高分1號(hào)衛(wèi)星影像在福州市植被生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

彭繼達(dá)

(福建省氣象科學(xué)研究所，福建 福州 350001)

高分衛(wèi)星一般指高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，主要特點(diǎn)是高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和高光譜分辨率，在精細(xì)化遙感應(yīng)用中占有重要地位。我國(guó)在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中就已將高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)工程確立為重大專(zhuān)項(xiàng)之一。目前，我國(guó)高分系列衛(wèi)星(簡(jiǎn)稱GF)已發(fā)射了GF1、GF2、GF3、GF4、GF5和GF6，其中：GF3是C波段合成孔徑雷達(dá)成像衛(wèi)星，主要用于對(duì)海洋目標(biāo)的觀測(cè)；GF1、GF2、GF5和GF6為太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星；GF4為靜止軌道衛(wèi)星[1-2]。

目前，高分衛(wèi)星影像已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植區(qū)、森林環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源利用等方面。例如：基于高分衛(wèi)星影像特征監(jiān)測(cè)水稻、小麥等農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)情況，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)森林植被信息進(jìn)行提取，對(duì)露天礦地進(jìn)行監(jiān)測(cè)等[3-7]。但在本研究檢索范圍內(nèi)，關(guān)于高分衛(wèi)星在福建省的應(yīng)用研究報(bào)道甚少。在近幾年中國(guó)氣象局發(fā)布的全國(guó)植被生態(tài)指數(shù)監(jiān)測(cè)公報(bào)中，福建省植被生態(tài)狀況排名一直處于全國(guó)前列，但福建省生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)方法主要基于風(fēng)云系列、MODIS等中、低分辨率衛(wèi)星，其最高空間分辨率為250 m[8]，對(duì)于小面積地物及地物的精細(xì)變化很難精確辨識(shí)，這在一定程度上限制了生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)向更精細(xì)化方向的發(fā)展。目前，高分辨率氣象衛(wèi)星在福建省植被生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)中少有應(yīng)用，所以，有必要在福建省區(qū)域內(nèi)開(kāi)展GF衛(wèi)星生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)研究。本研究以福建省省會(huì)福州地區(qū)的GF1衛(wèi)星影像為例，研究GF1衛(wèi)星的預(yù)處理方法及其在植被生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。

1 GF1衛(wèi)星影像預(yù)處理

1.1 GF1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)獲取及影像特征

本研究所需GF1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)由中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供。據(jù)了解，根據(jù)使用單位級(jí)別不同，中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心可提供不同程度的GF系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。目前，比較常用的GF衛(wèi)星影像儀器包括GF1-WFV、GF1-PMS、GF2-PMS、GF4-PMI。本研究以GF1-WFV1衛(wèi)星影像儀器為例，介紹GF1衛(wèi)星影像的預(yù)處理過(guò)程。GF1-WFV1衛(wèi)星數(shù)據(jù)一般包含4個(gè)文件，分別為“文件名-WFV1.rpb”[16 m多光譜相機(jī)RPC(遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用)參數(shù)]、“文件名-WFV1.tiff”(16 m多光譜相機(jī)影像數(shù)據(jù))、“文件名-WFV1.xml”(16 m多光譜相機(jī)輔助文件)、“文件名-WFV1_thumb.jpg”(16 m多光譜相機(jī)拇指圖)。GF1衛(wèi)星有效載荷技術(shù)指標(biāo)如表1所示。軌道參數(shù)如下：軌道類(lèi)型，太陽(yáng)同步回歸軌道；軌道高度，645 km；軌道傾角，98.0506°；降交點(diǎn)地方時(shí)，10:30(24小時(shí)制)；回歸周期，41 d。

表1 GF1衛(wèi)星有效載荷技術(shù)指標(biāo)

GF1衛(wèi)星影像處理軟件有很多，其中商業(yè)軟件有ENVI、ERDAS、PCI、ArcGIS等，免費(fèi)軟件有PIE、RSD等。本研究選用中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心指定的GF衛(wèi)星處理軟件PIE。

