高分六號衛(wèi)星在農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測中的典型應(yīng)用

文 | 劉佳 王利民 滕飛 姚保民 楊福剛 季富華 李丹丹

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所

一、前言

農(nóng)業(yè)資源包括農(nóng)業(yè)自然資源和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟資源，農(nóng)業(yè)自然資源是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以利用的自然環(huán)境要素，也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測的對象，本文所指的農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測就是指農(nóng)業(yè)自然資源的遙感監(jiān)測。農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測的目標(biāo)是通過遙感技術(shù)查清資源的數(shù)量、分布和質(zhì)量。由于遙感技術(shù)的客觀性、可視性、可溯性的特點，自20世紀(jì)70年代以來，遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)資源調(diào)查中得到了廣泛應(yīng)用，監(jiān)測內(nèi)容不斷豐富、監(jiān)測的精度不斷提高、監(jiān)測尺度也在不斷拓展。

我國歷來重視遙感技術(shù)的發(fā)展及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。自高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項實施以來，高分系列衛(wèi)星不僅給農(nóng)業(yè)領(lǐng)域遙感應(yīng)用提供豐富的數(shù)據(jù)源，為農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的理論認(rèn)知奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用的數(shù)據(jù)安全提供了保證。與以往的高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)相比，高分六號（GF-6）衛(wèi)星被業(yè)內(nèi)人士稱為“農(nóng)業(yè)衛(wèi)星”，究其原因在于其寬覆蓋、高重訪、高分辨率、多譜段特征，對區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測應(yīng)用需求的滿足程度更高，更適合業(yè)務(wù)化應(yīng)用。本文在農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測主要內(nèi)容及其時空尺度需求簡要分析敘述基礎(chǔ)上，結(jié)合GF-6 衛(wèi)星參數(shù)及農(nóng)業(yè)資源遙感應(yīng)用優(yōu)勢分析，以示例的形式對GF-6 衛(wèi)星農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測領(lǐng)域的典型應(yīng)用進(jìn)行概要敘述。

二、農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測主要內(nèi)容及其時空尺度需求

從監(jiān)測對象上看，農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測可以分為農(nóng)業(yè)種植、畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖、設(shè)施農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)工程監(jiān)測等四部分內(nèi)容，并且隨著我國新農(nóng)村建設(shè)的發(fā)展，農(nóng)村宜居環(huán)境監(jiān)測也成為主要監(jiān)測內(nèi)容，合計監(jiān)測對象共計五個方面。農(nóng)業(yè)種植監(jiān)測的內(nèi)容主要包括農(nóng)作物種植面積、長勢、墑情、產(chǎn)量、品質(zhì)、災(zāi)害以及土壤肥力等內(nèi)容的監(jiān)測；畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖主要包括養(yǎng)殖場所分布、數(shù)量和面積等信息，并且結(jié)合其他信息來源也可以對牲畜數(shù)量、漁獲產(chǎn)量等進(jìn)行估計；設(shè)施農(nóng)業(yè)的監(jiān)測內(nèi)容主要包括各類大棚的監(jiān)測，有為發(fā)展蔬菜生產(chǎn)的溫室，有為改善溫度和土壤濕度的大田作物拱棚，有為改善光照條件的選擇性透光棚，也有為作物提前播種的地膜覆蓋土地等；農(nóng)業(yè)工程監(jiān)測主要包括各級政府、企業(yè)、個人投資建設(shè)的農(nóng)業(yè)工程設(shè)施，如農(nóng)田平整、溝渠建設(shè)、田間道路等，更多是對工程進(jìn)度及實施效果的監(jiān)測；農(nóng)村宜居環(huán)境建設(shè)等包括居民點數(shù)量、空間分布，以及居民點內(nèi)宅基地、衛(wèi)生設(shè)施、垃圾點等內(nèi)容的監(jiān)測應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)資源的監(jiān)測對象，除上述框架性的內(nèi)容外，還存在著全口徑、全覆蓋、全生產(chǎn)期，以及空間分辨率的監(jiān)測要求。以農(nóng)作物種植為例，全口徑是指所有作物類型的監(jiān)測應(yīng)用，如冬小麥、春小麥、夏玉米、春玉米、早稻、一季稻、晚稻、大豆、油菜、棉花、馬鈴薯等作物，目前可以按照中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料（中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部編）所統(tǒng)計的30余種農(nóng)作物和經(jīng)濟作物為準(zhǔn)；全覆蓋是指監(jiān)測范圍，即指定的行政單元或者監(jiān)測單元，習(xí)慣上有村、鎮(zhèn)、縣、省、國家、全球等尺度覆蓋；全生產(chǎn)期是指覆蓋監(jiān)測對象的全生命過程，仍以農(nóng)作物為例，指某種農(nóng)作物類型的全生育期范圍內(nèi)，各個關(guān)鍵物候時期的監(jiān)測。對不同的監(jiān)測對象，空間分辨率的要求雖然沒有明確提出，但由于數(shù)據(jù)獲取能力和處理能力的限制，以及監(jiān)測精度的要求，實際上對空間分辨率已經(jīng)有了約束。通常條件下，如全球范圍農(nóng)作物種植面積一般只能以低空間分辨率開展監(jiān)測，國家、省范圍內(nèi)以中空間分辨率開展監(jiān)測，村、鎮(zhèn)、縣尺度以高空間分辨率開展監(jiān)測；而出于高時間分辨率的要求，國家、省級尺度上的長勢監(jiān)測只能以低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)開展監(jiān)測。

