吉林一號衛(wèi)星在鹽堿地精細提取中的應用—以吉林省乾安縣為例

文|李 彤 王春月 范昕桐

長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司

一、前言

土壤鹽堿化是指土壤含鹽量太高（超過0.3%），而使植物不能生長或者作物低產(chǎn)[1]。形成鹽堿地的條件有：氣候干旱和地下水位高；地勢低洼，沒有排水出路[2]。地下水都含有一定的鹽份，如其水面接近地面，而該地區(qū)又比較干旱，由于毛細作用上升到地表的水蒸發(fā)后，便留下鹽分，日積月累，土壤含鹽量逐漸增加，形成鹽堿地。土地的鹽堿化是當今世界土地種植面積退化的主要原因之一，也是各個國家重視的難題。我國的鹽堿地主要集中在濱海地區(qū)、華北及華東平原和西北內(nèi)陸地區(qū)，土地的鹽堿化使大量可耕種的土壤退化，一定程度上削減了中國農(nóng)業(yè)的綜合生產(chǎn)能力，因此研究土地鹽堿化的監(jiān)控及控制措施刻不容緩[3]。

目前，獲取鹽堿地分布的方法有以下幾種:人工相機拍照、激光掃描、區(qū)域內(nèi)攝像頭監(jiān)控、無人機航測、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。前四種往往需要大量的人力投入，且無法宏觀、快速獲取鹽堿地信息。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有探測范圍大、光譜信息豐富、觀測角度高等特點[4-5]，有利于對區(qū)域土地鹽堿化分布及其程度進行認知，可以為鹽堿地整治規(guī)劃提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

本文以吉林省乾安縣為研究區(qū)，以“吉林一號”0.75m 分辨率衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，研究鹽堿地精確提取的方法，快速、全面和定量地提取鹽堿地信息，并對提取的鹽堿地結(jié)果進行匯總、分析，得到鹽堿地的定量化分析結(jié)果，為制定高效的鹽堿地整治規(guī)劃措施提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

二、研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1. 研究區(qū)域介紹

吉林省乾安縣隸屬于松原市，地處吉林省西北部，松原市西部，123.417° E—124.387° E，45.304° N—44.64° N。乾安縣位于松嫩平原腹地，松花江、嫩江匯合處以南，全縣面積約為3616km2。吉林省乾安縣地勢平坦，屬于溫帶半干旱半濕潤氣候區(qū)，四季分明，全年溫度變化較大，無霜期短。乾安縣低洼處較多，溶解于水的鹽分隨著水存于此處，且難以排出，因此容易導致鹽分在土壤的表層堆積，從而導致土壤鹽堿化程度較為嚴重。

2. 研究數(shù)據(jù)源介紹

吉林一號星座是長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司在建的核心工程，由138 顆涵蓋高分辨、大幅寬、視頻、多光譜等系列的高性能光學遙感衛(wèi)星組成。截至2022 年8 月，吉林一號在軌衛(wèi)星數(shù)量達到70 顆，可對全球任意地點實現(xiàn)每天23 至25 次重訪，具備全球一張圖一年更新2 次、全國一張圖一年更新6次的能力。吉林一號重訪高、分辨率高、幅寬大等優(yōu)勢可以為土壤環(huán)境監(jiān)測提供豐富的遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品服務[6]。

本次吉林省乾安縣鹽堿地精細提取采用吉林一號寬幅01A 衛(wèi)星作為主要數(shù)據(jù)源，其衛(wèi)星空間分辨率為 0.75m，包含藍光、綠光、紅光以及近紅外四個光譜通道。衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的獲取和處理均需滿足兩個要求：一是衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，要求云量低于10%，側(cè)擺角低于±10°，二是鹽堿地的空間紋理特征與積雪類似，因此為了去掉積雪帶來的影像，影像拍攝時間需排除冬季。最終選擇的衛(wèi)星遙感影像獲取時間為2021 年6 月11 日10時，云量為1%，側(cè)擺角為-6.99°，效果理想，滿足應用的要求，松原市乾安縣吉林一號衛(wèi)星遙感影像圖如圖1 所示。鹽堿地等級的界定、遙感特征與影像樣本如表1 所示。

圖1 松原市乾安縣吉林一號衛(wèi)星遙感影像圖

三、鹽堿地精細提取

1. 鹽堿地程度分級標準

鹽堿地按照嚴重程度可以分為三種等級：重度鹽堿地、中度鹽堿地和輕度鹽堿地[7-8]。各種等級的界定、遙感特征與影像樣本如表1，表中的衛(wèi)星遙感影像樣本均來源于圖1。

