基于Sentinel-1的喀斯特高原山区种植结构空间分异研究
王宇,1,2,3, 周忠发,1,2, 王玲玉1,3, 骆剑承4, 黄登红1,3, 张文辉1,2,3
1．贵州师范大学地理与环境科学学院/喀斯特研究院,贵阳 550001
2．贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地,贵阳 550001
3．国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心,贵阳 550001
4．中国科学院空天信息创新研究院,北京 100101
摘要:
喀斯特山区受多云多雨复杂天气影响,遥感技术应用于种植结构信息提取具有较大难度,基于Sentinel-1进行作物识别在精准农业中具有独特优势,可及时、准确地掌握区域主要作物种植信息,对于制定农业政策和指导农业生产具有重要意义。文章以贵州省关岭县作为研究区,采用2020年Google Earth影像、4—8月时序Sentinel-1数据和无人机遥感数据,利用D_LinkNet模型进行地块提取,基于LightGBM模块进行种植结构分类,结合地理探测器探究研究区主要作物空间分异特征及种植结构空间分异的影响机理。研究表明: ①关岭县作物分布呈“西北多,东南少”格局,空间分布不均衡; ②因子交互作用的影响均比单一因子影响程度大,交通区位与排涝能力是影响耕地分布的主要因素,次要因子为高程与交通区位等因子; ③作物种植结构提取结果与统计年鉴比例一致,混淆矩阵总体精度为0.87,Kappa系数为0.83。研究结果有利于理解喀斯特山区不同粮食作物种植结构空间分异的形成机理及其差异,为种植结构优化调整、影响因素分析提供科学依据。
0 引言
准确的农业信息是保障区域粮食安全的重要基础,对估算作物产量信息和种植面积具有重要意义,可反映不同耕作制度、社会经济、地理位置条件下人类对耕地资源的差别化利用方式[1]。喀斯特高原山区具有耕地总量不足、人均占有量少、耕地分布不均的特点,精确掌握作物种植结构信息可提高农户种植效率并为后期种植结构调整提供参考[2⇓-4]。传统耕地种植结构的监测依赖数理统计和人工调查等方式,有着形式粗放、效率低下等诸多不足。而基于遥感的手段可以快速、高效、精准地获取大范围耕地种植结构信息,是未来农业监测的重点应用方向。
自20世纪70年代以来,美国和欧洲已有成熟的大面积作物监测技术,可为全球粮食贸易、粮食安全提供重要参考信息[5]。农作物种植结构提取基础是基于光谱特征差异即光谱特征,可通过不同数据源包括单一影像提取,利用单波段特征量与背景特征差异进行分类[6⇓-8],但易受卫星重访周期影响; 时序影像提取可通过单一特征量[9-10]、多特征量参量[11-12]及建立特征量的统计模型法,建立“光谱-时序”的定量关系函数解决混合像元问题,以提高分类精度。
遥感作物分类可通过光学遥感和雷达遥感获得,然而在中国西南部地区有效的光学遥感图像(云层覆盖率低于20%)难以获取。Sentinel-1雷达数据具有不受云雨天气影响、全天时、全天候监测的特点可用于时序监测,该数据被认为是多云多雨地区农业监测的重要信息源之一。基于雷达数据集进行种植结构提取的作物包括水稻、小麦和玉米等[13⇓-15]。种植结构影响因素分析需考虑劳动力价格、人口结构、技术进步、政策环境、基础设施和农业区位等社会经济因素[16⇓⇓-19],以及气候[20-21]、水资源[22⇓-24]和地形等自然因素[25]对种植结构空间分异的影响,探究耕地种植结构空间分异的影响因素是作物时空变化机制及模拟等研究的基础[26],也是种植结构优化调整及其政策制定的重要依据。