三、高分六號衛(wèi)星參數(shù)及農(nóng)業(yè)資源遙感應(yīng)用的優(yōu)勢

GF-6 衛(wèi)星于2018年6月2日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，攜帶一臺高分相機和一臺寬幅相機。前者有2m 空間分辨率的全色（PAN）、8m 空間分辨率的4 譜段多光譜（PMS）圖像產(chǎn)品，后者有16m 空間分辨率的8 譜段多光譜（WFV）圖像產(chǎn)品。譜段范圍PAN 為0.45 ～0.90μm，PMS 譜段設(shè)置為藍(lán)、綠、紅和近紅外四個譜段，WFV 則是在PMS 譜段基礎(chǔ)上增加了紅邊1、紅邊2、海岸藍(lán)和黃四個譜段，按照譜段范圍從小到大新編為 0.40～ 0.45μm（B1 海岸藍(lán)譜段）、0.45 ～ 0.52μm（B2藍(lán)譜段）、0.52 ～0.59μm（B3 綠譜段）、0.59 ～0.63μm（B4 黃譜段）、0.63 ～ 0.69μm（B5 紅譜段）、0.69 ～ 0.73μm（B6 紅邊1 譜段）、0.73 ～0.77μm（B7 紅邊2 譜段）、0.77 ～0.89μm（B8近紅外譜段）。2m、8m、16m 空間分辨率圖像產(chǎn)品幅寬分別優(yōu)于95km、優(yōu)于95km 和優(yōu)于860km。

1. 覆蓋范圍的優(yōu)勢

結(jié)合上述農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測的內(nèi)容和需求分析，GF-6 衛(wèi)星的最大優(yōu)勢是實現(xiàn)了16m 中空間分辨率全國陸地范圍的高頻率重訪觀測。采用中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站（http://www.cresda.com/CN/）上提供的2019年全國范圍內(nèi)每景GF-6 WFV影像覆蓋數(shù)據(jù)，全國范圍內(nèi)各?。ㄊ?、區(qū)）WFV影像每月的平均覆蓋次數(shù)的平均值、最小值、最大值如表1 所示。由表1 可見，從分省情況看，全國WFV 數(shù)據(jù)月平均覆蓋次數(shù)7.3 次，最小和最大覆蓋次數(shù)分別為3.5 和9.6 次。

