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随着茶叶价格飘升,茶农积极性高涨,大面积的山地被开发成茶园。茶叶大面积栽培,促进当地经济发展的同时引发了一系列生态环境问题。茶园面积过度扩张,种植面积明显超过理想面积,导致森林资源破坏,水土流失严重[1]。茶园除草、施肥等经营措施,又导致土壤肥力下降、生物多样性降低、土地退化等系列问题。明确茶园的空间分布和栽培面积,是政府部门管理决策的关键。但茶园分布广泛,面积增加迅速,实地调查准确的茶园面积及空间信息需耗费大量人力物力。遥感技术可有效地获取地表信息,既可以大面积、周期性的重复观测,也可以节省大量的人力、物力和时间[2]。过去的几十年中,有学者利用遥感技术进行经济林专题信息提取等相关研究[3-4]。梁守真等[5]以MODIS和Landsat数据为基础构建分类模型,开展橡胶Hevea brasiliensis林提取研究。XI等[6]基于多时相Landsat影像使用混合像元分解方法提取山核桃Carya cathayensis分布范围,并检测其受干旱干扰程度。用传统Landsat等中等分辨率影像进行经济林信息提取,受空间分辨率限制,精度不高。随着遥感影像空间分辨率不断提高,高分辨率影像越来越多被应用于林业遥感中[7]。WANG等[8]利用GF-1和ZY-3高分辨率影像,使用专家规则方法提取了香榧Torreya grandis ‘Merrillii’在浙江的分布信息。梁文海等[9]基于面向对象方法使用GF-2影像提取广西横县桉树经济林的分布。随着影像空间分辨率的提高,地物的空间信息更加丰富,但“同物异谱”现象也更加严重。由于高分辨率影像一般仅含红、绿、蓝、近红外等4个波段,受光谱分辨率限制,在区分植被类型时有一定的局限性。2015年12月发射的Sentinel-2卫星包含3个红边波段,是绿色植物生长状况的敏感性波段。如IMMITZER等[10]使用Sentinel-2数据对中欧农作物及树木进行分类,表明红边及短波红外波段可提取植被信息。茶园主要分布在景观复杂的丘陵山区,且茶园与灌丛等木本植被的光谱特征相似[11],这些因素为茶园遥感提取带来一定困难,仅见个别学者应用遥感技术提取茶园信息[11-13],尚无利用Sentinel-2数据提取茶园分布的研究。鉴于此,本研究以浙江西北部地区为研究区,基于Sentinel-2多光谱影像,结合茶园物候信息和经营管理模式,分析不同时间下茶园与其他地类的光谱特征,以红边波段构建归一化茶园指数,使用决策树方法对茶园信息进行提取,为Sentinel-2数据应用于植被提取及监测提供参考。
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本研究使用的遥感数据是从欧洲太空局的Copernicus Open Access Hub网站上获取Sentinel-2卫星数据,是大气表观反射率一级产品(L1C),共4景无云数据,时间分别为2017年10月31日,2018年2月13日,2018年5月4日和2018年7月18日。Sentinel-2卫星搭载多光谱影像仪(multi-spectral instrument, MSI),拍摄影像包含13个波段,其中蓝、绿、红和近红外波段空间分辨率为10 m,3个红边波段、窄波近红外波段、2个短波红外波段空间分辨率为20 m,沿海气溶胶波段、水蒸气波段和卷云波段的空间分辨率为60 m。本研究选用分辨率为10和20 m共10个多光谱波段。数字高程模型(DEM)下载于美国航空航天局(NASA)官网,空间分辨率为12.5 m。
2016-2018年通过野外调查收集了研究区内主要绿色植被类型的地面数据,如茶园、毛竹Phyllostachys edulis林、阔叶林和针叶林等,其中的毛竹林被分为大年和小年分别调查。通过佳能D7000 GPSCAMERA,获取了带有坐标信息的地类照片300张。同时,通过野外调查和室内勾绘的方法在奥维互动地图上标定了517个不规则多边形地块,将调研获取的真实地块信息转化为矢量格式,以此作为本研究使用的样本数据。
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数据预处理主要包括投影系统转换、大气校正、几何校正、地形校正4部分。首先将本研究的空间数据统一转换为UTM 50N投影坐标系统,大地基准为WGS 1984。使用欧洲太空局的SNAP软件中的Sen2Cor插件对原始数据进行大气校正,获取地表反射率数据[15]。基于双3次卷积插值法,将校正后的10个波段重采样到10 m。在Sentinel-2影像和DEM上选取均匀分布的30个控制点,采用3次卷积多项式模型进行几何校正,均方根误差控制在0.5个像元之内。
