基于Google Earth Engine的典型农牧交错带农作物种植结构提取研究

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农牧交错带是我国东部农业生产区与西部草原放牧区相连接的半干旱生态过渡带,是农业生产的边缘地带。农牧交错带地形复杂,作物分布零散、作物种植种类多,作物种植结构提取难度大,精准识别并掌握研究区的农作物种植结构,为农牧交错带重点区域的农牧业发展提供方向,有利于资源配置与合理优化,对制定合理的粮食政策和保障国家粮食安全具有重要意义。近年来,遥感技术在不断的进步与发展,将遥感技术应用到农作物种植结构提取的理论基础和技术实践都得有了巨大的进步。本文以农牧交错带的典型区敖汉旗为研究区,借助Google Earth Engine(GEE)平台,在已有的耕地数据基础上,结合农作物物候信息,以2016~2020年作物生长季的Sentinel-2影像为数据源,采用面向对象的简单非迭代聚类算法(Simple Non-Iterative Clustering,SNIC)对影像进行分割,构建时间序列归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI),并用时间序列谐波分析法(Harmonic Analysis Time Series,Hants)进行平滑处理,确定作物生长的物候期和作物识别标志,选择随机森林分类器对研究区农作物种植结构进行分类,结合野外实地调查作物类型分布样本点进行结果精度验证,从而获取2016~2020年农作物种植结构空间分布数据,通过作物种植结构时空分布数据分析影响作物种植结构时空变化的影响因素。利用本文的研究方法提取了研究区玉米、水稻、谷子、荞麦、大棚和其他作物的种植格局,通过精度验证证明遥感监测方法所得到的作物种植面积精度较高。本文主要得到以下结论:(1)GEE平台数据处理能力强,SNIC算法采用先分割后分类的方法对影像进行分类,在提高精度的同时极大程度提高了聚类效率,而通过HANTS谐波分析,可以把生长期相近的作物分类出来。敖汉旗的主要作物是玉米、水稻、谷子、荞麦、大棚和其他作物。通过本文方法获取的各年作物种植结构总体精度在88%以上,kappa系数0.84以上,本文的研究方法可以有效解决地块破碎、作物分布零散、作物种植结构复杂的问题。(2)敖汉旗种植的农作物是以玉米为主,各个乡镇苏木均有种植,玉米的种植面积在2016~2020年间逐年增加。水稻的种植主要分布在老哈河沿岸的古鲁板蒿镇和四道湾子镇,种植面积在2016~2020年期间呈现增加的趋势。谷子在敖汉旗是第二大粮食作物,也是敖汉旗的特色优势作物,主要在长胜镇和木头营子乡种植,谷子的种植面积在2016~2020年间仍是在不断增加。敖汉旗的荞麦是仅次于谷子的特色优势作物,主要在长胜镇种植,虽然2019~2020年种植面积略有减少,但在2016~2020年间,种植面积总体是呈现增加的趋势。农业大棚主要在新惠镇种植,面积在2016~2020年呈现增加的趋势。其他作物在敖汉旗各个乡镇苏木都有分布,2016~2020年其他作物种植面积在不断减少。(3)影响敖汉旗农作物种植结构分布的主要因素是:玉米种植技术简单,对外界条件要求较低,经济效益更高,因此玉米具有广泛的种植优势。水稻的种植面积主要受水源状况影响,因为降水少、蒸发量大、气候干燥等导致敖汉旗并不具有大面积种植水稻条件,水稻的种植区域主要分布在老哈河沿岸,沿着河流呈线状分布。敖汉旗自然环境适合谷子生长,但谷子的种植受茬口影响很大,重茬种植会诱发锈病、线虫病、谷莠草等病虫害,因此,谷子种植须合理轮作换茬,以调节土壤中他营养元素,恢复土壤肥力,减少病虫害。近年来,敖汉旗积极探索并发展特色作物种植,力求将设施农业发展成为农民致富的主导产业,但是受限于设施农业建设成本高、规模化程度低、保鲜加工技术落后等因素,农业设施面积呈现减少-增加-减少的趋势。敖汉旗虽是全国绿色杂粮生产基地,在国家政策与当地地形和交通的双重影响下,2016~2020年其他作物面积在不断减少。
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