（三等奖）D1109基于RS的三七种植面积快速估算

作品编号：D1109（三等奖）

作品名称：基于RS的三七种植面积快速估算

作者单位：东华理工大学测绘工程学院

小组成员：徐子超，付书计，朱帅光，谢灵惠

指导老师：谢相建

基于RS的三七种植面积快速估算
作品简介
一、作品背景
作为我国传统名贵药材的三七（田七），有着降低血脂、活血化瘀、消肿止痛的疗效，因其药效明显，已经从传统的药用价值拓展到社会许多方面。然而其生长对土壤、湿度、海拔等生长环境因素要求较高，全球三七的主要种植面积集中在云南红河州和文山州，三七种植是当地的支柱产业和主要的经济来源。
传统的三七种植面积及产量监测主要通过普查统计和实地调查，不仅耗时耗力，且难以从宏观尺度全面反映三七种植面积及其变化。卫星遥感手段以其时效性高、覆盖面广、分辨率高等优势使得快速估算三七种植面积情况成为可能。
三七的生长特点是需要良好的遮阳条件，因此三七种植区域大都覆盖有黑色的遮阳网，这种特殊的遮阳网与周围其它地物的光谱特征存在较大差异，为利用遥感技术提取三七种植区域提供了进一步的可能。
 
二、设计目标
本作品基于Landsat 8 OLI 的空间分辨率为30m卫星遥感影像，以云南省红河州建水县为例，在ENVI\IDL基础上，利用RS技术实现对该地区的三七种植面积提取，并在实验的基础之上，设计一个ENVI Task扩展工具，实现对该地区三七种植面积的快速提取。本作品为大面积快速获取三七种植面积信息提供了有效方法，对于三七种植面积监测和三七产量估算具有较大的参考意义。后期为相关部门合理管理三七种植和最优利用土地创造更高的价值具有重要的参考价值。
 
三、设计方案及技术流程
方案概述：
   本课题目的是设计一套基于Landsat 8 OLI卫星遥感影像的三七种植面积快速提取的技术方案，并借助ENVI/IDL构建三七提取的扩展工具。在三七种植区提取问题上，中低空间分辨率的OLI影像存在混合像元问题，因此本课题主要从两个方面解决此问题：一是通过决策树分类方法提取三七种植区纯净像元，二是采用线性光谱像元分解方法提取混合像元中三七组分比例。首先，决策树分类需要进行决策树的创建，而决策树的创建需要确定阈值，因此提取纯净三七种植区像元的关键在于阈值的确定。其次解决第二个问题的重点在于缓冲区的生成和提取，以及纯净地物端元的获取及输入。将决策树分类得到的纯净像元区域与混合线性光谱分解得到的三七组分比例进行三七种植区域整合，得到最终的三七种植区域。然后，对完整的结果进行制图与和面积统计。最后，借助ENVI/IDL平台，我们完成了上述技术方法的算法实现和功能集成，构建了一套ENVI task扩展工具，以实现三七种植的遥感快速提取和监测。
 
※ 技术流程图如下图所示：

图1 提取流程图

四、关键技术
1、地物样本收集
  在Google Earth中找到与研究区域OLI影像相近时相的高分影像，根据研究区地物覆盖状况，把研究区地物分为三七、水体、建筑、植被、裸岩、土壤、混合、阴影这八种地物类型。为保证分类的准确性，地物样本选择分布均匀且有代表性，每种类型样本数在400个像元左右。
2、特征提取及其阈值的确定
1）自定义的几种特征指数（由地物光谱曲线分析和经验可得）
①NDVI（归一化植被指数）：                         

    增大三七大棚与植被和山体阴影的可区分性。
②NDWI(归一化水体指数)：

通过地物光谱曲线分析可知，三七大棚与水体、土壤、裸岩在第七波段和第二波段差值方面有明显不同，该指数可以增强水体、土壤、裸岩与三七的可区分度。
③NDMI(归一化混合物指数)：

由地物光谱曲线可得，混合物在第一波段和第四波段具有明显的差异性，而三七大棚在该两通道差异较小，故利用此特征指数增大三七大棚与水体植被等混合物的可区分性。
④NIR(近红外)： 增大三七大棚与建筑的可区分性
2）阈值的确定
为更好的实现三七与其他地物类型区分，我们将易区分各类地物的NDMI、NDVI、NDWI和原图像进行特征叠加，然后将ROI区域在该图层上进行统计分析。通过分析比较三七与其他类型地物在每一特征波段上的data value，可以确定能区分出三七与其他类型地物的阈值。
※三七提取决策树创建如下图所示：

图2 决策树流程图

3、线性混合像元分解
  线性混合像元分解的目的是将三七大棚纯净像元缓冲区中的三七种植区域分离出来，其关键是确定缓冲区的范围大小和纯净地物端元的输入。缓冲区大小根据实际情况设为一个像元，纯净端元由ASD光谱仪获取。
4、ENVI Task扩展工具实现
  该套扩展工具是基于ENV/IDL语言开发的一整套三七提取流程体系，提供了一系列比较全面的可视化控件，同时使用了虚拟栅格技术，省去了处理流程进度显示步骤，加快了提取的速度。其中的阈值组件可以选择有无样本数据，在无样本的情况下按照经验阈值进行决策树分类，在输入样本的情况下实现阈值的自动获取，提高了提取的效率。同时在自动阈值计算的时候可以选择是否输入高斯平滑参数sigma,一般取值1.0-2.0。
以下是扩展工具的主要功能模块：

五、特点及展望
1、本设计以区域化比较明显的云南三七种植监测为背景，旨在利用RS技术实现三七种植区域的快速化提取，对当地的三七种植具有参考价值（如三七种植面积监测和三七产量估算）。
2、该提取方法包含了自动阈值获取、决策树分类和线性光谱混合像元分解等技术，较大的提高了精细作物提取精度的可靠性。此外，针对三七大棚光谱特性自定义的几种特征，增强了三七种植区域与其他地物类型的差别，提高了分类的准确性。
3、本次课题设计的ENVI Task扩展工具简洁且实用。提取流程采用了虚拟栅格等ENVI 5面向对象开发技术，减少了数据的中间存储过程，提高了程序的运行效率，实现了三七种植面积的快速化提取。
4、本次课题对实验的结果仅作了定性的评价，考虑到时间和经济成本的问题，暂时没有涉及结果的定量评估，在后期项目经费资助下会逐渐完善这一部分工作。此外，在可预见的未来，期望在此本课题基础上实现三七种植区域的自动化动态监测和分析，辅助公众、相关政府和企事业部门的决策。