毛良君，單 捷，于 堃，孫 玲，黃曉軍

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，江蘇南京210014)

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GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)在水稻長勢(shì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

毛良君，單 捷，于 堃*，孫 玲，黃曉軍

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，江蘇南京210014)

GF-1國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和高光譜分辨率的優(yōu)點(diǎn)。該研究利用GF-1衛(wèi)星寬視場(chǎng)遙感數(shù)據(jù)，在GPS實(shí)地取樣的基礎(chǔ)上，利用增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)，提取建湖縣2014年多時(shí)相水稻長勢(shì)信息。結(jié)果顯示，GF-1衛(wèi)星寬視場(chǎng)影像可以清晰反映水稻長勢(shì)要素，能夠在遙感估產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

遙感；GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)；水稻長勢(shì)；監(jiān)測(cè)

利用遙感技術(shù)可監(jiān)測(cè)作物的長勢(shì)，包括作物的苗情、生長狀況及其變化等，從中可及時(shí)獲取作物產(chǎn)量信息。農(nóng)作物長勢(shì)的遙感監(jiān)測(cè)已經(jīng)逐漸成為農(nóng)業(yè)遙感中更為重要的內(nèi)容[1]。傳統(tǒng)作物長勢(shì)監(jiān)測(cè)多依賴地面調(diào)查，造成農(nóng)情信息獲取成本高、時(shí)效性差，且調(diào)查結(jié)果常受主觀人為因素影響。近年來，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是遙感信息的覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)獲取周期短、費(fèi)用成本低等特點(diǎn)，為作物長勢(shì)信息的快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)獲取提供了重要的技術(shù)支撐，使傳統(tǒng)作物長勢(shì)監(jiān)測(cè)中所遇到的難題在一定程度上得以解決[2-3]。

早在20世紀(jì)70年代，美國便開始應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行作物長勢(shì)的監(jiān)測(cè)，并形成了應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)全球作物長勢(shì)的業(yè)務(wù)化產(chǎn)品[4-6]。20世紀(jì)80年代起，我國廣泛開展了利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)作物長勢(shì)及估產(chǎn)等方面的研究[7-9]。目前我國在作物長勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)方面已取得了一定的進(jìn)展，建立起多個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的全國性作物長勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10]。

GF-1是我國高分衛(wèi)星的首發(fā)星，也是我國目前民用衛(wèi)星分辨率最高的衛(wèi)星，空間分辨率為16 m，光譜范圍為0.45～0.89 μm，具備每天8軌成像、側(cè)擺35°成像能力，最長成像時(shí)間12 min。作為主業(yè)務(wù)，GF-1衛(wèi)星首先將在國土資源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等方面發(fā)揮作用[11]。筆者以江蘇省建湖縣為研究區(qū)域，采用定性的方法對(duì)2014年水稻生育期GF-1影像的輻射待征、光譜特征等進(jìn)行綜合處理，然后利用經(jīng)過幾何精校正的GF-1影像對(duì)水稻長勢(shì)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)其應(yīng)用效果。

1　研究區(qū)和數(shù)據(jù)源簡(jiǎn)介

建湖縣位于江蘇省東北部、鹽城市中西部(119°33′～120°05′ E，33°16′～33°41′ N)，東臨射陽縣，南與鹽都區(qū)接鄰，西南與寶應(yīng)縣分界，西與寶應(yīng)、淮安、阜寧3市縣毗連，北與阜寧縣分界。

建湖縣是國家商品糧基地縣。種植模式主要是小麥、一季稻輪作。小麥的生長期大致是10月到第二年6月，一季稻的生長期大致是5月底到10月底。水稻當(dāng)家品種是淮稻5號(hào) 。淮稻5號(hào)是集高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)于一體的遲熟中粳稻品種，品種的株高適中，株型較緊湊，葉片挺立，抗倒性較強(qiáng)。

