文 | 劉佳 季富華 王利民 楊福剛

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

一、前言

農(nóng)作物種植面積是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為基礎的數(shù)據(jù)，既是政府制定決策的依據(jù)，也是農(nóng)作物生長監(jiān)測、產(chǎn)量估計和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境評價的關鍵支撐數(shù)據(jù)。作為傳統(tǒng)地面調查統(tǒng)計渠道的重要補充，衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術在調查統(tǒng)計系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。作為我國第一顆具有海岸藍、黃、紅邊譜段的衛(wèi)星，高分六號（GF-6）衛(wèi)星的發(fā)射成功，標志著我國國產(chǎn)光學衛(wèi)星發(fā)展的新高度，在農(nóng)業(yè)遙感應用中具有重大意義。從當前的農(nóng)作物種植面積遙感應用范圍來看，GF-6 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在區(qū)域尺度大宗農(nóng)作物種植面積，以及局部區(qū)域小尺度經(jīng)濟作物種植面積提取兩個方面都得到了廣泛應用。

二、高分六號衛(wèi)星主要特征

GF-6 衛(wèi)星于2018年6月2日成功發(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 譜段設置為藍、綠、紅和近紅外四個譜段，譜段范圍分別為0.45～ 0.52μm、0.52 ～0.59μm、0.63 ～ 0.69μm 和0.77 ～ 0.89μm，WFV 則是在PMS 譜段基礎上增加了0.69 ～ 0.73μm （紅邊 1）、0.73 ～ 0.77μm（ 紅 邊 2 ）、0.40 ～ 0.45μm 和0.59 ～ 0.63μm4個譜段。2m、8m、16m 空間分辨率圖像產(chǎn)品幅寬分別為優(yōu)于95km、優(yōu)于95km 和優(yōu)于860km，其中WFV 相機在實際提供時是3 小景方式，3 小景的大小分別約為 238km×285km、385km×285km 和238km×285km 左右。

三、高分六號衛(wèi)星農(nóng)作物種植面積監(jiān)測應用

1. 監(jiān)測需求

從尺度上來看，農(nóng)作物種植面積遙感監(jiān)測可以劃分為區(qū)域尺度和局部小尺度兩個面積，區(qū)域尺度一般是指省級以上尺度，主要用來對全局上總體把握，一般采用WFV 數(shù)據(jù)完成；局部區(qū)域小尺度是指省級以下的縣域尺度，一般采用PAN 和PMS 兩種數(shù)據(jù)完成。在實際應用中，無論省級尺度還是縣級尺度，都可以采用PAN 和PMS 數(shù)據(jù)完成，由于數(shù)據(jù)處理量較WFV 數(shù)據(jù)更大，在限定監(jiān)測時間的情況下，為了在更短時間內完成識別任務，一般將WFV 數(shù)據(jù)用于省級尺度上監(jiān)測應用，而PAN 和PMS 數(shù)據(jù)用于縣級尺度上的監(jiān)測應用。另一方面，如果縣級尺度上缺乏PMS 的數(shù)據(jù)，通常也會采用WFV 數(shù)據(jù)進行替代，當然這只是數(shù)據(jù)缺乏情況下的一種措施。

在尺度確定的條件下，農(nóng)作物種植面積遙感監(jiān)測的需求可以用效率和精度來衡量。效率是指在規(guī)定的時間以前獲取農(nóng)作物種植面積，以滿足指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)貿(mào)易的需要，精度是指獲取的農(nóng)作物種植面積要滿足一定的精度要求。以冬小麥為例，從當年10月中旬播種到來年6月初收獲期間，最早需要在12月份就開展早期識別，以滿足糧食估產(chǎn)的需要，也是監(jiān)測效率需求，即在規(guī)定的時間內完成種植面積的提取，但由于此時冬小麥處于生長早期，與其他在田作物或者裸地等會有較大混淆，精度會有所下降；早期識別的精度并不能滿足生產(chǎn)的需求，一般需要增加時間序列數(shù)據(jù)剔除其他混淆地物，這就是農(nóng)作物種植面積的精度要求。也就是說，可以通過增加影像頻次的方式提高監(jiān)測精度。

2. 監(jiān)測覆蓋頻率的優(yōu)勢

圖1 2019年各省級單元月平均覆蓋頻次

直接采用中國資源衛(wèi)星應用中心網(wǎng)站（http://www.cresda.com/CN/）上提供的2019年全國范圍內每景GF-6 WFV 影像矢量框數(shù)據(jù)，結合國家氣象科學數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（http://data.cma.cn/）上提供的中國地面氣候示意圖（1981-2010年）平均總云量數(shù)據(jù)，初步統(tǒng)計全國陸地范圍內2019年WFV 數(shù)據(jù)晴空獲取率，圖1 是WFV 數(shù)據(jù)每月平均能夠獲取的覆蓋頻次，圖2 是根據(jù)氣象觀測晴空率計算的每月能夠獲取的晴空覆蓋頻次。由圖可見，WFV 數(shù)據(jù)每月能夠覆蓋包括臺灣省在內的全國各?。▍^(qū)、市）影像平均為7.3 次，最大覆蓋次數(shù)是新疆維吾爾自治區(qū)，月平均覆蓋頻次高達9.2 次/月，最小覆蓋次數(shù)是貴州省的4.0 次/月；晴空影像獲取次數(shù)平均是3.87 次/月，最大覆蓋次數(shù)的是內蒙古自治區(qū)的5.37 次/月，最小覆蓋次數(shù)是貴州省的1.06 次。依據(jù)氣象數(shù)據(jù)的初步估算，全國所有?。▍^(qū)、市）2019年平均都能夠獲取到每月1 次的晴空覆蓋，極大滿足農(nóng)作物種植面積時間與精度的要求。上述數(shù)據(jù)是采用氣象數(shù)據(jù)的初步估計，更為精確的數(shù)據(jù)需要采用WFV 數(shù)據(jù)云檢測結果進行計算，將在后續(xù)研究中完善。

