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          電子論文

          遙感耕地監測現狀與方法綜述

          時間:2022年03月17日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

          摘要:耕地資源是我國農村發展和農業現代化的根基命脈,是國家糧食安全的基石,因此迫切需要精細化、精準化的耕地資源分布與變化信息。對地觀測技術與人工智能領域的發展為快速、精準、智能化的耕地監測提供了 有力支撐。本文通過搜集國內外耕地監測領域相關的研究,梳理耕

            摘要:耕地資源是我國農村發展和農業現代化的根基命脈,是國家糧食安全的基石,因此迫切需要精細化、精準化的耕地資源分布與變化信息。對地觀測技術與人工智能領域的發展為快速、精準、智能化的耕地監測提供了 有力支撐。本文通過搜集國內外耕地監測領域相關的研究,梳理耕地相關監測內容,歸納遙感耕地監測分類體系,回顧遙感耕地監測領域技術方法的演化歷程,總結當前主流的耕地監測方法,揭示不同農業區域、尺度區域與分類單元的應用領域現狀,并指出多源遙感數據耕地監測面臨的挑戰及可能的發展趨勢:遙感耕地監測應面 向不同區域、尺度、粒度開展耕地信息提取與變化檢測研究,發展與創新多源/模態數據協同監測技術,實現耕 地監測的“數據􀆼模型􀆼知識”聯合驅動,逐步提升耕地監測精準化、精細化與智能化水平。

            關鍵詞:遙感 耕地監測 監測內容 分類體系 方法歷程 主流方法 應用領域

          遙感信息論文

            引言

            實時準確的耕地空間分布與變化信息是促進農 業信息化與現代化發展的重要前提,同時也對宏觀農 業政策制定、農業規劃管理、農業資源保護與可持續 發展具有重大的戰略意義[1,2]。21世紀以來,黨中央 與國務院相繼提出“基本農田保護制度”“18億畝耕 地紅線”“非農化、非糧化”等相關政策,確保“舌尖上 的安全”;同時,聯合國千年發展目標(MDGs)也明確指出“消除極端貧窮和饑餓”的可持續發展目標,呼吁 全球政府與公民保護農業資源,確保糧食安全供給。 因此,精準化、精細化耕地資源信息的獲取已成為全 球 可 持 續 發 展 的 重 要 議 題,保 護 耕 地 資 源 刻 不 容緩[3]。

            傳統的耕地監測大多是以行政區域為單位,人工 目視解譯與野外復核驗證相結合的方式開展,盡管可 以獲得較高的監測精度,但是由于其耗時耗力,滿足 不了大范圍、快速及時的農業監測需求[4]。遙感憑借其對地表信息觀測的周期性、宏觀性、時效性與經濟 性,已成為耕地監測最有效的技術手段之一[5]。特別 是目前航天航空遙感傳感器的多元化,以及信息處理 與分析水平、智能化水平的大大提高,基于多源遙感 數據的精細化耕地信息提取、強時效的動態監測已經 成為未來農業遙感領域的重要方向[6]。 當前,限制多源遙感影像耕地監測發展與應用的 原因主要有:

            (1)“認知不清”:耕地類型的多樣性體現 在其形態與物候特征兩個方面。形態特征上,由于不 同農業區域地理環境的差異,耕地地塊的形狀大小呈 現較大差異性,平原地區耕地地塊規整、連片、地塊邊 界明顯,而丘陵山地區域耕地地塊破碎、分散、地塊邊 界模糊。物候特征上,由于耕地直接承載單位作物類 型多樣,作物種植結構復雜,耕作措施差異使得耕地 類內光譜特征多變、紋理特征復雜。