为了减少地形对分类的影响,基于DEM数据,采用分坡度的C校正模型[16]对Sentinel-2影像进行地形校正。C校正模型是基于影像像元值与太阳入射角余弦值构建线性关系,并加入经验参数对影像进行校正。其计算公式如下:
$${\rho _{\rm{m}}} = \rho \times \frac{{\cos \beta + c}}{{\cos i + c}}; $$ (1) $$\cos i = \cos \theta \cos \beta + \sin \theta \sin \beta \cos (\lambda - \omega )。 $$ (2) 式(1)~(2)中:ρm为校正后像元值;ρ为校正前像元值;c为校正系数;i为太阳入射角;β为太阳天顶角;λ为太阳方位角;θ为坡度;ω为坡向。
从影像头文件中获取太阳天顶角和高度角,基于DEM计算坡度和坡向。将坡度分为4个等级,分别对影像的像元值和太阳入射角余弦值进行拟合,获取校正系数c。结果显示:各波段的校正系数均小于1,校正后的影像凹凸立体感明显消除并趋于扁平(图 2),阴坡和阳坡亮度值差异得到改善,同时对比校正前后影像的均值和标准差(表 1),校正后各波段均值增加,标准差减小,地形校正效果较好。
表 1 地形校正前后影像反射率的均值和标准差
Table 1. Mean and standard of image reflectivity before and after topographic
波段 原始影像反射率 校正后影像反射率 均值 标准差 均值 标准差 蓝 492.11 191.86 489.98 191.78 绿 798.48 202.09 778.5 199.13 红 567.06 295.34 561.42 292.03 红边1 1 207.39 251.14 1 173.36 246.34 红边2 2 775.97 523.29 2 619.06 484.5 红边3 3 218.58 636.61 3 026.55 585.77 近红外 3 427.66 701.01 3 212.54 642.83 窄波近红外 3 406.25 657.24 3 202.82 604.11 短波红外1 2 092.51 359.25 2 022.74 348.64 短波红外2 1 158.88 318.39 1 142.87 315.91 -
茶树属于灌木,四季常绿,与灌丛等植被的光谱特征相似。但研究区内茶树有其特殊性,3-4月是茶叶采摘期,4月下旬和5月初进行修剪,受人为经营管理影响,茶园结构单一,林下无植被。这些特征为区分茶树与其他植被提供了可能。本研究分别对不同地类的光谱特征、季节特征、茶园指数构建和茶园信息提取与精度验证进行分析。
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综合考虑茶园的物候特征、人为干扰和遥感数据的可获取性,本研究选择了茶园生长减缓期(12月)、休眠期(2月)、修剪期(5月)和生长旺盛期(7月)4个时期的Sentinel-2数据的地表反射率图像,分别进行地物光谱特征分析。基于野外调查的样本数据,从Sentinel-2影像上选择2017-2018年没有变化的6类典型植被样本。其中毛竹林选取了小年830个像元,大年960个像元,阔叶林940个像元,针叶林800个像元,茶园680个像元,农田780个像元,每个像元大小为10 m × 10 m。从影像上提取每个地类在不同光谱波段上的光谱反射率,绘制不同季节不同地类的光谱曲线图(图 3),对比分析茶园的物候特征,以及茶园与其他地类在光谱曲线上的差异。
图 3 研究区内Sentinel-2影像真彩色组合图及主要植被类型光谱曲线示意图
Figure 3. True color combination of Sentinel-2 images and reflectance curves of vegetation
在茶园生长减缓期(12月),茶园和其他植被类型均表现出健康植被的光谱特征,针叶林在各个波段上反射率均低于其他地类,茶园仅在第3个红边波段和2个近红外波段的反射率比其他植被略高,但差异不明显。在冬末春初的2月,针叶林和阔叶林在各个波段的反射率低于其他地类,而农田还未种植作物,呈现裸地光谱特征,即农田在红边和近红外的反射率明显降低,而在短波红外波段上的反射率则明显高于其他地类,而茶园和竹林在冬季常绿,光谱特征接近,这个时期的茶园与竹林易混淆。在春末夏初的5月,阔叶林、小年竹林开始换叶,它们在红边和近红外的反射率明显升高,而茶园由于统一修剪,枝叶减少,裸地露出,此时所表现出的光谱特征与冬季的农田类似,即茶园在红边和近红外波段的反射率明显下降。除此之外,茶园在红边3波段上的反射率低于其他所有植被地类,而在短波红外2波段上的反射率则高于其他所有植被。在7月,各个植被类型都表现出生长旺盛期的植被光谱特征,各个地类之间的光谱反射率差异较小。