表1 基于2019年數(shù)據(jù)的GF-6 WFV 影像各月覆蓋頻次統(tǒng)計

結(jié)合國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（http://data.cma.cn/）上提供的1981-2010年（月）平均總云量分布圖，全國陸地云量覆蓋最高的區(qū)域在四川省、重慶市、貴州省和云南省交界，云覆蓋率為80%，云量覆蓋最低的內(nèi)蒙古大部、遼寧部分、吉林部分區(qū)域為30%。以此推算，云量最高、最低區(qū)域，GF-6 WFV數(shù)據(jù)晴空獲取能力分別為0.8次和7.0次，全國平均每月3.87 次。當(dāng)然這個數(shù)據(jù)是采用全國年平均晴空數(shù)據(jù)推算的，具體到每月會有變化，但也能說明GF-6 WFV 數(shù)據(jù)獲取能力了。

這項晴空覆蓋能力雖然距離物候期（10-15 天）的要求還有一定差距，但也較以往數(shù)據(jù)晴空獲取能力有了較大提高，在依據(jù)時間序列獲取農(nóng)作物種植面積，以及高分辨長勢監(jiān)測中都具有極大的優(yōu)勢。

2. 紅邊等新增譜段的優(yōu)勢

GF-6 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在農(nóng)作物遙感識別中另一個顯著的作用是多譜段的優(yōu)勢。選擇山東省棲霞市局部區(qū)域，以包括玉米、花生、紅薯等在田農(nóng)作物與果樹、裸地、水體、云等地物類型為區(qū)分對象，對WFV 的8 譜段數(shù)據(jù)相較于GF-1 WFV 的4 譜段數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究（表2）。由表2 可見，與原始的4 譜段數(shù)據(jù)相比，單獨增加一個紅邊2 精度能提升3.3%以上。其他無論哪種原始4 譜段+包括紅邊2 譜段在內(nèi)的組合，精度提升都在3.2%～3.5%之間；而其他沒有紅邊2 的組合，精度提升范圍在0.0 ～0.8%之間，都沒有大于1.0%。可見新增譜段對農(nóng)作物遙感監(jiān)測精度能夠具有較大程度的提升。由此可以說明，新增各譜段對農(nóng)作物識別精度都有一定的提升能力，尤以紅邊2 的提升作用最為明顯。

3. 空間分辨率的優(yōu)勢

與其他高分衛(wèi)星2m、8m 數(shù)據(jù)相一致，GF-6衛(wèi)星的兩個高分辨率傳感器數(shù)據(jù)，同樣提高了農(nóng)作物地物類型的識別精度。圖1 是2019年9月22日16m WFV 影像和2019年11月14日2m PAN、8m PMS 影像下山東省金鄉(xiāng)縣三種分辨率對大蒜的識別效果。由圖1 可見，2m 分辨率的數(shù)據(jù)能夠有效識別地塊的邊界；8m 則能夠?qū)Φ貕K內(nèi)的類型進(jìn)行區(qū)分，并且地塊的邊界仍然較為清晰；16m 空間分辨率的數(shù)據(jù)對地塊的識別能力則相對下降。一般情況下，2m、8m 數(shù)據(jù)都是結(jié)合使用，滿足對地塊尺度需求較高的監(jiān)測應(yīng)用。

表2 不同GF-6 WFV 譜段組合的農(nóng)作物種植面積提取精度

圖1 三種GF-6 數(shù)據(jù)對大蒜的識別能力

四、高分六號衛(wèi)星農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測的典型應(yīng)用

由于G F-6 衛(wèi)星在載荷設(shè)計方面，充分考慮了農(nóng)業(yè)行業(yè)應(yīng)用特點，在重訪周期、空間分辨率高低搭配、譜段設(shè)置等方面都給農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測提供了較大應(yīng)用空間。從投入在軌運行以來，在當(dāng)前農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測的所有領(lǐng)域，G F-6 衛(wèi)星都程度不同的得到了廣泛應(yīng)用，特別是在農(nóng)作物種植領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛，以下分別示例說明。如果沒有特別說明，示例中的精度標(biāo)準(zhǔn)一般是指該類數(shù)據(jù)的最高識別能力。

