成果展示
2022 PIE开发者大赛
获奖级别：二等奖（云开发组）
参赛队名：勇敢牛牛向前冲
作品名称：基于PIE-Engine的寻乌县柑橘果园遥感监测系统
参赛单位：江西师范大学
参赛队员：余国斌(组长)、骆玲霞、夏畅、熊珊珊、张浩寰
指导教师：张俐
本作品通过 PIE-Engine Studio遥感云平台开发了“寻乌县柑橘果园遥感监测系统”，结合Landsat-8、Sentinel-2等数据，对江西省赣州市寻乌县及其各乡镇的柑橘实现逐年的智能监测，研究寻乌县柑橘果园的时空变化格局。该系统可以监测寻乌县柑橘分类特征指数，探索各因素对柑橘分类的影响。此外，通过关注柑橘果园近年来受黄龙病影响搭建防虫网的举措，本系统利用Sentinel-2 影像可以实现对防虫网的提取，探讨黄龙病的防治和响应的过程。
1
选题目的
柑橘，是橘、柑、橙、金柑、柚、枳等的总称，中国是柑橘物种最丰富且种植面积最大的国家之一，江西省赣州市以其优越的自然条件和社会经济条件成为我国重要的蜜桔、脐橙生产基地，赣州市寻乌县被称为“中国脐橙之乡”,柑橘产量占赣南柑橘总量的三分之一，柑橘产业不仅是区域经济发展的重要产业支柱，更是农民收入的主要来源之一。
柑橘果园极易受干旱、霜冻、病虫害的影响。2016年赣南地区柑橘黄龙病大规模爆发，大量果树遭到砍伐，给全县的果农造成了巨大的经济损失。由于各区域柑橘种植和发展过程、黄龙病的传播和防控存在空间和时间上的差异，加之柑橘果园的破碎化分布和扰动性变化，使得传统方法统计果园的面积异常困难。
因此以寻乌县为例，基于PIE-Engine Studio开发 “寻乌县柑橘果园遥感监测系统”，宏观、快捷地提取柑橘果园种植面积，从而得到研究区长时间序列的柑橘种植区时空变化格局，把握柑橘果园面积变化的动态发展，帮助当地政府以及相关产业掌握柑橘果园发展动态、防治果园病虫害、科学规划改造果园和指导退果还林等方面均有重要意义和应用价值。
2
功能模块
“寻乌县柑橘果园遥感监测系统”主要分为三个模块，分别是基础信息模块、监督分类模块以及变化分析模块。
（1）基础信息模块：基于Sentinel-2 数据和Landsat-8数据，在选定的起止时间内过滤出一副去云后的中值影像，并且计算相关指数。此外，可以查看寻乌县地形数据，更好地了解寻乌县地形地貌特点。
（2）监督分类模块：基于Sentinel-2 数据和Landsat-8数据，用多种监督分类方法进行土地利用类型分类，查看研究区域各地物的面积情况和寻乌县各乡镇柑橘面积的占比情况。
（3）变化分析模块：主要对分类结果进行多年的变化分析，在选定的起止年份进行土地利用转移矩阵的计算，查看寻乌县各乡镇柑橘果园多年变化情况。
图1系统结构图
3
作品详细说明
本系统基于PIE-Engine Studio平台，使用JavaScript在线开发，含有三个主要模块，具有较好的稳定性和兼容性。
3.1
基础信息模块
图2基础信息技术路线图
基础信息模块主要含有5个功能。
（1）影像选择：提供Landsat-8和Sentinel-2数据选择，可以选取不同的影像进行后续相关指数的计算。
（2）RGB展示：提供RGB选择，根据输入的波段组合进行影像合成，更好地分辨寻乌县各地物。默认是真彩色影像。
（3）指数选择：提供六种指数的选择：NDVI、MNDWI、NBR、SAVI、EVI、NDBI，根据所选时间范围影像计算研究区域内选择的指数并展示。
① NDVI（归一化植被指数）：可用于检测植被生长状况以及植被覆盖度，负值表示地面覆盖为云、水、雪等，0表示有岩石或裸土等，正值表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大。
② MNDWI（改进归一化差异水体指数）：可用于提取水体，区分水体与其余地物，值越高表明水体信息越明显。
③ NDBI（归一化建筑指数）：可以较为准确地反映建筑用地信息，值越大表明建筑用地比例越高，建筑密度越高。
④ EVI（增强植被指数）：在减少背景和大气作用以及饱和问题上优于NDVI，可以稳定地反应所测地区植被的情况。
⑤ NBR（归一化燃烧指数）：可突出火灾后的燃烧区域，用于火烧迹地信息提取以及监测火烧区域植被的恢复状况，值越低表明火烧迹地的可能性越大。
⑥ SAVI（土壤调节植被指数）：用于分析青苗；适用于植被稀疏（不到总面积的15%）和裸露土壤表面的干旱地区，值越高表明植被越茂密。
（4）地形显示：可以显示寻乌县的高程、坡度两种影像数据。
（5）帮助：可以查看每个功能的使用方法及注意事项。
图3基础信息功能图（Landsat-8）
图4基础信息功能图（Sentinel-2）
3.2
监督分类模块
监督分类模块是基于Sentinel-2和Landsat-8 数据，使用多种监督分类方法进行土地利用类型分类。
图5监督分类技术路线图
图6土地利用类型解译标志
图7 2016年-2021年各地物样本点数量
3.2.1 基于Landsat-8的监督分类
图8监督分类功能图（Landsat-8）