贵州省地处中国西南腹地,生态环境复杂多样,耕地分布不均衡、耕地人均占比较低,准确掌握耕地种植结构特征是提高耕地使用效率的重要基础。研究基于2020年Google Earth影像利用D_LinkNet模型提取地块边界信息,以时序Sentinel-1数据为基础结合LightGBM模块提取耕地地块种植结构信息,分析主要作物种植结构空间分异特征,从地形、土壤、管理及区位条件4个方面选取9个影响因子,以500 m×500 m地理格网进行分区统计并运用地理探测器模型探究单一因子和因子交互作用对耕地种植结构空间分异的影响,探明种植结构形成机理、准确掌握种植结构空间分异的影响因素,以期为探究农作物空间格局变化的机理机制奠定研究基础和推进种植结构优化调整提供参考。
1 研究区概况及数据源
1.1 研究区概况
本文以贵州省安顺市关岭布依族苗族自治县(下文简称关岭县)为研究区,地处E105.15°~105.49°, N25.34°~26.05°,是喀斯特山区典型县域。以亚热带季风湿润气候为主,年平均气温为16.2°,年降水量为1 205.1~1 656.8 mm,土壤类型主要为黏土、壤土及砂土。关岭县国土面积为1 468 km2 ,地貌类型多样,其中山地面积为752.6 km2,占全县总面积的51.27%,海拔在800~1 500 m之间[27-28](图1)。其属于典型农业大县,农业经济产值占国民经济总产值的24.81%,其中,以水稻、蔬菜、玉米和甘蔗等作物占农业种植总产量的99.41%。
1.2 数据源及其处理
光学遥感影像数据来自于Google Earth,是卫星影像与航拍数据的整合,年份为2020年,层级为20级,空间分辨率为0.27 m,具有RGB共3个可见光波段,可用于作物地块种植结构分类信息核准; DEM来源于http://www.gscloud.cn,空间分辨率为30 m; 坡度数据通过ArcGIS10.2软件空间分析工具处理DEM计算得到; 耕地土壤、管理条件、区位条件和石漠化等级数据来源于国家遥感中心贵州分部,石漠化分级数据空间分辨率为2.5 m。
Sentinel-1数据来源于https://search.asf.alaska.edu,研究选取作物生长期2020年4—8月5期哨兵数据(表1),VV极化方式,时间分辨率12 d,利用SNAP4.0软件进行轨道校正、辐射定标、多视、地形校正、TOPS Split操作和镶嵌等预处理,得到农作物种植结构信息分类的时序数据集[29]。
表1 哨兵一号卫星影像信息
野外观测数据来源于2020年4—8月5次前往关岭县进行无人机数据采集和实地验证。因研究区海拔高差较大,实地观测数据为无人机影像,使用Altizure软件规划航线,设置航高设计90 m,航向重叠度为80%,旁向重叠度为70%,正射影像拼接使用Pix4D Mapper4.1软件,预处理为航片筛选、空三加密和数字产品生产,获取122景无人机影像[30]。
2 研究方法
利用D_LinkNet模型进行地块提取,基于LightGBM模块进行种植结构分类,以500 m×500 m为间隔建立地理格网,进行分区统计与地理探测器模型分析,揭示水稻、蔬菜、玉米和甘蔗4种主要作物种植结构的空间分异特征。
2.1 D_LinkNet模块提取耕地
提取耕地为边界明显的地块,具体技术流程见图2,利用2020年Google Earth影像将基本的耕地形态分类为平缓耕地、狭长形耕地及边缘模糊型,选取平缓耕地、狭长形耕地及边缘模糊型各样本50个,形状为正方形,边长500 m,结合不同耕地形态特征建立深度学习边缘模型以及基于D_LinkNet[31]模型进行语义分割,并增加ResNet34,更符合于高精度遥感影像的像素要求,与西南高原山区地类分布不均相适应[32⇓⇓-35]。并在2020年关岭县无人机影像和30 m分辨率DEM数据的辅助下校验和实地验证,提取到277 009个耕地地块数据,并以此为耕地基准,提取作物种植结构信息。部分农业用地的精确边界见图3,红色为边界线。