1.2 GF1衛(wèi)星影像輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)是使用衛(wèi)星定標(biāo)參數(shù)將衛(wèi)星接收到的計(jì)數(shù)值(DN值)轉(zhuǎn)化為表觀輻亮度、表觀反射率等物理量的過(guò)程，是遙感信息定量化的前提與基礎(chǔ)。GF1衛(wèi)星采用Empirical Line定標(biāo)方法，利用兩個(gè)已知點(diǎn)的地面反射光譜值，計(jì)算影像上對(duì)應(yīng)像元點(diǎn)的平均DN值，然后利用線性回歸求出增益和偏移值，建立DN值與地面反射光譜值之間的相互關(guān)系。GF1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)定標(biāo)公式為

L=VgainVDN+Vbias。

式中：L為表觀輻亮度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1；Vgain為定標(biāo)斜率，單位為W·m-2·sr-1·μm-1；VDN為衛(wèi)星載荷觀測(cè)值；Vbias為定標(biāo)截距，單位為W·m-2·sr-1·μm-1。利用計(jì)算出的表觀輻亮度根據(jù)以下公式計(jì)算表觀反射率：

式中：ρ是表觀反射率；d是日地距離系數(shù)；VESUN是波段太陽(yáng)輻照度；θ是太陽(yáng)天頂角。

中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心每年聯(lián)合多家單位在中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射校正場(chǎng)(敦煌場(chǎng)，中心經(jīng)緯度為94.32083°E、40.13750°N)開(kāi)展在軌國(guó)產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星絕對(duì)輻射定標(biāo)試驗(yàn)。絕對(duì)輻射定標(biāo)試驗(yàn)將完成多顆在軌衛(wèi)星的多種載荷在高、中、低反射率3個(gè)場(chǎng)地的同步觀測(cè)，從而獲取衛(wèi)星過(guò)境時(shí)場(chǎng)地的地表實(shí)測(cè)反射光譜數(shù)據(jù)、太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)和大氣探空數(shù)據(jù)。

中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)在軌陸地觀測(cè)衛(wèi)星的輻射特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并且每年發(fā)布衛(wèi)星絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。

1.3 GF1衛(wèi)星影像大氣校正和正射校正

大氣校正的目的是消除大氣對(duì)太陽(yáng)和來(lái)自目標(biāo)的輻射產(chǎn)生吸收和散射作用的影響，獲得地物反射率、輻射率、地表溫度等真實(shí)物理模型參數(shù)，其中包括消除大氣中水汽、CO2、O3和O2等對(duì)地物反射率的影響，消除大氣分子和氣溶膠散射的影響。大多數(shù)情況下，大氣校正同時(shí)也是反演地物真實(shí)反射率的過(guò)程。常見(jiàn)的大氣校正方法有輻射傳輸模型法、暗黑像元法、統(tǒng)計(jì)學(xué)模型法等。PIE的大氣校正模塊基于6S大氣輻射傳輸模型法設(shè)計(jì)。6S模型在假定無(wú)云大氣的情況下，考慮了水汽、CO2、O3、CO、N2O和O2的吸收，分子和氣溶膠的散射，以及非均一地面和雙向反射率的問(wèn)題。同時(shí)，計(jì)算散射作用部分采用了高精度的SOS(successive order of scattering)方法。

正射校正是對(duì)影像空間和幾何畸變進(jìn)行校正生成多中心投影平面正射圖像的處理過(guò)程，可以糾正儀器系統(tǒng)產(chǎn)生的幾何畸變，同時(shí)消除地形引起的幾何畸變。GF1衛(wèi)星通過(guò)構(gòu)建RPC模型進(jìn)行正射校正，即利用有理函數(shù)糾正函數(shù)，將地面點(diǎn)大地坐標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)用比值多項(xiàng)式關(guān)聯(lián)起來(lái)。GF1衛(wèi)星自帶的rpb格式文件里有正射校正需要的RPC系數(shù)。

圖1為利用PIE軟件進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和正射校正處理后的福州市2018年2月13日11時(shí)(北京時(shí))GF1-WFV1影像真彩圖，RGB分別對(duì)應(yīng)3、2、1通道波段。

圖1 預(yù)處理后的福州GF1-WFV1真彩圖

2 GF1衛(wèi)星影像反演福州市植被覆蓋度

2.1 GF1衛(wèi)星影像反演植被覆蓋度算法

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，主要利用綠色植物強(qiáng)吸收可見(jiàn)光紅波段(0.6～0.7 μm)和高反射近紅外波段(0.7～1.1 μm)的特點(diǎn)對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)[9-10]。GF1衛(wèi)星影像的3、4通道波段對(duì)應(yīng)可見(jiàn)光紅波段和近紅外波段。

