吉林一号卫星在盐碱地精细提取中的应用—以吉林省乾安县为例

文|李 彤 王春月 范昕桐

长光卫星技术股份有限公司

一、前言

土壤盐碱化是指土壤含盐量太高（超过0.3%），而使植物不能生长或者作物低产[1]。形成盐碱地的条件有：气候干旱和地下水位高；地势低洼，没有排水出路[2]。地下水都含有一定的盐份，如其水面接近地面，而该地区又比较干旱，由于毛细作用上升到地表的水蒸发后，便留下盐分，日积月累，土壤含盐量逐渐增加，形成盐碱地。土地的盐碱化是当今世界土地种植面积退化的主要原因之一，也是各个国家重视的难题。我国的盐碱地主要集中在滨海地区、华北及华东平原和西北内陆地区，土地的盐碱化使大量可耕种的土壤退化，一定程度上削减了中国农业的综合生产能力，因此研究土地盐碱化的监控及控制措施刻不容缓[3]。

目前，获取盐碱地分布的方法有以下几种:人工相机拍照、激光扫描、区域内摄像头监控、无人机航测、卫星遥感数据。前四种往往需要大量的人力投入，且无法宏观、快速获取盐碱地信息。卫星遥感技术具有探测范围大、光谱信息丰富、观测角度高等特点[4-5]，有利于对区域土地盐碱化分布及其程度进行认知，可以为盐碱地整治规划提供数据依据。

本文以吉林省乾安县为研究区，以“吉林一号”0.75m 分辨率卫星影像为数据源，研究盐碱地精确提取的方法，快速、全面和定量地提取盐碱地信息，并对提取的盐碱地结果进行汇总、分析，得到盐碱地的定量化分析结果，为制定高效的盐碱地整治规划措施提供可靠的数据依据。

二、研究区域与数据源

1. 研究区域介绍

吉林省乾安县隶属于松原市，地处吉林省西北部，松原市西部，123.417° E—124.387° E，45.304° N—44.64° N。乾安县位于松嫩平原腹地，松花江、嫩江汇合处以南，全县面积约为3616km2。吉林省乾安县地势平坦，属于温带半干旱半湿润气候区，四季分明，全年温度变化较大，无霜期短。乾安县低洼处较多，溶解于水的盐分随着水存于此处，且难以排出，因此容易导致盐分在土壤的表层堆积，从而导致土壤盐碱化程度较为严重。

2. 研究数据源介绍

吉林一号星座是长光卫星技术股份有限公司在建的核心工程，由138 颗涵盖高分辨、大幅宽、视频、多光谱等系列的高性能光学遥感卫星组成。截至2022 年8 月，吉林一号在轨卫星数量达到70 颗，可对全球任意地点实现每天23 至25 次重访，具备全球一张图一年更新2 次、全国一张图一年更新6次的能力。吉林一号重访高、分辨率高、幅宽大等优势可以为土壤环境监测提供丰富的遥感数据和产品服务[6]。

本次吉林省乾安县盐碱地精细提取采用吉林一号宽幅01A 卫星作为主要数据源，其卫星空间分辨率为 0.75m，包含蓝光、绿光、红光以及近红外四个光谱通道。卫星影像数据的获取和处理均需满足两个要求：一是卫星数据质量要求，要求云量低于10%，侧摆角低于±10°，二是盐碱地的空间纹理特征与积雪类似，因此为了去掉积雪带来的影像，影像拍摄时间需排除冬季。最终选择的卫星遥感影像获取时间为2021 年6 月11 日10时，云量为1%，侧摆角为-6.99°，效果理想，满足应用的要求，松原市乾安县吉林一号卫星遥感影像图如图1 所示。盐碱地等级的界定、遥感特征与影像样本如表1 所示。

图1 松原市乾安县吉林一号卫星遥感影像图

三、盐碱地精细提取

1. 盐碱地程度分级标准

盐碱地按照严重程度可以分为三种等级：重度盐碱地、中度盐碱地和轻度盐碱地[7-8]。各种等级的界定、遥感特征与影像样本如表1，表中的卫星遥感影像样本均来源于图1。

2. 采用的乾安县盐碱地精细提取方法

为了实现乾安县盐碱地的精细提取，本文使用吉林一号高分辨率遥感影像，技术路线图如图2 所示。卫星遥感影像经过预处理后，获取样方并进行目视解译得到带标记的样方，分为训练集、验证集和测试集。在蓝光、绿光、红光以及近红外四个光谱通道中，盐碱地与道路的光谱特性比较相似，因此无法仅用光谱特性对盐碱地进行提取，需要利用大量的空间特征，而对于提取高分辨率影像中地物的空间特征而言，语义分割方法通常能够取得比像素级分类更好的结果。本案例使用语义分割方法对高分辨率遥感影像中的盐碱地进行提取，所用的语义分割方法为DeepLabv3+（一种用于语义图像分割的基于扩张可分离卷积的编码器- 解码器结构），该方法引入特征融合策略，使网络保留了比较多的浅层信息，同时它也加入了深度可分离卷积来对分割网络的速度进行优化，最终得到较好的分割边界[9]。经过DeepLabv3+ 模型预测得到的结果，再进行Majority/MinorityAnalysis（主/次要分析）实现后处理，优化提取结果。最后，使用测试集对提取结果进行精度验证。

图2 利用吉林一号卫星遥感影像进行盐碱地提取技术路线图

3.乾安县盐碱地精细提取

利用2021 年6 月11 日吉林一号高分辨率卫星遥感影像，使用语义分割方法进行乾安县盐碱地精细提取，分析乾安县盐碱地分布和程度信息。乾安县盐碱地提取结果如图3 所示，为了验证提取结果准确性，目视解译30 个512 像素×512 像素大小的样方标签作为测试集，具有代表性的各类型盐碱地样方真彩色影像、地物标签、提取结果如图4 所示，观察提取结果的细节可以发现，重度、中度、轻度的盐碱地区分良好，边界比较清晰，对于尺寸较小的细碎地块提取效果十分理想。经样方验证的总体精度为94.60%，Kappa 系数为0.9068，详见表2。提取的盐碱地总面积约为156km2，其中重度盐碱地占比约为19.8%，中度盐碱地占比约为54.1%，轻度盐碱地占比约为26.1%。

表 2 各类盐碱地提取精度

图 3 乾安县盐碱地分布图

图 4 部分样方

通过与基于随机森林分类的Sentinel-2A/B 影像土地利用分类[10]、基于全卷积神经网络的高分一号影像盐碱地提取[11]、基于盐碱化监测指数的Landsat 影像盐碱地提取进行对比[12]，本文基于语义分割方法的吉林一号高分辨率影像盐碱地提取结果分辨率更高，精度更优。

四、结论

基于吉林一号高频次、高覆盖、高空间分辨率的卫星遥感影像可以进行盐碱地精细提取,高效地提取出不同严重程度的盐碱地，且边界清晰。使用语义分割方法，选取吉林省松原市乾安县作为研究区域，提取效果较好，提取结果经样方验证的总体精度为94.60%，Kappa 系数为0.9068。

通过吉林一号卫星影像分析研究区内土壤盐碱化的形成原因，从自然因素看，研究区内地形低洼平坦，存在大量水坑，造成大量盐分聚集。从人类活动因素看，研究区内耕地占比大，草地退化现象较为严重。乾安县盐碱化程度以中度为主，重度和中度盐碱地多集中在乾安县中西部的水坑周围，轻度盐碱地多分布在中东部，分散于耕地、水坑周围。在盐碱地规划整治措施上，应因地制宜，根据土壤盐碱程度分区制定改良策略。