在中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站上跟蹤查詢2014年6～11月建湖縣域的GF-1衛(wèi)星寬視場(chǎng)影像，可以查詢到GF-1衛(wèi)星共35次過境建湖縣。由于2014年華東地區(qū)在水稻生長季節(jié)多陰雨天氣，6月～11月期間除7月21日、8月3日和10月3日影像有少量云影響、10月15日、10月24日、11月13日和11月21日影像無云影響外，其余影像云量太多，不宜使用。由于10月中旬后建湖縣水稻陸續(xù)收割，因此選用7月21日、8月3日和10月24日的影像監(jiān)測(cè)水稻長勢(shì)。

2　數(shù)據(jù)選擇與處理

2.1建立地面觀測(cè)數(shù)據(jù)集為評(píng)價(jià)GF-1衛(wèi)星在水稻長勢(shì)等方面的監(jiān)測(cè)能力，在建湖縣水稻區(qū)建立5個(gè)1 km×1 km的水稻樣方，每個(gè)樣方里均勻布設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)并用GPS精確定位，樣方分布見圖1。從水稻移栽或出苗開始，每15 d到實(shí)地用儀器記錄長勢(shì)信息，水稻地面觀測(cè)時(shí)間及天氣情況見表1。

2.2衛(wèi)星影像處理水稻長勢(shì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品由自主研發(fā)的高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)定期作物長勢(shì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算生成，該系統(tǒng)是由IDL8.2(Interactive Data Language)編譯，并已經(jīng)完成打包，因此脫離IDL許可文件也可以運(yùn)行，經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)可在任意一臺(tái)裝有Windows操作系統(tǒng)的電腦上流暢運(yùn)行。

2.2.1輻射校正。利用GF-1提供的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)文件，在IDL8.2語言環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)GF-1數(shù)據(jù)的氣溶膠吸收和瑞利散射校正，并將所有GF-1數(shù)據(jù)歸一化為地面反射率。

2.2.2幾何校正。利用IDL8.2語言環(huán)境下編寫的軟件包實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀取GF-1數(shù)據(jù)中的頭文件，并將GF-1數(shù)據(jù)校正為等經(jīng)緯度切圓柱投影，坐標(biāo)系為WGS-84，幾何校正的誤差小于0.5個(gè)像元。

圖1　建湖縣水稻樣方分布Fig.1　Rice sample distribution in Jianhu County

序號(hào)Code日期Date天氣情況Weathersituation107-14晴207-29晴308-18陰409-04晴509-18陰609-29陰710-14晴810-26晴

2.2.3圖像裁剪。以建湖縣行政邊界為基礎(chǔ)，結(jié)合該區(qū)域水稻不同生育期的本底數(shù)據(jù)去除建湖縣內(nèi)的水體、河流、居民點(diǎn)及主要道路，生成用于批量裁切的研究區(qū)矢量文件并完成研究區(qū)GF-1影像的裁剪。

以上數(shù)據(jù)處理過程均通過批處理模式完成，大大提高了計(jì)算效率，生成單景GF-1數(shù)據(jù)地面反射率產(chǎn)品僅需5 min，使海量GF-1遙感數(shù)據(jù)用于縣級(jí)尺度作物長勢(shì)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能。不同日期建湖縣GF-1寬視場(chǎng)中影像裁剪結(jié)果見圖2。

3　水稻長勢(shì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

3.1監(jiān)測(cè)方法通過植被指數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻長勢(shì)的監(jiān)測(cè)。植被指數(shù)是指由多光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)線性或非線性組合構(gòu)成的各種數(shù)值，其對(duì)植物的葉綠素含量、健康程度以及植物含水量等特性非常敏感，因此，是評(píng)價(jià)植被覆蓋、生長活力及生物量的簡(jiǎn)單有效的度量參數(shù)[12]。該研究利用增強(qiáng)型植被指數(shù)EVI來監(jiān)測(cè)水稻長勢(shì)：

圖2　建湖縣GF-1寬視場(chǎng)影像裁剪結(jié)果Fig.2　Clipping results of wide-field image of GF-1 satellite in Jianhu County

(1)

(2)

結(jié)合地面實(shí)地觀測(cè)結(jié)果對(duì)計(jì)算獲得的EVI指數(shù)進(jìn)行密度分割，生成GF-1衛(wèi)星影像接收當(dāng)日水稻長勢(shì)色度圖(圖3)。EVI指數(shù)數(shù)值越大，表明水稻長勢(shì)相對(duì)較好，越小則表明水稻長勢(shì)相對(duì)較差。