2.2 Sentinel-1提取种植结构与验证
Sentinel-1数据具有不受云雨天气影响的特点,下载2020年4—8月影像,通过SNAP软件进行预处理后所得到后向散射系数。利用LightGBM模块进行分类,该模块属于机器学习,是基于决策树算法的梯度提升框架,多用于排序、分类、回归以及其他的机器学习任务中,具有高效、分布式的优点[36⇓⇓-39]。田间采集样本9 050个农作物种植结构信息。研究区主要作物为水稻、蔬菜、玉米和甘蔗,以此为样本利用LightGBM模块进行作物分类。因地块种植结构较为单一,不考虑多个作物混种地块,并根据野外采集的样本数据(图1),利用混淆矩阵对分类结果进行精度验证。
2.3 地理探测器法
地理探测器是探测空间分异性,揭示驱动因子的统计学方法,其能够探测单一因子以及2个因子交互作用对因变量的影响,并检验其统计显著性[40⇓⇓-43]。运用地理探测器的分异功能及因子探测功能和交互作用,分析各类单一因子和因子交互作用对耕地作物空间分布的影响,根据研究区实际情况构建评价指标体系。由于研究区地域跨度小,研究范围内气候差别不大,区域内相关农业政策基本一致,且农业种植技术相差不大,因此不考虑政策等因素影响。研究区为典型的喀斯特高原山区着重分析作物生长的必要条件、区位条件影响和空间数据的可获取性,本文从地形条件、土壤条件、区位条件及管理条件4个方面选取9个因子,如表2所示。
表2 种植结构影响因素的变量选取及分类
其中,可采取手动分类和自然断点法进行差别化的变量分类,区位条件计算时需将道路空间数据转换为栅格并进行欧氏距离计算后,再与网格所对应计算平均值。河流和沟渠为第三次土地调查数据库中的线状及面状河流、沟渠数据,公路包括公路用地和农村道路。
3 结果与分析
3.1 种植结构信息与精度验证结果
按照每类作物7:3的比例划分训练数据集与测试集,利用LightGBM模块分类后得到地块种植结构预测精度为80.38%,获得27万个地块的属性信息,其中各类作物占比如图4所示。
训练精度存在误差可能受地块内作物多样、玉米与甘蔗在幼苗期与生长期纹理区别不明显及山区对后向散射系数的干扰,利用混淆矩阵模型得到生产精度为0.88,用户精度为0.85,总体精度为0.87,Kappa系数为0.83(图5)。
3.2 耕地种植结构的空间分异特征分析
基于水稻、玉米、蔬菜和甘蔗4种作物种植地块空间分布矢量数据,叠加地形、土壤类型、管理及区位条件空间栅格数据,进行欧氏距离计算、自然断点法处理后,以500 m×500 m的地理格网进行栅格信息提取,最终获得20 000个有效网格数据点。
3.2.1 耕地种植结构的空间分布特征
甘蔗种植地块数量相对最低,种植甘蔗的地块比例为7.34%,甘蔗种植地块密度高值区主要集中在关索街道南部、八德乡西南部及花江镇西北部,零星分布于沙营镇南部、普利乡东部。水稻和玉米种植地块数量相对较少,种植水稻、玉米的地块比例分别为14.66%和26.86%,水稻种植地块密度高值区主要集中在花江镇中部、新铺镇东北部、八德乡东南部,零星分布于坡贡镇东部、普利乡中部、永宁镇东南部,玉米种植地块密度高值区主要集中于永宁镇东南部、顶云街道南部、八德乡西北部、新铺镇东北部,零星分布于沙营镇东南部。板贵镇中部蔬菜地块数量相对较多,种植蔬菜的地块比例为40.83%,蔬菜种植地块密度高值区主要集中于顶云街道南部、新铺镇西南部及花江镇中部和西南部,零星分布于沙营镇中部、白水镇东北部和八德乡西北部,研究区种植结构信息与《关岭自治县2018年国民经济和社会发展统计公报》[44]中种植结构比例相吻合。种植结构分布见图6。