            其高時空異質性 導致耕地要素在視覺感知與認知過程中存在較大偏 差;(2)“數據不全”:現有遙感數據尺度多樣、模態復 雜,易受云雨霧氣、傳感器等因素的影響,觀測數據往 往存在時間“有縫”,空間“有洞”,單一遙感數據難以 “時􀆼空􀆼譜”無縫表征具有復雜物候特征的耕地的動 態變化,數據不完整導致全方位、全周期、全維度認知 耕地地物存在巨大挑戰;(3)“方法不靈”:現有的各種 耕地監測方法大多適用于單一時空域,在面臨大范圍 耕地監測時,模型與方法的泛化能力弱,精度穩定性差,普適性不高,理論與應用之間存在巨大鴻溝,無法 有效支撐重大工程應用,例如全國第三次土地調查與 地理國情監測等工程90%以上解譯工作依然依靠人 工目視判讀。

            因此,如何提高模型的解譯精度與泛化 能力已經成為當前耕地監測領域的關鍵問題。 為此,本文通過總結與歸納國內外學者對耕地監 測領域相關的研究,梳理耕地相關監測內容,歸納遙 感耕地監測分類體系,回顧遙感耕地監測領域技術方 法的演化歷程,總結當前主流的耕地監測方法,揭示 不同農業區域、尺度區域與分類單元的監測應用現 狀,并指出多源遙感數據耕地監測面臨的挑戰及可能 的發展趨勢。

            1 監測內容

            當前,較為權威的耕地定義來源于我國《土地利 用現狀分類》[7]:指種植農作物的土地,包括熟地,新 開發、復墾、整理地,休閑地(含輪歇地、輪作地);以種 植農作物(含蔬菜)為主,間有零星果樹,桑樹或其他 樹木的土地。耕地監測可以提供耕地空間分布及其變化的定量與定性信息,從研究內容上看主要涵蓋耕 地信息提取與耕地變化檢測兩部分內容,前者主要是 指從海量遙感數據中利用耕地的顯著特性區分耕地 與其他地類的過程,包含對耕地的空間分布、形態面 積等信息的獲取,側重于“是否存在,如何存在”;后者 主要是從不同時期的遙感影像中定量分析和確定耕 地信息變化的特征與過程,包含耕地變化類型、變化 量以及變化趨勢等,側重于“是否變化,如何變化”。

            研究較為廣泛的是耕地提取研究領域,研究目標主要 包括水田[8,9]、水澆地/灌溉田[10]、旱地[11]等二級類 的提取[12] ;以及坡耕地[13]、梯田[14]、溫室大棚[15]、蝦 稻田[16]等特殊耕地識別等。由于耕地是農作物的直 接承載體,所以耕地在生長周期內自身也呈現出強烈 的動態變化,加上不同時期遙感影像的獲取時間點不 同導致耕地呈現出明顯的“偽變化”[17]。因此,耕地 變化檢測研究相比提取研究來說甚少,特別是針對高 空間分辨率影像的精細變化檢測,現有的涉及耕地變 化檢測研究大多基于長時序中低分辨率數據開展,主 要研究目標包括土地利用/覆蓋變化規律分析,耕地 撂荒與棄耕監測等[18􀆼21]。

            在面向工程化應用時,如何 快速發現耕地變化并輔助實現耕地基礎地理數據的 更新是一項重要的工作,因此創新與發展耕地變化檢 測方法流程,實現耕地類內與類間變化信息的準確獲 取是未來研究的關鍵問題。未來研究不僅包括耕地 專題化監測,更重要的是監測其類內或類間的變化, 捕捉到其變化問題。 數據源作為耕地監測的基礎,其模態、時空分辨 率的不同,對耕地信息研究的描述也不同,因此,耕地 監測中不同數據源具有不同的應用領域與適用條件。

            數據源主要來源于衛星遙感數據,一方面,Landsat、 MODIS、Sentinel等中低分辨率數據依然是利用率最 高的數據源[22􀆼25],加上 “GoogleEarthEngine”等一 系列云平臺的出現,全球/區域農田信息監測得到更 加廣泛地應用與實踐[26] ;另一方面,在視覺上能夠清 晰辨識地表要素分布的高空間分辨率數據,為耕地精 細化 監 測 提 供 有 力 數 據 支 撐,QuickBird、WorldView、SPOT 等高空間分辨率數據也逐漸被應用至 耕地監測中[27􀆼30]。“十二五”以來,我國自主研制的資 源系列衛星、高分系列衛星等也有力支撐地理國情監 測、全 國 第 三 次 土 地 調 查 等 重 大 工 程 項 目 的 實 施[31􀆼33]。