圖3　建湖縣水稻不同生育期長勢(shì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品Fig.3　Monitoring products of rice growth vigor in different growth periods in Jianhu County

3.2水稻長勢(shì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)分別采用7月14日、7月29日和10月26日的實(shí)測(cè)信息來檢驗(yàn)7月21日、8月3日和10月24日的水稻長勢(shì)結(jié)果，見圖4～6。

從圖4可以看出，整個(gè)建湖縣的水稻長勢(shì)差別比較大，7月14日的實(shí)測(cè)信息也證明了這一點(diǎn)。3號(hào)和4號(hào)樣方所處位置靠近育種區(qū)，水稻移栽時(shí)間早于其他3個(gè)樣方，所以長勢(shì)相對(duì)較好。1號(hào)、2號(hào)和5號(hào)樣方水稻苗偏小，長勢(shì)不齊，相對(duì)偏弱。

圖5中建湖縣的水稻長勢(shì)相對(duì)差別不大，7月29日的實(shí)測(cè)信息也證明了這一點(diǎn)。此時(shí)水稻分蘗旺盛，已經(jīng)接近孕穗期，種植模式造成的差異逐漸縮小。3號(hào)和4號(hào)樣方水稻長勢(shì)仍然好于其他3個(gè)樣方，但差別不大。圖6中，10月24日建湖縣的水稻已經(jīng)接近成熟期，育種區(qū)水稻已經(jīng)收獲(圖中藍(lán)色圖斑)，未收獲的水稻長勢(shì)相對(duì)差別不大。

上述3期實(shí)測(cè)信息評(píng)價(jià)的結(jié)果表明：利用GF-1影像生成的水稻長勢(shì)監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠準(zhǔn)確、客觀地實(shí)時(shí)反映水稻長勢(shì)差異。

4　結(jié)語

利用針對(duì)GF-1數(shù)據(jù)研發(fā)的水稻長勢(shì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)縣級(jí)尺度水稻長勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)中小區(qū)域尺度農(nóng)情信息的快速獲取，既拓展了GF-1數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，又可為縣級(jí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理部門提供及時(shí)準(zhǔn)確的農(nóng)情遙感監(jiān)測(cè)信息。

圖4　7月14日建湖縣樣方實(shí)地監(jiān)測(cè)水稻長勢(shì)Fig.4　Rice growth vigor of sample field monitoring in Jianhu County on July 14

圖5　建湖縣7月29日樣方實(shí)地監(jiān)測(cè)水稻長勢(shì) Fig.5　Rice growth vigor of sample field monitoring in Jianhu County on July 29

圖6　10月26日建湖縣樣方實(shí)地監(jiān)測(cè)水稻長勢(shì)Fig.6　Rice growth vigor of sample field monitoring in Jianhu County on October 26

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Application of GF-1 Satellite Data in Rice Growth Monitoring

MAO Liang-jun, SHAN Jie, YU Kun*et al

(Institute of Agricultural Economy and Information, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing, Jiangsu 210014)

GF-1 domestic high resolution satellite remote sensing data had the advantages of high spatial resolution, high time resolution and high spectral resolution. The GF-1 satellite remote sensing data of wide field were used. Based on the GPS field sampling, Enhanced Vegetation Index (EVI) was used to extract the multi-temporal rice growth information in Jianhu County in 2014. results showed that wide-field image of GF-1 satellite could clearly reflect the elements of rice growth vigor, and could be applied in the extension of yield estimation with remote sensing.

Remote sensing; GF-1 satellite data; Rice growth vigor; Monitoring

國家科技重大專項(xiàng)課題(09-Y30B03-9001-13/15-006)。

毛良君(1988- )，男，甘肅蘭州人，研究實(shí)習(xí)員，從事農(nóng)業(yè)遙感研究。*通訊作者，副研究員，博士，從事農(nóng)業(yè)災(zāi)害及環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)工作。

2016-05-25

S 5-39

A

0517-6611(2016)18-256-04