡膠種植面積。由于Landsat影像上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“同譜異物、同物異譜”的現(xiàn)象，并且橡膠在品種、樹齡等方面不同，通過實(shí)地調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比分析不同種植區(qū)域橡膠在不同類型、不同時(shí)期遙感圖像上的光譜特征，尋找橡膠遙感識(shí)別最佳窗口期，確定橡膠的解譯標(biāo)志，并采用高精度衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行精度驗(yàn)證。綜合分析上述情況，可為研究建立橡膠遙感識(shí)別和面積提取技術(shù)方法提供第一手資料[1-4]。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

勐臘縣位于云南省最南端，地處北緯21°08'～22°25'、東經(jīng) 101°06'～100°50'之間，隸屬西雙版納傣族自治州。轄區(qū)國(guó)土面積6 860.84 km2，山地占95.63%，山間盆地（壩子）占4.37%。

自1956年橡膠基地建設(shè)以來(lái)，西雙版納的橡膠林規(guī)模不斷擴(kuò)大。2003年農(nóng)墾與民營(yíng)橡膠面積各占50%[1-2]。20世紀(jì)末期橡膠價(jià)格暴漲（1994—2007年西雙版納傣族自治州的生膠收購(gòu)價(jià)瘋漲900%），出現(xiàn)狂熱投資橡膠種植的現(xiàn)象。橡膠種植向高緯度、高海拔、陡坡地帶蔓延，大量林地、旱地（輪歇地）轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z林，橡膠林已經(jīng)成為西雙版納的標(biāo)志性植被類型。2008年實(shí)施的林權(quán)改革政策，不僅使橡膠林具有產(chǎn)膠和木材的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)內(nèi)涵，還明確了林權(quán)歸屬關(guān)系，因而橡膠林出現(xiàn)了更為快速的擴(kuò)張，產(chǎn)膠技術(shù)要求的一定株間距和種植海拔高度不斷被打破。獲取橡膠林地的空間分布信息對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)具有重要意義（圖1）。

1.2 研究范圍的界定

根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并結(jié)合研究區(qū)內(nèi)作物種植情況，從方法探討的角度選擇了橡膠種植面積相對(duì)較大且其他作物較少、易于區(qū)分的勐臘縣，以達(dá)到方法探討的目的，同時(shí)減少一定的工作量。此外，用GPS進(jìn)行導(dǎo)航并沿途采集解譯標(biāo)志點(diǎn)，野外調(diào)查路線及解譯標(biāo)志點(diǎn)分布見圖2。待到達(dá)調(diào)查點(diǎn)后，通過實(shí)時(shí)判讀圖像，建立遙感影像特征與實(shí)地地物的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)建地物解譯標(biāo)志認(rèn)知體系，研究目標(biāo)作物遙感圖像影像特征和空間分布規(guī)律。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用影像數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所Landsat 8下載共享系統(tǒng)中2020年的免費(fèi)中分辨率影像和購(gòu)自美國(guó)的Planet 2020年高分辨率影像。工作平臺(tái)為ERDAS IMAGINE Classic Interface和 ArcMap 10.2。

表2 Planet數(shù)據(jù)光譜特征及應(yīng)用領(lǐng)域

1.4 方法與技術(shù)流程

1.4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)Landsat 8數(shù)據(jù)進(jìn)行波段疊加、投影轉(zhuǎn)換和裁剪；Planet數(shù)據(jù)為購(gòu)買的商業(yè)數(shù)據(jù)，無(wú)須進(jìn)行處理，可直接使用。Landsat 8數(shù)據(jù)和Planet數(shù)據(jù)源覆蓋情況見圖3。

1.4.2 解譯標(biāo)志的建立。因?yàn)闊釒в炅值貐^(qū)多云霧，衛(wèi)星質(zhì)量易受干擾，所以本研究查詢并下載了調(diào)查區(qū)不同時(shí)期的Landsat 8影像。具體時(shí)相為2017年10月31日、2018年11月3日、2019年2月23日、2019年4月12日、2019年 12月 8日、2020年1月25日、2020年3月13日、2020年5月16日，共計(jì)8景影像。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橡膠樹品種、樹齡、種植時(shí)間、種植地形[4]等因素影響其在遙感圖像的色調(diào)、紋理特征。經(jīng)實(shí)地考察驗(yàn)證、篩選、對(duì)比，選擇了影像數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較好的2020年5月（圖4）。

1.4.3 計(jì)算方法與流程。利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類與人工目視解譯相結(jié)合的方法，以實(shí)地采集的解譯標(biāo)志為基礎(chǔ)，分別提取勐臘縣2020年5月Landsat 8數(shù)據(jù)及高分辨率Planet（3 m）數(shù)據(jù)中的橡膠種植面積。利用Planet數(shù)據(jù)的提取結(jié)果，評(píng)估Landsat 8數(shù)據(jù)的橡膠面積提取精度。根據(jù)Planet數(shù)據(jù)和Landsat 8數(shù)據(jù)計(jì)算橡膠種植面積的修正系數(shù)，修正Landsat 8數(shù)據(jù)的橡膠種植面積，與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。監(jiān)測(cè)技術(shù)流程見圖5。

1.4.4 修正系數(shù)計(jì)算。利用Planet數(shù)據(jù)橡膠面積解譯結(jié)果以及與Planet數(shù)據(jù)年份相同的Landsat 8影像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)區(qū)域的橡膠解譯結(jié)果，計(jì)算面積修正系數(shù)。修正Landsat 8影像全縣解譯面積，計(jì)算得出勐臘縣的橡膠遙感解譯面積，與2020年勐臘縣橡膠種植面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。修正系數(shù)的計(jì)算方法：修正系數(shù)=Planet解譯的橡膠面積/Landsat 8解譯的橡膠面積。其中，Landsat 8解譯的橡膠面積是指與Planet數(shù)據(jù)覆蓋范圍相對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的Landsat 8解譯結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

云南省第一代橡膠樹于1959—1969年種植，平均種植密度為450株/hm2，種植期大約為40年；在2006—2007年完成第二代橡膠樹種植，實(shí)現(xiàn)橡膠樹第一次更新。本文選取2020年5月的研究區(qū)域衛(wèi)星影像進(jìn)行分類提取，得到結(jié)果如下：解譯總面積（Landsat）為 173 505.09 hm2，公共區(qū)面積（Landsat）為84 602.82 hm2、公共區(qū)面積（Planet）為 77 597.18 hm2，修正系數(shù)為0.917 2，修正后面積為159 138 hm2。同時(shí)，得到勐臘縣橡膠種植范圍分布情況（圖6）。可以清楚地看出，勐臘縣橡膠主要分布在西部及東南部，而北部基本未種植，統(tǒng)計(jì)后得出2020年勐臘縣橡膠種植面積與2020年勐臘縣統(tǒng)計(jì)面積相比，誤差為0.075 3。

3 結(jié)論與討論

遙感技術(shù)在作物監(jiān)測(cè)及土地利用調(diào)查中具有范圍廣、速度快、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。通過此次研究，結(jié)合不同時(shí)期影像分析，初步確定了云南省橡膠林最佳遙感識(shí)別窗口期為3—5月，同時(shí)掌握了勐臘縣橡膠種植面積和分布。此外，利用中高分辨率影像可較為準(zhǔn)確地提取出橡膠面積，為日后對(duì)橡膠林進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)打下了基礎(chǔ)。