            此外,針對中低緯度地區受云雨天氣影響導 致光學遙感影像可利用性不足的問題,合成孔徑雷達 (SAR)數據穿透性以及不受光照和大氣條件限制的特性,有力改善了光學衛星遙感乏力的困境,其后向 散射性對于水體地物較為敏感,可以利用時序數據對 水田等信 息 進 行 監 測,但 由 于 其 特 殊 的 成 像 機 理, SAR 數據存在大量的斑點噪聲,并且其預處理過程 也極為復雜[34􀆼36] ;針對耕地上作物類型復雜多樣導致 的光譜特征混淆等現象,“圖譜合一”的高光譜遙感依 靠其豐富的光譜波段信息,使得不同農業作物的光譜 屬性探測能力大大增強,但數據量大、冗余信息多,信 噪比低,成本昂貴等問題限制了其大范圍應用[37,38] ; 在中小尺度耕地監測中,機動靈活的無人機遙感數據 也可以實現耕地監測“定制化”應用[39]。

            在數據源使 用上,遙感數據的多元化以及可獲得性為遙感耕地監 測提供了更多的數據源選擇。傳統的耕地監測主要 是以單一數據源為主,包含以中低分辨率數據為基礎 開展的大范圍/區域監測,以及高空間分辨率數據為 基礎的小區域農田監測等,耕地的物候特性與空間形 態特性并不能有效顧及。

            因此,針對單一數據源空間 分辨率或時間分辨率不能兼顧導致無法表征耕地及 其作物光譜變化規律的問題,眾多研究逐漸以多源遙 感數據為基礎開展研究,主要通過整合多種模態、多 種類型分辨率數據的優勢,實現多源數據的協同觀 測。例如:聯合光學衛星與 SAR 衛星多模態數據實 現多區域的耕地監測[40,41] ;中分辨率時序數據與高空間分辨率數據結合使用實現小農區域的作物精細 化制圖[42]等。

            2 監測分類體系

            本文通過梳理遙感耕地監測領域相關研究成果, 從任務類型、數據種類、先驗信息、區域特性、分析尺 度、分類單元等不同的監測角度,總結以下遙感耕地 監測分類體系:從監測任務類型來分,遙感耕地監測 分為耕地提取方法與耕地變化檢測方法;從監測數據 種類來分,主要分為中低分辨率數據監測、高分辨率 數據監測以及多源數據監測;從監測先驗信息來分, 根據是否有先驗數據可以分為非監督學習方法、監督 學習方法,先驗信息可以來源于公開數據集、基底數 據庫等;從監測區域特性來分,可以分為集約型農業 區域監測與粗放型農業區域監測;從監測分析尺度來 分,大致可以分為全球/大范圍耕地監測、區域尺度耕 地監測以及中小尺度耕地監測;從監測最小單元來 分,可以分為像元級耕地監測與對象級耕地監測等。

            3 方法歷程

            遙感耕地監測方法的發展歷程也是對地觀測技術、人工智能等領域的發展史,遙感數據源的豐富,人 工智能領域的新崛起,深深影響了遙感耕地監測方法 的發展歷程。通過對現有遙感耕地監測領域方法上 的梳理,總結以下4個典型的發展階段:

            (1)Stage1:早期遙感耕地監測受限于數據源與 計算機發展水平,以統計變化與分析[43􀆼45]、無監督分 類[46􀆼48]、邊緣檢測[49,50]等方法為主,主要原理是對遙 感影像中像素進行差異性統計,實現相似像元的聚 類,以便對所屬耕地地塊或地塊邊界進行描述。