圖2 基于氣象數(shù)據(jù)輔助計算的GF-6 WFV 數(shù)據(jù)晴空影像月平均覆蓋頻次

3. 區(qū)域尺度應用示例

省級以上尺度農(nóng)作物種植面積遙感監(jiān)測，是農(nóng)業(yè)資源遙感的重要內容，也是各級政府制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策的依據(jù)。在以往的監(jiān)測應用中，主要問題是數(shù)據(jù)源多樣、空間分辨率較低，帶來的主要問題是處理技術的多樣化，結果精度的差異性，這都在一定程度上影響了監(jiān)測效率與精度。根據(jù)上述的分析可以知道，GF-6 WFV 相機針對我國大部分陸地國土，都能夠以較高的頻率獲取晴空數(shù)據(jù)，在農(nóng)作物面積特別是大宗農(nóng)作物面積的提取方面具有很大的優(yōu)勢。并且由于能夠獲取各關鍵生長時期影像數(shù)據(jù)，監(jiān)測精度也達到了同類空間分辨率數(shù)據(jù)的最高精度。圖3 和圖4 分別為遼寧省GF-6 WFV 影像2019年的晴空影像覆蓋合成圖和河北省GF-6 WFV影像2019年5月的晴空影像覆蓋合成圖，以及根據(jù)時間序列影像結合隨機森林方法、特征指數(shù)增強方法提取的春玉米和冬小麥的提取結果。

圖3 遼寧省2019年GF-6 WFV 影像覆蓋及春玉米提取結果分布圖

圖4 河北省2019年GF-6 WFV 影像覆蓋及冬小麥提取結果分布圖

4. 小尺度應用示例

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，特別是在種植結構調整、改善農(nóng)業(yè)農(nóng)村人居環(huán)境、農(nóng)民增收等大的背景下，各級政府都需要精準掌握農(nóng)作物種植類型、面積，以及空間分布情況，這就給遙感數(shù)據(jù)能力提出了新的要求。由于我國農(nóng)業(yè)主要仍是以農(nóng)戶為主的生產(chǎn)特點，農(nóng)作物類型破碎度較高。對縣級以下尺度而言，中低空間分辨率獲取的結果已經(jīng)不能滿足需要，需要采用更高空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行信息獲取。就實際應用經(jīng)驗來看，GF-6 PAN 和GF-6 PMS 數(shù)據(jù)能夠有效獲取北方地區(qū)大部分農(nóng)田地塊尺度的種植信息。從經(jīng)濟角度來看，國外類似空間分辨率的數(shù)據(jù)都采取收費的方式，并且比較昂貴。因此GF-6 PAN、GF-6 PMS 數(shù)據(jù)填補了農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測在該方向的需求空白，具有極大的意義。圖5 和圖6 分別給出了基于GF-6 PMS 數(shù)據(jù)，采用非監(jiān)督分類結合目視修正方法獲取的山東省高密市2019年冬小麥種植面積、山東省金鄉(xiāng)縣 2019年大蒜種植面積空間分布狀況。

圖5 山東省高密市2019年GF-6 PMS 影像覆蓋及冬小麥提取結果分布圖

圖6 山東省金鄉(xiāng)縣2019年GF-6 PMS 影像覆蓋及大蒜提取結果分布圖

四、農(nóng)作物種植面積遙感應用發(fā)展趨勢

由以上論述可以看出，GF-6 衛(wèi)星數(shù)據(jù)以其較高重訪周期的中空間分辨率數(shù)據(jù)的晴空獲取能力，在區(qū)域尺度大宗農(nóng)作物遙感監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用；以其經(jīng)濟的高空間分辨率數(shù)據(jù)提供方式，促進了小尺度經(jīng)濟作物遙感監(jiān)測能力的提升。

隨著我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)作物種植面積遙感監(jiān)測宏觀上向著國家、洲際、全球尺度發(fā)展，微觀上向著地塊尺度發(fā)展，已經(jīng)打破了以往宏觀、微觀獨立發(fā)展的態(tài)勢，微觀作為宏觀組成部分，也就是由地塊級數(shù)據(jù)疊加而成宏觀數(shù)據(jù)的趨勢越來越明顯。

宏觀微觀數(shù)據(jù)一體化的趨勢，對國產(chǎn)高分數(shù)據(jù)提出的需求是中高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，特別是高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)重訪覆蓋頻率要增加，使農(nóng)作物生長周期內各關鍵生育期都能獲得晴空數(shù)據(jù)。