基于 Landsat-8 数据的甘肃省金塔县主要农作物分类
一、研究背景与意义
（一）研究背景
甘肃省金塔县地处河西走廊西段，属于典型的干旱半干旱绿洲农业区，其农业生产高度依赖灌溉，主要农作物包括小麦、玉米、棉花、甜菜等。随着全球气候变化与区域农业结构调整，准确掌握农作物种植面积、空间分布及时序变化，对区域水资源优化配置、农业生产管理、粮食安全评估及生态环境保护具有重要支撑作用。
传统农作物调查依赖人工实地采样，存在耗时耗力、覆盖范围有限、时效性差等问题，难以满足大区域、高精度、动态监测的需求。遥感技术凭借宏观性、周期性、经济性的优势，已成为农作物分类与面积提取的核心手段。Landsat-8 卫星作为美国 NASA 发射的陆地观测卫星，搭载的 OLI（Operational Land Imager）传感器具有 15-30m 空间分辨率、16 天重访周期，且数据免费开源，能够覆盖农作物全生育期，为干旱区绿洲农作物精细分类提供了理想的数据支撑。
（二）研究意义
- 实践意义：为金塔县农业部门提供精准的农作物空间分布数据，助力制定科学的灌溉计划、施肥方案及病虫害防控策略；同时为区域水资源管理（如黑河下游绿洲用水分配）提供数据依据，缓解干旱区农业用水与生态用水的矛盾。
- 方法意义：探索基于 Landsat-8 时序数据融合物候特征的农作物分类方法，可为河西走廊乃至西北干旱区类似绿洲的农作物遥感分类提供可复制、可推广的技术范式。
二、研究区概况与数据准备
（一）研究区概况
金塔县（北纬 39°47′-40°59′，东经 97°58′-99°22′）位于甘肃省酒泉市东北部，地处黑河中游下段，属温带大陆性干旱气候，年均降水量仅 40-60mm，蒸发量高达 2500-3000mm，农业生产完全依赖祁连山冰雪融水形成的灌溉系统。
研究区主要土地利用类型为耕地、草地、盐碱地、水域及建设用地，其中耕地集中分布在绿洲内部，农作物种植结构相对稳定，小麦（春小麦为主，生育期 3-7 月）、玉米（制种玉米为主，生育期 4-9 月）、棉花（生育期 4-10 月）、甜菜（生育期 4-9 月） 为四大优势作物，占总耕地面积的 80% 以上，且各作物物候期差异显著，为基于时序遥感数据的分类提供了关键依据。
（二）数据准备与预处理
1. 遥感数据
本研究选用 2016 年（农作物完整生育期）Landsat-8 OLI 数据，共计 12 景，成像时间覆盖 3 月（作物播种前期）至 10 月（作物收获期），数据来源于美国地质调查局（USGS）官网（https://earthexplorer.usgs.gov/）。选择云量低于 10% 的影像，确保数据质量满足分类需求，具体数据信息如下表所示：
| 数据类型 | 传感器 | 空间分辨率 | 成像时间（2016 年） | 主要用途 |
|---|---|---|---|---|
| Landsat-8 OLI | OLI | 30m（波段 1-7、9）；15m（波段 8，全色） | 3 月 2 日、4 月 19 日、5 月 5 日、6 月 20 日、7 月 6 日、7 月 22 日、8 月 7 日、8 月 23 日、9 月 8 日、9 月 24 日、10 月 10 日、10 月 26 日 | 提取 NDVI 时序曲线、地表纹理特征 |
2. 辅助数据
- 实地采样数据：2016 年 6-9 月（作物生长旺盛期）通过 GPS 实地采集各农作物样点，共获取有效样点 320 个（小麦 80 个、玉米 85 个、棉花 75 个、甜菜 80 个），样点均匀分布于研究区主要耕地，用于分类训练与精度验证。
- 行政区划数据：金塔县矢量边界图（来源于甘肃省地理信息公共服务平台），用于裁剪研究区范围，排除非研究区域干扰。
- 物候资料：金塔县农业技术推广中心提供的 2016 年主要农作物物候历（如小麦播种期、拔节期、灌浆期，棉花现蕾期、开花期等），用于辅助分析 NDVI 时序曲线特征与构建分类规则。
3. 数据预处理
为消除大气、地形等因素对遥感数据的干扰，确保分类精度，对 Landsat-8 数据进行以下预处理：
- 辐射定标：将 OLI 传感器获取的 DN 值（数字量化值）转换为地表反射率，采用 USGS 提供的辐射定标系数完成计算。
- 大气校正：采用 FLAASH（Fast Line-of-Sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes）模型进行大气校正，消除水汽、气溶胶等对反射率的影响，获取真实的地表反射率数据。
- 几何校正与裁剪：以金塔县矢量边界为基准，对所有影像进行几何精校正（校正误差控制在 1 个像元内），并裁剪得到研究区范围影像。
- NDVI 计算：归一化植被指数（NDVI）是反映植被生长状况的核心指标，计算公式为：
NDVI = (NIR - Red) / (NIR + Red)
其中，NIR 为 Landsat-8 OLI 的近红外波段（波段 5，波长 0.845-0.885μm），Red 为红光波段（波段 4，波长 0.636-0.673μm）。基于预