资源科学 ›› 2018, Vol. 40 ›› Issue (8): 1608-1621.doi: 10.18402/resci.2018.08.11
李俐1,2(), 孔庆玲1,2, 王鹏新1,2(
), 王蕾1,2, 荀兰1,2
收稿日期:
2017-08-21
修回日期:
2018-04-18
出版日期:
2018-08-25
发布日期:
2018-08-10
作者简介:
作者简介:李俐,女,河南南阳人,副教授,主要从事微波农业应用研究。E-mail:
基金资助:
Li LI1,2(), Qingling KONG1,2, Pengxin WANG1,2(
), Lei WANG1,2, Lan XUN1,2
Received:
2017-08-21
Revised:
2018-04-18
Online:
2018-08-25
Published:
2018-08-10
摘要:
玉米作为中国三大作物之一,监测其种植面积对及时了解其种植时空分布、保障粮食安全具有重要作用。本文以河北省涿州市为研究区,利用2016年多时相Sentine-1A SAR (Synthetic Aperture Radar, 合成孔径雷达)影像,对玉米种植区域进行提取。在对研究区地物散射特性分析的基础上,分析了微波后向散射特性随不同生育期玉米植株结构发育的变化情况,选择合适时相和极化组合的后向散射系数,运用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)算法提取了玉米种植范围和面积信息,并对不同后向散射系数(标准后向散射系数(Sigma-naught,σ0)和归一化后向散射系数(Gamma-naught,γ0))用于研究区作物种植区提取的结果进行了比较。结果表明,采用时间序列(4月19日,5月30日,6月11日,7月17日)雷达图像得到的监督分类结果具有较高的分类精度和kappa系数,总体精度达92.96%,Kappa系数为0.91。因此,采用4—7月(春玉米播种至吐丝时期、夏玉米播种至拔节时期)的时间序列SAR数据能有效获取不同种植模式下的玉米信息,而增加8、9月的数据对玉米识别精度的影响不大。总体来说,采用多时相双极化的σ0数据与相同时相组合的γ0数据对玉米种植范围提取基本相同,但使用γ0数据的林地识别精度比σ0数据提高了3%。研究结果可为多极化SAR数据的玉米识别和面积监测提供参考案例。
李俐, 孔庆玲, 王鹏新, 王蕾, 荀兰. 基于时间序列Sentinel-1A数据的玉米种植面积监测研究[J]. 资源科学, 2018, 40(8): 1608-1621.
Li LI, Qingling KONG, Pengxin WANG, Lei WANG, Lan XUN. Monitoring of maize planting area based on time-series Sentinel-1A SAR data[J]. Resources Science, 2018, 40(8): 1608-1621.
表3
不同时相多极化SAR图像中冬小麦/轮作夏玉米种植区与其它区J-M距离(σ0)"
J-M距离 | 4月单时相冬小麦数据 | 5月单时相冬小麦数据 | 6月单时相轮作夏玉米数据 | 7月单时相轮作夏玉米数据 | 8月单时相轮作夏玉米数据 | 9月单时相轮作夏玉米数据 | 4—7月时间序列轮作夏玉米数据 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
建筑 | 1.47 | 1.76 | 1.49 | 1.56 | 1.68 | 1.60 | 1.99 |
水体 | 1.58 | 1.92 | 1.79 | 1.77 | 1.98 | 1.90 | 1.96 |
树林 | 0.61 | 0.72 | 0.69 | 0.68 | 0.70 | 0.81 | 1.86 |
裸地 | 0.72 | 0.69 | 0.68 | 0.70 | 0.81 | 1.12 | 1.85 |
春玉米 | 0.62 | 1.72 | 1.46 | 0.32 | 0.20 | 0.09 | 1.93 |
单季夏玉米 | 0.60 | 1.85 | 0.97 | 0.26 | 0.24 | 0.14 | 1.94 |
其它 | 0. 68 | 1.36 | 1.71 | 0.42 | 0.36 | 0.62 | 1.90 |
表4
不同时相多极化SAR图像中冬小麦/轮作夏玉米种植区与其它区J-M距离(γ0)"
J-M距离 | 4月单时相冬小麦数据 | 5月单时相冬小麦数据 | 6月单时相轮作夏玉米数据 | 7月单时相轮作夏玉米数据 | 8月单时相轮作夏玉米数据 | 9月单时相轮作夏玉米数据 | 4-7月时间序列轮作夏玉米数据 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