（1）影像选择：选择影像后，系统将调用landsat-8影像特征集。该特征集共12个波段，每个年份的特征集包括6个影像波段（B2-B7）和6个光谱指数波段(NDVI，SAVI，EVI，NBR，MNDWI，NDBI)。
（2）年份选择：可选择2016年-2021年。
（3）区域选择：可任意选择寻乌县或者其下辖的15个乡镇之一。
（4）分类方法：可选择随机森林、决策树、支持向量机、正态贝叶斯以及最邻近五种方法，其中随机森林分类方法精度最高，默认选择随机森林。
（5）分类结果显示：可以选择输出单独展示柑橘地类的分类结果或所有地类的土地利用分类结果。
（6）面积统计图表：提供饼状图和柱形图两种方式，可以输出研究区域在研究年份各地物的面积情况。
（7）柑橘面积占比计算：根据选择的研究年份，可以统计寻乌县各乡镇柑橘面积的数量和占比情况。
3.2.2 基于Sentinel-2的监督分类
图9监督分类功能图（Sentinel-2）
（1）影像选择：选择影像后，系统将调用Sentinel-2影像特征集。该特征集共14个波段，每个年份的特征集包括6个影像波段（B2，B3，B4，B8，B11，B12）和8个光谱指数波段(NDVI，SAVI，EVI，NBR，MNDWI，NDBI，PMLI，VI)。
（2）年份选择：可选择2017年-2021年。
其余功能算法与Landsat-8的基本一致，由于Sentinel-2具有高分辨率的特点，增加了VI（温室蔬菜地模型greenhouse vegetable land index）和PMLI（塑料覆盖土地指数plastic-mulched landcover index）2个特征指数，可以有效地提取出柑橘果园中覆盖防虫网的地块。
3.3
变化分析模块
变化分析模块是在分类结果的基础上，进行多年的变化分析，用户们可以选择调用已有的分类结果，也可以使用实时分类计算结果进行变化分析。
图10变化分析技术路线图
3.3.1 基于已有的分类结果
图11变化分析功能图（基于已有分类结果）
（1）影像选择：选择用于变化分析的遥感影像分类结果，可选择Landsat-8或Sentinel-2。
（2）区域选择：可任意选择寻乌县或者其下辖的15个乡镇之一。
（3）起止时间：选择用于土地利用变化分析的遥感影像分类结果的起止时间。
（4）统计土地利用变化面积：提取土地利用图中与柑橘变化相关的像元， 并统计其面积，以饼图在界面右侧展示。
（5）柑橘果园多年变化统计
① 统计面积变化：选择影像与研究区域后计算该地区五年或六年的柑橘面积变化折线图。Sentinel-2分类结果中含防虫网，会计算出防虫网面积变化折线图。
② 计算柑橘种植总年数：基于所得最好的分类结果建立过滤器，过滤所有指定属性的值与指定值相等的数据。在Sentinel-2分类结果中含有防虫网（也属于柑橘），柑橘属性值与防虫网属性值不同，将其过滤出来后得到柑橘属性值为“1”，其余地物属性值为“0”的分类影像。再利用影像求和，得到属性值为“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”的最终统计影像，属性值代表该地区柑橘种植年数，种植年份较久可合理推测该地区柑橘种植适宜性较高，经验较为丰富。
3.3.2 基于实时计算的分类结果
图12变化分析功能图（基于实时计算结果）
基于实时计算分类条件选择的功能和基于已有分类结果功能相同。但是点击计算后会根据选择的遥感影像、研究区、起止时间，进行实时随机森林分类，再将分类结果影像用于土地利用变化分析。
4
特色与创新点
寻乌县柑橘果园遥感监测系统能够动态监测柑橘时空变化，系统处理时间相对较快，用户只需要选择相应的条件，就能得到对应结果，减少了数据预处理等多种中间环节，提高了用户的工作效率。
在功能算法上具有集成性高、方法多样、分类精度高等多个特点。系统支持的多种分类方法可以对分类结果进行横向对比，提高系统的可用性；并且为了提高用户的使用感受，在变化分析模块为用户提供是否选择实时计算的功能，在对精度要求低的情况下支持调用已保存的分类结果进行变化分析计算，提高页面加载效率。
在界面展示方面，采用了多种图标，可以更直观地查看各地物面积及变化情况，具有可视化丰富的特点，并且整体功能界面简洁美观；在每个模块均提供了帮助选项，对功能进行详细介绍并对部分问题进行说明，同时在一些操作无效的情况下设置有提示窗口，均增加用户的体验感。
5
应用领域
本系统可以对柑橘种植区进行实时或历史的遥感信息观测，帮助柑橘果园进行精准种植规划与病虫害科学防治管理；可以对各乡镇柑橘种植的发展现状和变化过程进行分析，进一步服务于精细化土地利用规划；最后基于已有算法和功能，通过拓展研究区范围和训练样本，可应用于其他柑橘种植地区，实现更大空间范围和更长时间尺度的遥感监测与变化分析，服务于整个赣南地区乃至全国地区柑橘产业的发展。
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