2. 采用的乾安縣鹽堿地精細提取方法

為了實現(xiàn)乾安縣鹽堿地的精細提取，本文使用吉林一號高分辨率遙感影像，技術(shù)路線圖如圖2 所示。衛(wèi)星遙感影像經(jīng)過預處理后，獲取樣方并進行目視解譯得到帶標記的樣方，分為訓練集、驗證集和測試集。在藍光、綠光、紅光以及近紅外四個光譜通道中，鹽堿地與道路的光譜特性比較相似，因此無法僅用光譜特性對鹽堿地進行提取，需要利用大量的空間特征，而對于提取高分辨率影像中地物的空間特征而言，語義分割方法通常能夠取得比像素級分類更好的結(jié)果。本案例使用語義分割方法對高分辨率遙感影像中的鹽堿地進行提取，所用的語義分割方法為DeepLabv3+（一種用于語義圖像分割的基于擴張可分離卷積的編碼器- 解碼器結(jié)構(gòu)），該方法引入特征融合策略，使網(wǎng)絡保留了比較多的淺層信息，同時它也加入了深度可分離卷積來對分割網(wǎng)絡的速度進行優(yōu)化，最終得到較好的分割邊界[9]。經(jīng)過DeepLabv3+ 模型預測得到的結(jié)果，再進行Majority/MinorityAnalysis（主/次要分析）實現(xiàn)后處理，優(yōu)化提取結(jié)果。最后，使用測試集對提取結(jié)果進行精度驗證。

圖2 利用吉林一號衛(wèi)星遙感影像進行鹽堿地提取技術(shù)路線圖

3.乾安縣鹽堿地精細提取

利用2021 年6 月11 日吉林一號高分辨率衛(wèi)星遙感影像，使用語義分割方法進行乾安縣鹽堿地精細提取，分析乾安縣鹽堿地分布和程度信息。乾安縣鹽堿地提取結(jié)果如圖3 所示，為了驗證提取結(jié)果準確性，目視解譯30 個512 像素×512 像素大小的樣方標簽作為測試集，具有代表性的各類型鹽堿地樣方真彩色影像、地物標簽、提取結(jié)果如圖4 所示，觀察提取結(jié)果的細節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，重度、中度、輕度的鹽堿地區(qū)分良好，邊界比較清晰，對于尺寸較小的細碎地塊提取效果十分理想。經(jīng)樣方驗證的總體精度為94.60%，Kappa 系數(shù)為0.9068，詳見表2。提取的鹽堿地總面積約為156km2，其中重度鹽堿地占比約為19.8%，中度鹽堿地占比約為54.1%，輕度鹽堿地占比約為26.1%。

表 2 各類鹽堿地提取精度

圖 3 乾安縣鹽堿地分布圖

圖 4 部分樣方

通過與基于隨機森林分類的Sentinel-2A/B 影像土地利用分類[10]、基于全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的高分一號影像鹽堿地提取[11]、基于鹽堿化監(jiān)測指數(shù)的Landsat 影像鹽堿地提取進行對比[12]，本文基于語義分割方法的吉林一號高分辨率影像鹽堿地提取結(jié)果分辨率更高，精度更優(yōu)。

四、結(jié)論

基于吉林一號高頻次、高覆蓋、高空間分辨率的衛(wèi)星遙感影像可以進行鹽堿地精細提取,高效地提取出不同嚴重程度的鹽堿地，且邊界清晰。使用語義分割方法，選取吉林省松原市乾安縣作為研究區(qū)域，提取效果較好，提取結(jié)果經(jīng)樣方驗證的總體精度為94.60%，Kappa 系數(shù)為0.9068。

通過吉林一號衛(wèi)星影像分析研究區(qū)內(nèi)土壤鹽堿化的形成原因，從自然因素看，研究區(qū)內(nèi)地形低洼平坦，存在大量水坑，造成大量鹽分聚集。從人類活動因素看，研究區(qū)內(nèi)耕地占比大，草地退化現(xiàn)象較為嚴重。乾安縣鹽堿化程度以中度為主，重度和中度鹽堿地多集中在乾安縣中西部的水坑周圍，輕度鹽堿地多分布在中東部，分散于耕地、水坑周圍。在鹽堿地規(guī)劃整治措施上，應因地制宜，根據(jù)土壤鹽堿程度分區(qū)制定改良策略。