基于总体抽样设计的子总体作物面积遥感测量

2017-03-02胡永森吴良才施开分王长耀

地理空间信息 2017年2期

胡永森，王力，吴良才，施开分，周巍，王长耀

（1.东华理工大学测绘工程学院，江苏南昌 330013；2.中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室，北京 100101；3.国家统计局农村社会经济调查司，北京 100826；4.流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏南昌 330013）

胡永森1,2,4，王力2，吴良才1，施开分3，周巍3，王长耀2

讨论了在普遍适用的遥感与PPS抽样相结合的农作物种植面积估算方法中，基于总体抽样设计下的子总体参数的估计。该方法省去了针对子总体所需要的新的抽样体系设计及外业调查等繁重工作，分析了子总体估计量的性质。以北疆主要棉花产区沙湾县、玛纳斯县、呼图壁县为总研究区进行抽样体系设计，以沙湾县为子总体，以棉花种植面积为研究对象进行了试验。结果显示，该方法在基于总体抽样设计的条件下不仅能够有效提取农作物种植面积，而且简便易操作，反推精度达到92.5%，变异系数为0.025 27。

子总体；空间抽样；参数估计；农作物面积

随着人们对数据现势性的要求越来越高，传统的统计方式已经难以满足人们的需求[1-4]。基于遥感结合统计抽样原理和空间统计学理论形成的空间抽样技术在农情遥感监测中的应用越来越广泛[5-9]，如美国大面积农作物估产计划（LACIE计划）、农业和资源的空间遥感调查计划（AGRISTTARS计划）、欧盟的MARS计划等均采用了遥感与空间抽样技术相结合的方法[10-11]。1997年，吴炳方等利用高分辨率的遥感数据成功估算出了水稻的种值面积，并且构建了“中国农情遥感速报系统”，提出了以样条（线状）采样框架为核心、适用于中国特点的基于二级抽样的农作物种植面积监测技术[12-13]。然而这些抽样体系的设计只探讨了简单估计量中总体总量的估计，缺乏对基于总体抽样设计的子总体参数估计的充分探讨。本文在普遍适用的遥感与PPS抽样相结合的农作物种植面积估算方法中探讨了基于总体抽样设计下的子总体参数的估计方法。

1 研究区及数据源

本文以北疆棉花主产区沙湾县、玛纳斯县、呼图壁县为总研究区（总体），以棉花种植面积为研究对象，在基于总体抽样设计体系及样本外业调查情况下，以沙湾县为子总体，利用总体已有资料进行子总体棉花种植面积的估算。

总体抽样设计中，根据北疆主要农作物物候历，利用不同农作物类型在物候历上（表1）的差异，根据遥感影像在时间上的可获取性，选择总研究区农作物易识别关键期的多时相环境与灾害监测预报小卫星星座和Landsat OLI/TIRS（OLI陆地成像仪）中分辨率遥感影像，构建时序NDVI数据进行农作物分类[14]，分类后研究区子总体的中分影像农作物分类图如图1所示（其中121为棉花）。选择2.5 km×2.5 km的格网作为一级抽样框，分类后的中分影像数据作为抽样框中的辅助数据为PPS抽样服务，以抽样框中的耕地面积作为辅助调查的设计变量。野外调查样本如图2所示，被抽中的一级抽样框用高分影像覆盖，并在样本内随机抽取3个250 m×250 m的二级小样方进行野外调查，对覆盖样本的高分影像进行监督分类，得到一级格网样本内相应的作物数据[15-17]，其中高分影像采用高分一号2 m分辨率的全色影像和8 m分辨率的多光谱影像融合得到。

表1 北疆主要农作物物候历

图1 沙湾县中分影像农作物分类图

图2 样地实地调查分布图示例

2 研究方法

则子总体的样本单元观测值xi与总体的样本单元观测值yi有同样关系：

假设第i个单元的样本规模为mi，则记则有：

根据总体参数Y的PPS估计量得子总体参数X的估计量分别为：由PPS估计量得无偏性可知：，因此为无偏估计量，其方差为：

3 反推结果及精度评价

遥感结合PPS抽样方法构造的空间抽样体系充分利用了PPS抽样在前期抽样和后期总体参数反推过程中基于辅助变量进行抽样和反推的方法，该方法在现行的区域作物种植面积估算方法中具有一定的优势和很好的普适性。但是，在对总体中的子总体进行研究时常常需要建立新的子总体抽样体系和样本调查等繁重的外业工作。因此，本文探讨了是否可以基于遥感和PPS抽样相结合的空间抽样体系，利用对总研究区估算参数（即总研究区作物种植面积）时的样本数据中来自子总体的样本数据对子总体参数（即子研究区内作物种植面积）进行估计的可行性，并给出了相应公式，分析了子总体估计量的性质。

根据文中方法进行估计，提取子总体沙湾县棉花种植总面积为211.301万亩，CV（coefficient of variation，CV）为0.025 27。从沙湾县影像中提取的棉花种植面积包括沙湾县和位于沙湾县新疆建设兵团部分团场的棉花种植面积总和。因此，根据2014年新疆维吾尔自治区统计局和新疆建设兵团统计局公布的数据可得到沙湾县实际棉花种植总面积为228.433万亩。对比本文方法，子总体棉花种植总面积估算精度达到92.5%，说明该方法继承了总体空间抽样体系的优势，故子总体反推结果较优，并且省去了针对子总体重新进行抽样体系设计及外业调查等繁重工作。在文中所提方法下的沙湾县棉花种植总面积估计量的变异系数为0.025 27，符合统计学中样本变异程度小于0.05的要求，说明本方法对总体中已有的来自子总体的样本进行了很好的整合，样本变异程度很小，为后期较优的反推精度打下基础。

4 结论

针对普遍适用的遥感和PPS抽样相结合的农作物种植面积估算方法，提出了基于总体抽样设计下的子总体参数的估计，省去了针对子总体调查所需要的重新设计抽样体系和野外样本调查等繁琐的工作。实验证明，子总体的总量估计量估算精度较高，达到了92.5%，其中CV为0.025 27，远低于要求的0.05，说明子总体中已有的样本在本方法下的变异程度较低，样本代表性高。但是，当子总体中来自总体的样本较少或者必须增加子总体的样本时，该方法还是否适用需要进一步探讨。

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P237

1672-4623（2017）02-0063-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.020

2015-10-14。