            (2)Stage2:推動耕地遙感監測領域發展的第一 次契機來源于智能化處理方法的發展,與早期以無監 督算法相比,監督算法為遙感耕地監測帶來了生機, 特別是最大似然法[51]、決策樹[52]、支持向量機[53,54]、 隨機森林[11]、貝葉斯網絡[13]、神經網絡[55]等為主的 機器學習算法的應用。此外,另一主要驅動因素來源 于高空間分辨率遙感影像的商業化,面向對象影像分 析技術的出現,使得耕地監測的基本單元從像素逐漸 過渡到對象。與像素相比,對象更能體現出地物的輪 廓特征與存在形式,特別是具有形狀特性的耕地地 塊。因此,越來越多學者聚焦于圖像分割優化研究, 區域增長分割算法[14,56,57]、邊緣檢測分割算法[58􀆼60]等 又一次推動了耕地監測智能化的提升。

            (3)Stage3:在機器學習與面向對象影像分析 (Object􀆼BasedImageAnalysis,OBIA)技術的影響 下,研究人員對耕地要素的認知逐漸向以光譜為基礎的物候學分析方法轉移,在光譜分析算法上,以線性 光譜分解[61]、光譜角制圖[62]、三角剖分法[63]等為主 的方法逐漸在各個尺度分辨率數據上得到應用;在光 譜匹配算法上,通過統計與分析耕地內不同農業作物 的物候特征,確定耕地子類的特征相似性與差異性, 從而實現區域性農田的精準制圖與評估[18,64] ;在物 候 曲 線 匹 配 算 法 上,以 諧 波 分 析 模 型 (Harmonic Model)[17]、動態時間規整(DynamicTimeWarping, DTW)系列算法[65,66]為主的方法在農業土地利用分 類、作物類型精準劃分以及棄耕撂荒檢測等領域展現 出巨大潛力。

            但由于耕地本身受多樣的作物類型或 復雜的種植結構的影響,基于“譜”的方法實際上是對 其覆蓋物“農作物”物候特征的更加細致的描述。此 外,以光譜特征與對象級分類單元為基礎,多種算法 集成分類的方法,例如:多尺度分層分類法[14]、多算 法集成法[28,67,68]以及針對于全球土地利用覆蓋研發 的像素􀆼對象􀆼知識(POK􀆼based)分類體系法[3,69]也在 耕地提取或相關領域得到驗證,為后續耕地監測提供良好的思路。

            (4)Stage4:近年來,深度學習的快速發展為耕 地資源要素智能監測領域注入新的活力。以稀疏自 編碼[70]、卷積神經網絡[33]、循環神經網絡[71]、深度神 經網絡[72]為 主 的 深 度 學 習 法,以 及 注 意 力 機 制 引 導[73]、多類型網絡嵌套[74,75]、知識描述[76]等混合方法在耕地地塊識別、耕地邊界劃分和農作物分類領域 得到廣泛應用。與其他領域相比,基于深度學習技術 的遙感耕地監測方法還略顯稚嫩,模型精度與適用性 還有待提高,但隨著人工智能技術的不斷發展,此領 域也必將值得更深的探索以及更加顯著的發展。

            4 目前主流監測方法

            4.1 基于物候學分析的大尺度耕地制圖

            基于物候學分析的耕地制圖研究主要利用30- 250m 等中低分辨率數據,通過波段分析或植被敏感 指數計算,選擇適合耕地的物候學特征表達,并開發 適用 于 大 尺 度 的 自 動 耕 地 提 取 算 法。Thenkabail 等[77]基于多種傳感器遙感數據與輔助數據,利用纓 帽變換指數、MODIS􀆼NDVI時序特征等,開發出一種 自動化的耕地分類算法(ACCA),生成了塔吉克斯坦 國家的耕地面積、灌溉面積以及非灌溉面積等多種真 實耕地數據層(OverallAccuracy,OA≥96.2%)。