总体上,研究区内的植被在不同时期表现出明显的季节特征和光谱差异,茶园和其他典型植被在12月、2月和7月表现的光谱特征较一致,区分性不大,而5月茶园与其他植被类型光谱曲线特征明显不一致,因此可确定茶园提取的最佳时间在5月。由于农田存在休耕期,因此在5月茶园最容易混淆的地类为农田和裸地。
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归一化植被指数NDVI(normalized difference vegetation index)是反映植被生长状态的指示因子[17]。本研究首先计算了各个月的归一化植被指数。计算公式为:
$${N_{{\rm{DV}}{{\rm{I}}_ - }m}} = \frac{{{\rho _{{\rm{nir}}}} - {\rho _{{\rm{red}}}}}}{{{\rho _{{\rm{nir}}}} + {\rho _{{\rm{red}}}}}}。 $$ (3) 式(3)中:m表示月份, 如NDVI_5表示5月的归一化植被指数; ρnir和ρred分别为Sentinel-2数据的近红外波段(中心波长842 nm)和红波段(中心波长665 nm)的反射率。
根据多时相Sentinel-2数据的光谱特征曲线分析结果,在2和5月,茶园和农田在红边波段、近红外以及短波红外波段与其他地类的明显差异。计算短波红外2和红边波段3的归一化指数时可以突出茶园和农田在2个波段上的差异,因此构建归一化茶园指数NDTI(normalized difference tea garden index)。表达式如下:
$${N_{{\rm{DT}}{{\rm{I}}_ - }m}} = \frac{{{\rho _{{\rm{swi}}{{\rm{r}}_2}}} - {\rho _{{\rm{red}} - {\rm{edg}}{{\rm{e}}_3}}}}}{{{\rho _{{\rm{swi}}{{\rm{r}}_2}}} + {\rho _{{\rm{red}} - {\rm{edg}}{{\rm{e}}_3}}}}}。 $$ (4) 式(4)中:m表示月份,如NDTI_5表示5月的归一化茶园指数,ρswir2和ρred-edge3分别为Sentinel-2数据的短波红外波段(中心波长2 190 nm)和红边波段(中心波长783 nm)的反射率。根据式(3)和式(4),分别计算不同月份的归一化植被指数和归一化茶园指数,统计分析研究区内主要地类的归一化植被指数和归一化茶园指数值,对比分析茶园与其他地类的可区分性。如图 4所示:不透水地表和水体的归一化植被指数和归一化茶园指数表现出完全相反的指数值,2个指数都可以将不透水地表和水体与其他植被区分,其中NDVI_2对这2个地类的区分性更好,而且合适的取值还可以将与茶园最易混淆的农田信息剔除。茶园与其他典型的植被在10,2和7月的归一化茶园指数值比较接近,区分度很低,这是由于它们光谱特征接近,而在5月,茶园归一化茶园指数值明显大于其他植被,因此NDTI_5是区分茶园与其他植被的最优指数。
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本研究基于光谱特征分析和建立的归一化茶园指数,计算了4个不同季节的归一化植被指数和归一化茶园指数,对比了研究区内主要地类在不同季节指数上的特征,最大程度地提高了茶园与其他地类的可分离度。最终基于归一化植被指数NDVI_2和归一化茶园指数NDTI_5构建决策树,进行茶园信息的提取。
本研究精度验证的方法是混淆矩阵法。分类数据是基于Sentinel-2影像的决策树分类结果,参考数据是空间分辨率为0.6 m的2018年谷歌地球数据和后续实地调查的真实地块数据。分类结果为2类:一类是茶园;另一类是其他地类,主要有农田、不透水地表、植被和裸土等。为保证精度验证点的客观性,从分类结果中分层随机选取600个验证点,即茶园和其他地类各300个验证点,结合谷歌地球影像数据和实地调查数据进行精度评价,利用混淆矩阵和Kappa系数方法,对茶园提取结果进行精度评价。
Mapping tea gardens spatial distribution in northwestern Zhejiang Province using multi-temporal Sentinel-2 imagery