3.2.2 耕地种植结构空间分异的影响因素分析
3.2.2.1 单一因子对耕地种植结构的影响
各单因子对水稻、玉米、蔬菜和甘蔗4种作物种植结构空间分异的影响具有较大差异,结果均通过了显著性检验(图7)。水稻种植结构的空间分异主导影响因子较多为高程(T1)、坡度(T2)、交通区位(L2)、耕作便利度(M3)与其他因子的交互作用影响显著。说明水稻种植结构空间分异与地形条件、交通区位及管理条件密切相关,区位条件交互作用影响高于土壤质地。单因子石漠化等级(T3)、市场区位(L1)和排涝能力(M2)单因子影响不显著,高程(T1)、坡度(T2)和土壤质地(S1)单因子影响相对显著。影响玉米种植结构空间分异的影响作物种植结构空间分异的主导因子为高程(T1)、坡度(T2)和土壤质地(S1)等。此外,高程(T1)和坡度(T2)单因子对玉米种植结构空间分布影响程度高。由此看出玉米种植结构空间分异影响因素与水稻不尽相同。蔬菜种植结构空间分异受地形条件影响最大,区位条件也是重要的影响因素,但土壤条件与管理条件的影响程度相对较小。影响甘蔗种植结构空间分异的各主要影响因子影响程度由大到小一次为: 耕作便利度(M3)、排涝能力(M2)、市场区位(L1)及灌溉能力(M1),其他因子对甘蔗种植结构空间分异的影响程度都很小。管理条件和区位条件是影响甘蔗种植结构空间分异的关键性因素,地形因素和土壤质地也对其产生一定影响。
3.2.2.2 因子交互作用对耕地种植结构的影响
在单因子探测的基础上,分别对水稻、玉米、蔬菜和甘蔗种植结构空间分异的因子交互作用进行探测。
1)对水稻种植结构的影响。水稻种植结构空间分异的因子交互作用探测结果(表3)表明,坡度(T2)、市场区位(L1)、交通区位(L2)和灌溉潜力(M1)对因子交互作用的影响相对较强,其中坡度与交通区位(T2∩L2)因子交互作用的q值最高,q值为0.091 4,交互作用最强。其次是交通区位(L2)与灌溉潜力(M1)因子交互影响,q为0.090 2,石漠化等级(T3)和土壤质地(S1)影响力最小。土壤质地、区位条件及部分管理条件,交互作用影响不明显。部分地形因子、土壤质地和区位条件交互作用影响水稻种植结构空间分异程度低,石漠化等级与其他因子交互影响最低q为0.000 5。可以看出,因子的交互作用对水稻种植结构空间分异的影响与单一因子影响相比均大幅度增强,地形条件与交通区位和灌溉潜力交互作用的影响增幅相对较大,说明交通区位、灌溉潜力仍是影响水稻种植结构的决定性因素,良好的交通区位优势和灌溉潜力可在一定程度上提升水稻种植优势,有助于增加水稻的种植比例。
表3 研究区水稻种植结构空间分异的因子交互作用探测结果
2)对玉米种植结构的影响。玉米种植结构空间分异的因子交互作用探测结果(表4)表明,高程因子(T1)、坡度(T2)、土壤质地(S1)和耕作便利度(M3)对因子交互作用的影响最强,其中,高程因子与土壤质地、耕作便利度(T1∩S1,T1∩M3),耕作便利度与坡度和灌溉潜力(S1∩T2,S1∩M1)因子交互作用的q增长幅度大,q值为0.984 6。石漠化等级(T3)和耕作便利度(M3)2个因素对玉米种植结构空间分异的单一因子作用最强,但其他因子的交互作用以双因子增强为主。部分地形因子、区位条件及管理条件交互作用影响玉米种植结构空间分异程度低。部分地形因素的交互作用对玉米种植结构空间分异影响最大,石漠化等级、土壤质地和区位条件中各因子与其他因子的交互作用对玉米种植结构空间分异影响的解释力不明显。而管理条件和部分区位条件中各因子与其他因子交互作用的影响增幅相对较小,说明管理和区位条件中各因子与其他因子的交互对玉米种植结构空间分异的影响的解释力明显增强,良好的区位因素与管理条件的综合作用可在一定程度上提升玉米种植优势,有助于提高玉米种植比例。