1. 農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域應(yīng)用示例

農(nóng)作物種植面積、農(nóng)作物長勢以及農(nóng)作物產(chǎn)量是農(nóng)作物種植領(lǐng)域監(jiān)測最為核心的內(nèi)容。圖2（a）是利用2020年4月22日GF-6 WFV 影像，基于格網(wǎng)化訓(xùn)練樣本，采用隨機森林分類方法提取的河北省東南部、山東省西北部區(qū)域的冬小麥分布圖；圖2（b）是利用2018年7月31日影像，采用非監(jiān)督分類結(jié)合目視修正方法，提取的河南省鹿邑縣玉米、大豆、花生等大宗作物。采用格網(wǎng)化目視識別的樣本點進(jìn)行的精度驗證結(jié)果表明，圖2 中兩個區(qū)域總體精度分別達(dá)到了94.6%和90.7% 以上。該數(shù)據(jù)目前已經(jīng)在農(nóng)作物種植面積監(jiān)測上廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮了重要作用。

圖2 基于GF-6 WFV 影像的大宗農(nóng)作物識別效果示例

葉面積指數(shù)和葉片氮含量是標(biāo)示農(nóng)作物長勢的兩個重要指標(biāo)。圖3 是根據(jù)2018年9月23日WFV 數(shù)據(jù)，基于地面觀測數(shù)據(jù)，或者其他平行遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果，采用相關(guān)分析方法獲取的河北省廊坊市北部地區(qū)夏玉米葉面積指數(shù)（a）、葉片氮含量（b）反演結(jié)果，根據(jù)地面觀測及平行遙感數(shù)據(jù)的精度驗證結(jié)果表明，結(jié)果反演精度分別都達(dá)到了91.0% 以上。

生物量與作物產(chǎn)量是農(nóng)作物生產(chǎn)能力的評價，生物量的準(zhǔn)確估算有利于對農(nóng)業(yè)環(huán)境問題的評價，產(chǎn)量則是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策制定的最終依據(jù)。圖4 是根據(jù)2018年9月23日WFV 數(shù)據(jù)，基于地面觀測數(shù)據(jù)，或者其他平行遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果，采用相關(guān)分析方法獲取的河北省廊坊市北部地區(qū)夏玉米生物量（a），采用光合有效輻射總量估計產(chǎn)量結(jié)果（b），根據(jù)地面觀測及平行遙感數(shù)據(jù)的精度驗證結(jié)果表明，結(jié)果反演精度分別都達(dá)到了90.0% 以上。

圖3 基于GF-6 WFV 影像的河北省廊坊市北部夏玉米葉面積指數(shù)及葉片氮含量反演結(jié)果

圖4 基于GF-6 WFV 影像河北省廊坊市北部地區(qū)夏玉米生物量反演及產(chǎn)量估測結(jié)果

2. 畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用示例

隨著人民生活水平的提高，畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖狀況在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和食品安全中受到越來越多的重視，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息獲取的重要內(nèi)容。圖5 是基 于GF-6 衛(wèi) 星2018年10月30日 的PAN/PMS 影像、2018年11月23日WFV 數(shù)據(jù)，采用面向?qū)ο蠛湍恳暯庾g相結(jié)合的分類方法，識別并提取了湖南省湘陰縣陸地水產(chǎn)養(yǎng)殖水面的分布狀況，采用與更高分辨率獲取結(jié)果相比較的方法進(jìn)行精度驗證的結(jié)果表明，PAN/PMS 結(jié)果相差1.4%，WFV 結(jié)果相差15.3%，對面積精準(zhǔn)量算和區(qū)域普查估計兩種場景都具有較高的應(yīng)用價值。