            為 后續國家快速、準確生成年際監測圖提供技術支撐; Yan等[59]利用多時相 Landsat數據,通過計算每周 的歸一化差值植被指數(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)的最大值,實現了美國3個州 作物田塊的自動提取,研究表明利用多時相數據可以 有效刻畫 耕 地 的 作 物 輪 作 與 植 被 狀 態 的 年 際 變 化 (OA=90.1%),對于大面積耕地自動提取具有重要的借鑒意義;Xiong等[26]針對非洲農業區域的異質 性與碎片化,開發出一種基于 MODIS􀆼NDVI數據的 自動化農田制圖算法(ACMA),通過收集多源的知 識,生成了覆蓋整個非洲大陸的參考耕地數據層,盡 管缺乏足夠多的參考數據 (OA≥91%),但 ACMA 在繪制大面積耕地范圍上展現出巨大的優勢。

            準確 的耕地資源信息的掌握對于緩解糧食安全危機與全 球生態評估至關重要,受年際內耕地地面實地狀況信 息難以獲取,區域耕地內作物生長日歷不同導致的物 候特征難以提取,以及耕地內農作物自身呈現時空動 態變化的影響,精確繪制年復一年/季復一季的耕地 空間分布十分困難[26]。

            因此,一方面,如何利用已有 的耕地數據、全球土地利用等這些先驗數據,實現大 范圍耕地要素的快速更新,對于宏觀掌握全球土地利 用資源至關重要;另一方面,充分發揮當前多種數據 源的優勢(MODIS、Landsat、Sentinel􀆼2 以及高空間 分辨率數據等),實現大尺度耕地綜合制圖更加精細 化、準確化、自動化地表達也是今后研究的重要領域。

            4.2 集成機器學習與對象級分割的耕地監測

            基于機器學習與面向對象影像分析相結合的耕地監測框架,是區域尺度或中小區域尺度下耕地監測 最主流的方法,其應用范圍包括耕地地塊提取、棄耕 撂荒地檢測、作物類型分類以及相關農業措施監測 等。Massey等[78]基于 GoogleEarthEnginee平臺, 開發了一種遞歸層次分割算法(RHSeg)與隨機森林 分類器相結合的大尺度耕地監測流程,利用光譜、指 數、地形等特征制作了北美大陸30m 的耕地覆蓋圖 (OA>90%),并指出該流程適用于更詳細的產品制 作(作物類型、種植強度)與更高空間分辨率的耕地制 圖;Yin等[79]開發出一種基于時空分割與隨機森林 相結合的撂荒地檢測流程,利用多時相對象的光譜特 征針對俄 羅 斯 與 格 魯 吉 亞 等 區 域 開 展 研 究 (OA= 97%±1%),結果表明時空分割方法與機器學習算法 相結合是一種穩健性較好的撂荒地檢測方法;Lebourgeois等[42]基于Sentine􀆼2、PLEIADES以及 DEM 等多種數據源,提出了一種隨機森林與 OBIA 相結合 的小農區域作物類型識別策略,基于光譜、紋理、指數 等多項特征開展馬達加斯加農作物類型劃分(OA= 91.7%),并分析不同數據源,不同特征的貢獻程度, 結果表明在時序分析的基礎上加上對象級分割能大 大提高監測精度。

            此外,支持向量機、決策樹等多種 機器學習算法與均值漂移分割、分水嶺分割等多種圖 像分割算法也在耕地監測中被廣泛應用[59,80􀆼83]。該模式的最大特點在于整體流程易于操作,適用于多種 分辨率數據并且可以獲得較好的監測效果。

            但在影 像分割中,分割尺度難以把握,不同區域的耕地形態 差異大,同一區域不同地形下耕地地塊差異更容易 大,分割方法所獲得的對象單元與人們對實際目標地 物的形態往往并不匹配,進而導致對象級的分類結果 無法轉換成具有實際地理實體意義的解譯成果;另一 方面在于特征工程建設上,對于機器學習算法來說, 特征越多,給出的參考信息就越多,準確性會得到提 升,但特征多意味著計算復雜、每個特征在訓練樣本 上就會稀疏,也會限制其精度的提升。因此,一方面 需建立地理分區的策略,將研究區域根據耕地分布形 態進行大致劃分,利用不同的分割尺度實現“分而治 之”;另一方面,通過特征選擇,選擇可控的計算能力 之內最有效的特征組合,逐步提升機器學習算法的適 用性。