表4 研究区玉米种植结构空间分异的因子交互作用探测结果
3)对蔬菜种植结构的影响。蔬菜种植结构空间分异的因子交互作用探测结果(表5)与水稻和玉米的差异较大,其灌溉潜力(M1)和排涝能力(M2)对因子交互作用的影响最强,与其他因子的交互作用均表现为非线性增强。管理条件和区位条件中的大部分因子与其他因子的交互作用也以非线性增强为主。高程因子与灌溉潜力、排涝能力(T1 ∩M1,T1∩M2)的交互作用在众多交互作用中对蔬菜的种植结构空间分异影响最大,q值分别为0.072 6和0.075 2 。地形条件各因子与管理条件、区位条件各因子的交互作用以双因子增强为主。其中,高程与土壤质地、石漠化等级及耕作便利度(T1∩M1,T1∩M2,T1∩M2)因子交互作用影响仅次于管理条件。以上可知,地形条件、管理因素的交互作用对蔬菜种植结构空间分异的影响最大,地形条件与管理条件部分因子与其他因子的交互作用对蔬菜种植结构空间分异影响的解释力明显增强。说明土壤质地与区位因素的综合作用可大幅度提高对蔬菜空间分异的影响程度,良好的管理和区位条件可在一定程度上提升蔬菜优势,保证蔬菜的新鲜,提高其品质。
表5 研究区蔬菜种植结构空间分异的因子交互作用探测结果
4)对甘蔗种植结构的影响。甘蔗种植结构空间分异的因子作用探测结果(表6)表明,高程(T1)、市场区位(L1)及耕作便利度(M3)因素对因子交互作用的影响最强,与其他因子的交互作用表现为非线性增强。坡度(T2)、石漠化等级(T3)及土壤质地(S1)对因子交互作用的影响仅低于高程因子(T1)和市场区位(L1)。以上可知,高程与耕作便利度(T1∩M3)和市场区位与耕作便利度(L1∩M3)的q值均为0.066 6,在众多因子交互作用中对甘蔗种植结构空间分异的影响最大。石漠化等级因素对甘蔗种植结构空间分异的单一因子作用最强,其他因子的交互作用以双因子增强为主,其中,灌溉潜力与耕作便利度(M1∩M3),q为0.062 5,交互作用影响也相对较高。地形条件各因子与管理条件各因子的交互作用以双因子增强为主。市场区位(L1)和耕作便利度(M3)因素对甘蔗种植结构空间分异的单一因子作用最强,灌溉潜力与其他因子交互作用影响程度大,说明地形条件、区位条件和管理条件的综合作用大大增加了甘蔗种植结构空间分异的影响程度,良好的土壤质地可在一定程度上提升甘蔗种植优势。
表6 研究区甘蔗种植结构空间分异的因子交互作用探测结果
研究区作物种植结构空间分异的因子交互作用探测结果(表7)表明,双因子交互作用的影响均比单因子影响程度大,不存在独立起作用的因子。作物种植结构空间分异受地形因素影响程度大,与土壤、区位及部分管理因素的因子交互作用表现为非线性增强关系,交互作用影响程度较大的分别为高程与交通区位(T1∩L2)、石漠化与排涝能力(T3∩M2)、交通区位与排涝能力(L2∩M2),q值分别为0.005 2,0.005 6和0.005 7,说明地形因子与管理条件、区位条件交互作用对作物种植结构空间分异影响程度大。单因子影响均低于双因子交互影响,其中单因子影响程度最大的是排涝能力与坡度q值分别仅为0.002 7和0.002 8。石漠化等级(T3)交互因子作用仅低于土壤质地交互作用。地形条件和管理条件中各因子与其他因子的交互作用对作物种植结构空间分异影响的解释力增强。说明土壤质地与区位条件的综合作用大大增加了对作物种植结构空间分异的影响程度,良好的管理和区位条件可以在一定程度上提升作物种植优势,有助于增加作物种植比例。