圖5 GF-6 影像陸地水產(chǎn)養(yǎng)殖水面分布調(diào)查

3. 設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用示例

設(shè)施農(nóng)業(yè)是“菜籃子”工程的基礎(chǔ)和保證，當(dāng)前已經(jīng)成為城鄉(xiāng)居民生活蔬菜的重要來源。圖6 是基于2018年9月22日 的PAN/PMS，采用目視解譯方法對河北省饒陽縣局部區(qū)域的蔬菜大棚進(jìn)行了識別。由圖可見，夏季作物呈綠色，林地呈墨綠色，裸地呈土黃色，設(shè)施農(nóng)業(yè)呈亮灰色。設(shè)施農(nóng)業(yè)是人造地物，具有規(guī)則的幾何外形和邊界，在影像中其形狀特征與圖形結(jié)構(gòu)清晰可辨。各地物光譜及紋理特征差異明顯，可以很好地進(jìn)行區(qū)分。采用地面實際測量結(jié)果進(jìn)行精度評價，面積吻合度達(dá)到95.3%以上。

圖6 基于GF-6 PAN/PMS 融合數(shù)據(jù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)識別

4. 農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用示例

出于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的需要，各級政府、企業(yè)、個人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的投資越來越普遍，投資的力度也在逐步加強。在我國東北地區(qū)，玉米大豆輪作休耕監(jiān)測就是一個典型實例。圖7 是采用2018年9月9日GF-6 WFV 影像對玉米、大豆不同譜段組合效果的說明，（a）圖為近紅外、紅邊1 和黃譜段進(jìn)行合成的假彩色圖像，（b）圖是采用近紅外、紅、綠譜段合成的假彩色圖像。影像范圍內(nèi)，水稻、玉米和大豆均處于成熟期，（a）圖中暗紅色區(qū)域是玉米種植區(qū)，橙色是大豆種植區(qū)，米白色是水稻種植區(qū)，影像的色彩紋理清晰，差異明顯；相對（b）圖采用傳統(tǒng)近紅外、紅、綠譜段合成的假彩色圖像的色彩更豐富，采用目視方法可以很好地區(qū)分。該數(shù)據(jù)及方案也已在我國東北地區(qū)監(jiān)測中普遍采用。

圖7 吉林敦化地區(qū)GF-6 WFV 不同譜段組合的識別效果

五、高分六號衛(wèi)星農(nóng)業(yè)應(yīng)用的啟示

從農(nóng)業(yè)應(yīng)用的實際效果來看，GF-6 衛(wèi)星在國產(chǎn)衛(wèi)星農(nóng)業(yè)遙感中起到了承上啟下的作用。主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面重訪周期、譜段選擇、空間分辨率等參數(shù)的設(shè)置更符合農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測應(yīng)用要求，極大地推動了農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的國產(chǎn)化應(yīng)用；另一方面，系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)獲取能力，為農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)的研制帶來穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源，也使生產(chǎn)系統(tǒng)的研制具有更高的價值和意義。

從農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用技術(shù)發(fā)展角度看，出于高效使用GF-6 衛(wèi)星的目的，衛(wèi)星研制與應(yīng)用部門緊密配合，強化了衛(wèi)星設(shè)計系統(tǒng)性、高效性等星地一體化理念，進(jìn)一步將星地一體化設(shè)計的理念向應(yīng)用領(lǐng)域延伸，向農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域延伸，這就給農(nóng)業(yè)行業(yè)專業(yè)化的指標(biāo)設(shè)計帶來了契機，也將促進(jìn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用更為注重理論性、機理性的研究，對推動農(nóng)業(yè)遙感理論研究具有積極的意義，也會為其他行業(yè)應(yīng)用起到積極的示范作用。