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摘要: 利用Sentinel-2遥感影像研究一种快速、准确提取茶园空间分布的新方法,可为茶园经济林资源及其动态变化的快速检测提供新的手段。以浙江省西北部为研究区,根据实地调查选取6类典型植被,基于4个季节的Sentinel多光谱影像分析不同植被物候及光谱特征。茶园在5月经历修剪后与其他植被区别较大,根据红边与短波红外波段构建归一化茶园指数(NDTI)。基于新指数建立决策树模型提取茶园,通过谷歌地球对结果进行验证。结果显示:归一化茶园指数可以最大限度扩大茶园与其他植被之间的差距。基于该指数提取茶园的总精度达93.83%,Kappa系数为0.917,成功实现了浙西北茶园信息的提取,证明了使用红边波段提取茶园的潜力。Abstract: To develop a new method for accurately mapping the spatial distribution of tea gardens using Sentinel-2 remote sensing imagery, a new approach to the mapping of tea garden resources in Anji of northwestern Zhejiang Province was produced. First, six types of typical vegetation were selected according to a field survey, and their phenological and spectral characteristics were analyzed based on multi-temporal Sentinel imagery. Second, because tea gardens differed from other vegetation types after being pruned in May, a Normalized Tea garden Index (NDTI) was constructed based on the red edge and short-wave infrared bands. Third, a decision tree model based on the new index was used to identify the tea gardens, a total 600 validation points were obtained by field survey, the overall accuracy (OA) and Kappa coefficient were used to evaluate classification accuracy of tea gardens. The accuracy assessment result indicated an overall accuracy of 93.83% and a Kappa coefficient of 0.917. Spatial distribution of the tea gardens was accurately extracted demonstrating the potential to extract tea gardens using the red edge band. The tea gardens was extracted by constructing a normalized tea gardens index, which was easy to understand and realize, and it was easy to operate.
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表 1 地形校正前后影像反射率的均值和标准差
Table 1. Mean and standard of image reflectivity before and after topographic
波段 原始影像反射率 校正后影像反射率 均值 标准差 均值 标准差 蓝 492.11 191.86 489.98 191.78 绿 798.48 202.09 778.5 199.13 红 567.06 295.34 561.42 292.03 红边1 1 207.39 251.14 1 173.36 246.34 红边2 2 775.97 523.29 2 619.06 484.5 红边3 3 218.58 636.61 3 026.55 585.77 近红外 3 427.66 701.01 3 212.54 642.83 窄波近红外 3 406.25 657.24 3 202.82 604.11 短波红外1 2 092.51 359.25 2 022.74 348.64 短波红外2 1 158.88 318.39 1 142.87 315.91 -
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