表7 研究区主要作物种植结构空间分异的因子交互作用探测结果
4 结论与讨论
针对当前研究受喀斯特山区多云多雨天气和耕地形状不规则的限制较少关注微观地理尺度下多因素交互作用对耕地种植结构空间分异的影响,以耕地地块作为研究的空间尺度,基于500 m×500 m地理格网进行栅格信息提取,揭示多种耕地利用空间要素交互作用下种植结构的空间分异特征及影响机理,主要研究结论如下:
1)耕地作物分布在空间上呈现出“西北多,东南少”的特征,种植结构类型以单一水稻型、单一玉米型、单一蔬菜型和单一甘蔗型,水稻和甘蔗种植比例较小。其中,水稻主要分布在花江镇中部、新铺镇东北部和八德乡东南部; 玉米种植密度高的区域为永宁镇东南部、顶云街道南部和八德乡西北部; 蔬菜主要分布于顶云街道南部、新铺镇西南部及花江镇中部和西南部; 甘蔗主要分布在关索街道南部和八德乡西南部。
2)各单一因子对不同作物种植结构空间分异的影响存在一定差异。影响水稻和玉米种植结构空间分异的主导因子为高程和坡度; 影响蔬菜种植结构空间分异的主导因子为灌溉潜力和排涝能力; 甘蔗种植结构空间分异主要受高程和交通区位影响; 水稻和玉米受地形条件影响最大,自然条件仍是耕地种植结构空间分异过程中重要影响因素。影响耕地种植结构空间分异的主要交互因子为交通区位与排涝能力,次要因子为高程与交通区位、石漠化与排涝能力,发展优质农业需全面考虑相关因素。
3)作物种植结构提取研究验证多基于往年统计年鉴、地理国情监测影像解译和土地确权数据等,该类数据难以获取,且时效性较低。基于野外实测数据利用混淆矩阵进行验证,总体精度为0.87,Kappa系数为0.83,具有高效和可视的优点。本文提取结果与统计年鉴比例一致,因山区作物分布破碎,针对混合作物种植地块需更高分辨率的数据提供支撑。
关岭县属喀斯特典型山区,耕地种植结构空间分异还需考虑农村外出务工人员数据及作物产量与产值等的相互作用及影响,在后续研究中将农户流动数据、不同作物的产量和产值与不同作物空间分异特征相结合,并对耕地信息进行持续监测,挖掘更多喀斯特山区耕地种植结构空间分异特征与作物产值的潜在关系,为喀斯特山区种植结构优化调整提供有效理论支撑。 （原文有删减）
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【】: 王 宇(1995-),女,硕士研究生,主要从事喀斯特资源遥感应用研究。Email: 1346527820@qq.com。
: 周忠发(1969-),男,教授,博士生导师,主要从事地理信息系统与遥感研究。Email: fa6897@163.com。
【】：贵州省“高层次创新型人才培养计划‘百’层次人才”项目(黔科合平台人才〔2016〕5674);贵州省“第三次国土调查石漠化耕地与五千亩大坝专题”研究项目(GTGHY2018);贵州省研究生科研基金项目(黔教合YJSCXJH[2020]103);贵州省科学技术基金资助项目“黔科合基础-ZK[2021]一般194”
【】：王宇, 周忠发, 王玲玉, 骆剑承, 黄登红, 张文辉. 基于Sentinel-1的喀斯特高原山区种植结构空间分异研究[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 155-165.
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