建筑 | 1.56 | 1.48 | 1.39 | 1.72 | 1.48 | 1.58 | 1.96 |
水体 | 1.86 | 1.86 | 1.78 | 1.91 | 1.87 | 1.86 | 1.98 |
树林 | 1.23 | 1.34 | 1.34 | 0.86 | 1.23 | 1.15 | 1.94 |
裸地 | 0.72 | 0.63 | 0.64 | 0.76 | 0.70 | 0.78 | 1.82 |
春玉米 | 0.59 | 1.63 | 1.46 | 0.32 | 0.20 | 0.09 | 1.86 |
单季夏玉米 | 0.51 | 1.78 | 0.86 | 0.04 | 0.21 | 0.10 | 1.84 |
其它 | 0.42 | 0.65 | 0.51 | 0.48 | 0.62 | 0.76 | 1.89 |
表5
单时相与时间序列SAR数据分类精度比较"
类别 | 时间序列SAR数据精度验证 | 单时相SAR数据精度验证 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
采用σ0分类 | 采用γ0分类 | 采用σ0分类 | 采用γ0分类 | ||||||||
用户精度 | 制图精度 | 用户精度 | 制图精度 | 用户精度 | 制图精度 | 用户精度 | 制图精度 | ||||
轮作夏玉米 | 95.56 | 94.85 | 96.40 | 94.81 | 0.23 | 0.20 | 10.85 | 10.24 | |||
建筑 | 99.34 | 94.36 | 96.34 | 99.62 | 97.83 | 89.40 | 99.31 | 94.70 | |||
林地 | 89.54 | 92.70 | 92.15 | 96.42 | 62.07 | 15.65 | 88.78 | 79.13 | |||
春玉米 | 86.67 | 91.04 | 78.35 | 90.24 | 81.69 | 89.68 | 89.20 | 93.92 | |||
单季夏玉米 | 92.81 | 90.88 | 92.71 | 78.30 | 7.27 | 2.86 | 3.94 | 2.62 | |||
水 | 98.11 | 99.36 | 100.00 | 95.48 | 93.68 | 83.44 | 79.59 | 90.40 | |||
裸地 | 92.91 | 88.72 | 97.24 | 86.12 | 14.79 | 39.17 | 5.90 | 11.06 | |||
其它 | 90.91 | 88.46 | 76.67 | 87.62 | 47.48 | 70.75 | 90.95 | 75.49 | |||
总体精度 | 92.96 | 91.67 | 45.15 | 52.81 | |||||||
Kappa系数 | 0.92 | 0.88 | 0.37 | 0.46 |
表6
基于时间序列多极化Sentinel-1A SAR数据的分类混淆矩阵"
分类数据 | 验证数据(像素点) | 用户精度 /% | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
轮作夏玉米 | 建筑 | 林地 | 春玉米 | 单季夏玉米 | 水 | 裸地 | 其它 | 总计 | ||
轮作夏玉米 | 387 | 0 | 12 | 1 | 0 | 0 | 1 | 4 | 405 | 95.56 |
建筑 | 0 | 301 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 303 | 99.34 |
林地 | 8 | 16 | 445 | 9 | 1 | 0 | 0 | 0 | 497 | 89.54 |
春玉米 | 6 | 0 | 1 | 325 | 27 | 0 | 9 | 7 | 375 | 86.67 |
单季夏玉米 | 2 | 0 | 0 | 21 | 299 | 0 | 0 | 0 | 322 | 92.81 |
水 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 312 | 0 | 5 | 318 | 98.11 |
裸地 | 1 | 0 | 5 | 0 | 2 | 1 | 118 | 1 | 127 | 92.91 |
其它 | 4 | 2 | 15 | 1 | 1 | 0 | 0 | 230 | 253 | 90.91 |
总计 | 408 | 319 | 480 | 357 | 329 | 314 | 133 | 260 | 2 600 | |
制图精度/% | 94.85 | 94.36 | 92.70 | 91.04 | 90.88 | 99.36 | 88.72 | 88.46 |
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