黄土高原地区复杂地形下
4种卫星数据耕地识别能力评价

周孝明 · 覃昌利 · 康彩苹 · 鲁蕾

研究背景

黄土高原地区耕地分布范围广、数量多、分散且地块碎小。当前卫星数据源丰富、分辨率多样,是耕地调查监测的理想数据源。

针对卫星数据在黄土高原不同地貌单元的耕地识别能力和精度评估研究不足,本研究科学、准确评估卫星数据源的耕地识别能力和精度,为耕地调查监测数据源选择和精度评估提供参考。

研究方法

研究区域

兰州市榆中县,覆盖黄土塬区、黄土沟壑区、黄土丘陵区三种地貌单元

数据源

GF-1 (2m)、Sentinel-2 (10m)、GF01-WFV (16m)、Landsat-8 OLI (30m)

评价指标

位置准确度、面积准确率、漏分率、错分率、最小可识别图斑面积

分类方法

随机森林算法,结合空间统计分析方法进行定量评估

核心发现

01

空间分辨率影响显著

耕地识别精度与影像空间分辨率高度相关,但各精度指标间差异显著。

  • 位置准确度受空间分辨率影响较小:GF-1 (95.02%)、Sentinel-2 (94.81%)、GF01-WFV (91.96%)、Landsat-8 OLI (91.66%)
  • 面积准确率从94.88%下降至85.94%,错分率从3.91%上升至16.57%,漏分率从7.62%升至19.22%
  • 地块边界准确度:GF-1 (89.69%)、Sentinel-2 (83.93%)、GF01-WFV (79.11%)、Landsat-8 OLI (74.74%)
02

地形地貌影响明显

耕地识别精度受地形影响较大,空间分辨率越高越容易受地形影响。

  • 黄土塬区精度高于黄土沟壑区3%~5%,高于黄土丘陵区5%~10%,但漏分率相对较高
  • 黄土沟壑区错分情况显著,平均错分率达15.94%,Sentinel-2和GF01-WFV均大于16%
  • 黄土丘陵区不同影像数据之间的精度差异缩小,总体精度最低
03

最小可识别图斑差异大

不同卫星数据的最小可识别耕地图斑面积存在显著差异:

GF-1
180-200m²
Sentinel-2
260-290m²
GF01-WFV
352-384m²
Landsat-8
570-630m²
04

耕地面积提取精度

榆中县耕地制图结果显示:2~15m分辨率数据提取耕地面积偏少,30m数据偏大。GF-1耕地提取准确率在95%以上,最接近实际耕地面积。

92.70%
GF-1 Average Area Accuracy
GF-1平均面积准确率
95.69%
GF-1 Position Accuracy
GF-1平均位置准确度
10m
Recommended Resolution
推荐空间分辨率阈值

应用建议

数据选择原则

优于10m空间分辨率遥感影像基本可满足黄土高原地区耕地面积、位置、种植状态监测和制图需求。应结合数据源可获得性、监测内容和精度要求综合考虑选择卫星影像。

地形适应性

黄土高原地区地形破碎、沟谷纵横,裸露黄土与休耕、翻耕耕地光谱容易混淆。在黄土丘陵区和黄土沟壑区,建议优先选用高于10m空间分辨率遥感影像。

分区策略

黄土塬区可使用Sentinel-2等10m级数据,而黄土沟壑区、黄土丘陵区则需要GF-1、GF-2等高空间分辨率卫星数据以满足精度要求。

精度保障

GF-1、Sentinel-2、GF01-WFV三种卫星影像数据可满足区域耕地调查监测的精度要求(最小上图图斑面积400m²),Landsat-8 OLI则不能胜任。