本研究利用NDVI和像元二分模型原理計(jì)算植被覆蓋度。像元二分模型的原理是，假設(shè)影像上一個(gè)像元的反射率可分為純植被部分反射率和非植被部分反射率2部分，則任一像元的反射率值可以表示為由植被覆蓋部分與非植被覆蓋部分的線性加權(quán)之和。根據(jù)像元二分模型原理，將1個(gè)像元的NDVI值表示為由有植被覆蓋部分地表與無(wú)植被覆蓋部分地表組成的形式。因此，計(jì)算植被覆蓋度的公式可表示為

式中，n為NDVI值，nsoil為完全是裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，nveg代表完全由植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。根據(jù)整幅影像上NDVI的灰度分布，以0.5%置信度截取NDVI的上下限閾值分別近似代表nveg和nsoil[11-12]。采用GIS軟件的柵格計(jì)算器，計(jì)算所有影像的植被覆蓋度分布情況。將計(jì)算得到的植被覆蓋度(F)分為5個(gè)等級(jí)：F<10%，低植被覆蓋度；10%≤F<30%，較低植被覆蓋度；30%≤F<50%，中度植被覆蓋度；50%≤F<70%，較高植被覆蓋度；F≥70%，高植被覆蓋度。

2.2 基于植被覆蓋度的福州市植被長(zhǎng)勢(shì)分析

利用2018年2月13日GF1衛(wèi)星影像反演福州地區(qū)植被覆蓋度空間分布(圖2)。福州內(nèi)陸地區(qū)山林面積廣闊，植被長(zhǎng)勢(shì)良好，植被覆蓋度較高，大部分屬于高等級(jí)植被覆蓋度；長(zhǎng)樂(lè)、連江、福清等沿海地區(qū)，以及福州市區(qū)、倉(cāng)山、閩侯高新區(qū)等城市建設(shè)區(qū)，植被覆蓋度相對(duì)較低，主要為較低至中度植被覆蓋度。平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)植被分布較少，大部分處于低植被覆蓋度范圍?？傮w上，福州內(nèi)陸地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)明顯高于沿海地區(qū)，福州市區(qū)、倉(cāng)山、閩侯高新區(qū)及平潭地區(qū)植被覆蓋度較低。

圖2 福州市植被覆蓋度等級(jí)

從不同等級(jí)植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)(表2)可以看出：高植被覆蓋度的面積所占比例較大，占到了福州市總面積的55.40%；較高植被覆蓋度的面積為13.37%；中度和較低植被覆蓋度的面積較接近，占比分別為9.87%、8.26%；低植被覆蓋度地區(qū)面積占比為13.10%?？傮w來(lái)看，福州地區(qū)植被生長(zhǎng)較好，植被生態(tài)環(huán)境較優(yōu)。

表2 不同等級(jí)的植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)

3 小結(jié)

GF1衛(wèi)星影像具有高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，和風(fēng)云系列、MODIS等中、低空間分辨率衛(wèi)星相比，能夠更準(zhǔn)確地進(jìn)行地物分類(lèi)及地物特征監(jiān)測(cè)，比如對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行更精細(xì)的遙感監(jiān)測(cè)和等級(jí)劃分。目前，遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)主要利用風(fēng)云系列和MODIS、向日葵衛(wèi)星數(shù)據(jù)。隨著生態(tài)遙感分析的更精細(xì)化發(fā)展，特別是監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)、洪澇等重大氣象災(zāi)害局地破壞，傳統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)方式難以滿足需求。本研究利用GF1衛(wèi)星遙感影像對(duì)福州地區(qū)植被覆蓋區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測(cè)，為GF衛(wèi)星的應(yīng)用推進(jìn)和精細(xì)化生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)分析提供一定參考。值得注意的是，GF衛(wèi)星影像空間覆蓋范圍較中、低分辨率衛(wèi)星低，比如GF1-VWF1一景圖的幅寬為800 km，所以更適用于局地精細(xì)化生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)及分析。