基于Sentinel-2 影像的济宁市冬小麦种植面积提取研究

摘 要： 植被的遥感提取通常利用单一植被指数，而单一植被指数无法全面反映不同植被之间的差异性，易造成漏分、错分现象，影响提取精度。为有效提取冬小麦种植面积，本文基于PIE-Engine 遥感平台，利用Sentinel-2 遥感影像数据，结合采样点以原始特征波段、指数特征为输入特征，分别使用随机森林（Random Forest，RF）、支持向量机（SupportVector Machine，SVM）分类法对济宁市冬小麦种植面积进行提取，评价相同输入特征下不同分类方法的提取精度、相同分类方法不同输入特征的分类精度，最终得出最佳分类特征以及分类方法。结果表明：以指数特征作为输入特征，结合随机森林分类法提取济宁市2023 年冬小麦种植面积的精度最优，验证矩阵ACC系数为0.984，验证矩阵Kappa 系数为0.974。可见，基于Sentinel-2 遥感影像的随机森林-指数特征模型可较准确提取济宁市冬小麦种植区域，本研究可提供一种提取冬小麦种植面积的有效方法，为调控农业生产、合理利用自然资源、实现农业精准管理、保障粮食有效供给提供辅助依据。

关键词： 济宁市；冬小麦；随机森林；支持向量机；Sentinel-2

中图法分类号： S512.1+1 文献标识码： A 文章编号： 1000-2324（2024）03-0406-07

农业是我国的第一产业，是国民经济的重要产业支撑，也是我国经济发展与建设的根本基础。我国向来重视耕地安全、粮食安全、农业生产资源、农业生产效益等基础农业问题。小麦作为重要粮食作物之一，其生产情况对于粮食安全尤为重要。小麦种植区域的变化情况对农业生态系统的功能和结构造成很大影响，因此，及时准确地获取小麦种植面积及其分布变化信息对研究作物生长状况、产量估算、作物结构调整和优化、灾情监测都具有重要意义，为农业精准管理、优化耕地农业生产管理制度、保障粮食安全、合理分配自然资源、调控农业生产提供辅助依据［1］。

获取作物种植面积的传统方法主要为抽样调查和逐级统计上报，此类方法耗费大量人力物力、获取周期长、时效性低、统计面积易受主观因素影响且无法获得详细农作物空间分布信息［2］。遥感技术具有宏观观测、动态监测等特点，可获取大范围数据并快速更新监测范围数据。因此，被广泛应用于农业生产监测领域。

冬小麦遥感提取方法主要分为面向像元分类法和面向对象分类法。面向像元的识别方法以多时相时间序列应用最为广泛，如Ren et al. 使用MODIS NDVI时间序列数据和线性光谱混合模型对黄淮海平原冬小麦的种植区进行面积监测，研究结果提供了一种快速、稳定的冬小麦面积监测方法［3］。面向对象分类方法将斑块作为最小制图单位，主要依据农作物在光谱、纹理和颜色等特征表现出的差异，例如崔玉环等基于IKNOS，Worldview-Ⅲ高分辨率遥感影像，采用多尺度分割的面向对象分类方法提取冬小麦，效果显著，且Kappa 系数达到0.92［4］。机器学习分类算法已被应用于农作物的识别和提取研究中［5］，王小飞等深度神经网络、随机森林、支持向量机分类算法结合时序数据提取河南省冬小麦种植面积［6］；牛鲁燕等采用随机森林分类算法和Sentinel 遥感影像提取了山东省冬小麦种植面积［7］；万丛等基于GF-7 卫星影像，对比分析了支持向量机（SVM）和随机森林（RF）两种机器学习算法对冬小麦的精细化识别能力［8］。此外，许多具有创新性的冬小麦遥感识别方法被提出，例如Wang et al. 使用Sentinel-2 影像提出一种新的基于注意力机制的卷积神经网络，研究了6 个具有不同环境下县区内农作物的识别效果，在与CNN和RF算法的对比中表现出更强的适应性，同时研究发现红边波段2 对分类模型的贡献最大［9］。

济宁市耕地面积广、用地类型丰富，这些特点为冬小麦面积提取所用遥感影像提出较高的要求，提取冬小麦种植面积所使用影像既需要较高的空间分辨率同时也要兼顾时间分辨率，以减少不同区域多种植被、天气变化等因素对提取精度的影响。Sentinel-2 数据质量好、时空分辨率高、可免费获取，已被广泛应用于农业监测中。本文选择2023 年Sentinel-2 数据作为实验数据，其高时间分辨率有利于冬小麦空间分布变化信息提取、高空间分辨率有利于不同农作物类型进行区分。PIE-Engine 遥感云平台基于云计算、物联网、大数据和人工智能等技术研制，依托云平台基础环境，在线提供多源遥感卫星影像数据服务、遥感数据生产处理服务、遥感智能解译分析服务。考虑到实地样本数据较少且获取较为费时费力，选择适用于小样本数据的随机森林方法基于PIE-Engine 遥感云平台建立济宁市冬小麦提取模型，并与支持向量机模型对比，验证并评估不同模型的提取精度。

1 研究区及数据

1.1 研究区及概况

本文研究区域为山东省济宁市全域，介于34° 26′N～35° 57′N，115° 52′E～117° 36′E 之间（图1）。济宁市属鲁南泰沂低山丘陵与鲁西南黄淮海平原交接地带，地质构造上属华北地区鲁西南断块凹陷区。地形以平原洼地为主，地势东高西低，地貌较为复杂。济宁市位于东亚季风气候区，属暖温带季风气候，四季分明。夏季多偏南风，受热带海洋气团或变性热带海洋气团影响，高温多雨；冬季多偏北风，受极地大陆气团影响，多晴寒天气；春秋两季为大气环流调整时期，春季易旱多风，回暖较快；秋季凉爽，但时有阴雨。主要农作物有小麦、水稻、玉米、甘薯、棉花等。获取济宁市主要农作物种植面积对于有关部门制定粮食政策、推动产业发展、为民生谋福祉具有重要意义。