            5 應用領域

            5.1 不同農業區域監測應用

            世界上農業生產可以根據投入情況分為兩大類: 一類是機械化水平較高的集約型農業,主要分布于美 國、歐洲、中國東北等地勢平坦的平原農業區域;另一 類則是呈現出自給自足典型小農特性的粗放型農業, 主要以熱帶、亞熱帶等區域的非洲、東南亞、中國南方 區域等[89􀆼91]。前者由于規;N植,且地塊呈現一定 連片規則狀,因此以往的研究大多基于此農業區域進 行作物類型制圖、耕地地物提取以及農業土地利用監 測等。后者由于其混合的種植結構以及破碎的耕地 地塊,再加上此區域常年受云雨天氣影響導致數據源 缺失,使得具有小農特性的農業研究區監測面臨重大 挑戰。與集約型農業區域相比,影響全球糧食安全的 小農農業生態系統耕地及其相關監測則更應受到關 注[92,93]。

            些許學者基于 Sentinel􀆼1/2等數據源開展 遙感耕地監測與農作物精準制圖研究,并取得較好的 效果,特別是在尼日利亞、馬里等非洲國家[85,94],但 是對于田間異質性更大,地塊分布更分散,形態大小 更不均勻的山地丘陵區,例如:中國南方云貴川區域, 耕地位置的不確定性與屬性誤差依然較高[88]。在面 向小農農業耕地不確定性與云雨天氣挑戰時,應充分 發揮與挖掘多尺度(不同分辨率)、多模態(光學為主、SAR補充)數據的協同觀測能力。此外,隨著農業現 代化的發展與轉型,以及經濟利益的驅動,梯田、溫室 大棚、蝦稻田等特殊耕地類型也應受到重視,在監測 其空間分布與面積變化的同時,也需評估其對周圍生 態環境產生的影響。

            5.2 不同區域尺度監測應用

            遙感耕地監測尺度分為全球尺度監測、區域尺度 監測以及中小尺度監測等多個類別。在過去幾十年 里,生產了若干全球或區域尺度的耕地監測產品,這 有助于及 時 了 解 全 球 耕 地 的 空 間 分 布 特 征,例 如: GlobalCroplandExtent [90]、Cropland MaskofAfrica [95]等。此外,在全球/區域土地利用覆蓋監測中, 耕地往往作為一類或多類存在,這些產品側重于土地 利用/覆蓋制圖,耕地并不是主要的目標,但分類體系 不統一、空間分辨率限制、專題性不強、精度難以綜合 評估等問題導致其利用率并不高[69,89,96]。

            聯合國糧 食及農 業 組 織 (FAO)普 查 數 據 顯 示,全 球 農 場 中 84%的農田面積小于2hm 2[89],以非洲、亞洲的耕地 地塊尺度最為狹小(平均尺寸約1.6hm 2),特別是中國區域耕地地塊大部分位于0.2-0.8hm 2[93],而以 MODIS、Landsat、Sentinel􀆼2系列數據源無法有效反 映其空間分布形態,迫切需要補充更高空間分辨率的 數據進行協同監測,因為在更為精細的空間分辨率 下,可以獲取更分散、更狹小的耕地地塊的分布信息。 而在中小尺度耕地監測中,主要是基于高空間分辨率 數據開展方法性研究,如何進行小區域示范的推廣與 應用是未來耕地遙感監測的重要問題。

            5.3 不同分類單元監測應用

            遙感耕地監測受限于數據源較為粗糙的空間分 辨率,大都是基于像元作為最小監測單元來進行耕地 監測,主要是通過利用像素值之間的差異來進行耕地 的區分。

            盡管相關理論、算法與技術流程相對成熟并 且取得較好的監測結果,但在地類嵌套、地塊破碎的 復雜自然場景中,受“同物異譜”和“異物同譜”的影 響,“椒鹽現象”限制了耕地監測精度的提升;隨著面 向對象影像分析技術的出現,對象級監測逐漸成為了 主流,面向對象主要是對影像分割后的對象作為最小 分類單元進行分類,與像素相比,對象具有更加豐富 的形狀、紋理、空間上下文關系等[97],使得對象級尺 度更能體現出耕地在地表覆蓋中存在的形式,基于高 空間分辨 率 數 據 的 對 象 級 耕 地 監 測 也 得 到 廣 泛 應 用[29,32,45,98]。

            但高空間分辨率影像時相較少,缺少耕 地分類所欠缺的物候信息[99],利用面向對象技術從時間序列/多時相數據中進行相關監測研究也逐漸開 展[65],數據源主要集中于中分辨率(Sentinel􀆼2等), 部分研究聚焦于對象級全球/區域地物監測[69],這對 于復雜自然場景下破碎耕地適用性并不大。此外,對 象級監測過分依賴于分割尺度的選擇,“過分割”與 “欠分割”均一定程度影響監測精度,影像分割后的對 象與實際地物邊界還存在一定誤差[98],因此,亟需發 展農業場景級與地塊實體級監測[100],而深度學習技 術將有力推動遙感耕地由監測“準”向監測“精”的方 向邁進。

            6 展望

            耕地本質上是一個涵蓋多種作物的復合要素,因 此,遙感耕地監測本質上是一個復雜的過程。隨著大 數據、人工智能技術的不斷發展與應用領域拓展,遙 感耕地監測的智能化、精細化與精準化的需求也日益 明顯,因此在后續的研究中:

            (1)在耕地專題性監測基礎上,應更注重耕地變 化檢測問題,包含致使耕地“非農化”與“非糧化”現象的耕地類型轉換,以及耕地類內由于種植類型與種植 模式變化而導致的“偽變化”。特別面向重大工程應 用需求,在已有的基底數據上,快速實現耕地變化發 現以輔助耕地數據的快速更新仍是一項重要內容。

            (2)遙感數據是一個從單源到多源、從單模態到 多模態、從低分辨率到高分辨率的發展過程。成像機 理與工作模式的差異導致單模態數據源應用于耕地 監測時呈現出一定局限性。耕地具有自然地物與人 工地物的雙重屬性特征,即物候特征與形態特征。因 此,發展與創新多源/模態數據協同監測依然是實現 耕地時空異質性聯合表征最有效的途徑。

            (3)盡管傳統的機器學習算法與面向對象影像分 割技術的結合依然在耕地檢測領域發揮重要作用,但 以深度學習為主的方法已在耕地監測領域展現出巨 大的潛力,構建多時相、多尺度、多維度、多傳感器、多 模態的耕地/作物樣本數據庫,為耕地監測提供源源 不斷數據“燃料”;建立顧及耕地敏感性偏好的專用網 絡模型,提升模型在時間域與空間域的遷移泛化能 力;嵌入地學輔助知識,通過不斷迭代反饋優化監測 結果,以此實現耕地監測的“數據􀆼模型􀆼知識”聯合驅 動,提升耕地監測精準化、精細化與智能化水平。

            遙感信息論文: 多源遙感影像在地方經濟建設中的作用

            (4)全球/區域耕地制圖由于數據源的多元化與 可獲得性,精細化的耕地制圖對于全球氣候與可持續 發展評估意義重大,而中小尺度耕地監測技術則著重 突破推廣與適用性;與集約化農業區域相比,粗放型 的小農區域耕地制圖面臨重大挑戰,結合多尺度、多 模態遙感數據,實現小農區域耕地以及農業土地利用 精細化制圖,對于全球糧食安全與社會穩定至關重 要;耕地監測尺度在經歷了像元􀆼對象的監測尺度之 后,如何提升監測結果與耕地地塊實體化的匹配程度 依然亟待解決。

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            作者:眭海剛1** ,王建勛1,華 麗2,段志強3,許貴林4

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