翟 琇

（內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031）

高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在內(nèi)蒙古草原遙感監(jiān)測研究中的應(yīng)用前景

翟 琇

（內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031）

內(nèi)蒙古天然草地資源豐富，占全國草地面積的22%，目前草原遙感研究采用的數(shù)據(jù)在精度和效率上不能完全滿足內(nèi)蒙古自治區(qū)草原遙感研究與大面積應(yīng)用需求。介紹了高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)長時(shí)效、高時(shí)空分辨率、大幅寬、高效能的特點(diǎn)，分析了其在草地分類，面積監(jiān)測，生產(chǎn)力監(jiān)測，牧草品質(zhì)監(jiān)測，病蟲、鼠害監(jiān)測及草地生態(tài)安全業(yè)務(wù)化監(jiān)測體系研究中的應(yīng)用前景。

高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)；草原遙感監(jiān)測；應(yīng)用前景

1 高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

2006年我國政府將高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)列入《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，作為16個(gè)重大專項(xiàng)之一，高分辨率對地觀測系統(tǒng)由天基觀測系統(tǒng)、臨近空間觀測系統(tǒng)、航空觀測系統(tǒng)、地面系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)等組成，計(jì)劃在“十二五”期間發(fā)射5~6顆觀測衛(wèi)星，目標(biāo)是建成高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率的對地觀測系統(tǒng)，并與其他觀測手段相結(jié)合，到2020年形成具有時(shí)空協(xié)調(diào)、全天時(shí)、全天候、全球范圍觀測能力的穩(wěn)定運(yùn)行系統(tǒng)［1］。高分一號衛(wèi)星（GF-1）是我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的首發(fā)衛(wèi)星，也是我國高分系列衛(wèi)星中首顆考核壽命要求超過5年的民用低軌遙感衛(wèi)星，由中國航天科技集團(tuán)公司所屬空間技術(shù)研究院研制［2］，2013年4月26日由我國“長征二號丁”運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射場成功送入預(yù)定軌道，目前在軌運(yùn)行穩(wěn)定，成像清晰。GF-1采用CAST2000小衛(wèi)星平臺技術(shù)［3］，運(yùn)行在645 km太陽同步軌道上，搭載了2臺2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機(jī)，4臺16 m分辨率多光譜寬幅相機(jī)［4］，地面分辨率可實(shí)現(xiàn)全色優(yōu)于2 m，多光譜優(yōu)于8 m［5］，其中全色譜段波長范圍 0.45~0.90 μm，多光譜圖像無損壓縮［6］，幅寬為60 km（8 m 多光譜）和 800 km（16 m 多光譜）［2］（見表1），在單顆衛(wèi)星上同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和大幅寬成像，屬于國際同類衛(wèi)星觀測幅寬的最高水平［7］，具備全球4 d重訪能力，壽命為5~8年［2］。

GF-1的投入使用標(biāo)志著我國高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)國產(chǎn)化向前邁出了具有決定意義的一步［8］，使我國學(xué)者擁有了自主的高時(shí)空分辨率的遙感數(shù)據(jù)來源，其應(yīng)用的高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結(jié)合的光學(xué)遙感等關(guān)鍵技術(shù)，對于提升我國衛(wèi)星研制水平具有重要意義［1，3］。 2013 年 6 月 6 日，國家航天局公布了GF-1首批影像圖，開啟了為我國資源環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以及國家安全等領(lǐng)域提供服務(wù)的新時(shí)代，并可確保我國掌握對地觀測資源的自主權(quán)，促進(jìn)空間遙感產(chǎn)業(yè)鏈的形成［9］。2014年8月，空間分辨率達(dá)1 m的高分二號衛(wèi)星也成功發(fā)射，高分專項(xiàng)系列衛(wèi)星將全面提升我國遙感監(jiān)測的定量化和精細(xì)化水平［10］。

GF-1數(shù)據(jù)優(yōu)勢特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

①長時(shí)效：GF-1使用壽命為5～8年，并保證5年內(nèi)可靠度不低于60%，達(dá)到國際先進(jìn)水平。衛(wèi)星安裝有變軌發(fā)動(dòng)機(jī)，只在必要時(shí)才降低軌道成像，降低了對衛(wèi)星使用壽命的影響［6］。

②高分辨率、大幅寬：GF-1突破了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結(jié)合的光學(xué)遙感等關(guān)鍵技術(shù)［6］，6臺相機(jī)相互配合，使其具有“高分辨率與大視場相結(jié)合，多載荷圖像拼接融合應(yīng)用”的特點(diǎn)［11］。GF-1最突出的優(yōu)勢之一是實(shí)現(xiàn)了空間分辨率和時(shí)間分辨率的完美結(jié)合，其全色相機(jī)空間分辨率為2 m，使用的是與天文望遠(yuǎn)鏡同等水平的照相系統(tǒng)，能在對特定地物進(jìn)行精準(zhǔn)拍照的同時(shí)，4臺寬幅多光譜相機(jī)通過多角度拼接視場，能對寬達(dá)800 km的范圍成像［6］，可以實(shí)現(xiàn)較高分辨率的大視場成像，這也大大提高了其時(shí)間分辨率［10］。GF-1能實(shí)現(xiàn)高分相機(jī)4 d重訪、41 d重復(fù)觀測及寬幅相機(jī)4 d全球覆蓋［3］。同時(shí)，GF-1增加了高分辨率多光譜成像功能，除了黑白圖像外，還可以下傳具有紅、黃、藍(lán)、綠4個(gè)譜段的彩色圖像，這在目前國內(nèi)運(yùn)行的衛(wèi)星中居于領(lǐng)先水平。

③應(yīng)用領(lǐng)域廣、效能高：GF-1技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)之一就是實(shí)現(xiàn)了多應(yīng)用目標(biāo)，建立了一星多用戶模式，其搭載的多臺相機(jī)既可單獨(dú)對覆蓋區(qū)域監(jiān)測成像，也能根據(jù)需要統(tǒng)一提供對地監(jiān)測服務(wù)，可廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域的遙感監(jiān)測。6臺相機(jī)的有效配合使得我國首次實(shí)現(xiàn)了單星上高分辨率與大幅寬相結(jié)合的技術(shù)，寬視場同時(shí)還可以適應(yīng)多種光譜分辨率與空間分辨率，滿足各種應(yīng)用需求［5］。在數(shù)據(jù)傳輸方面，既能直接傳輸，又能邊照邊傳，還能存儲(chǔ)一部分傳輸一部分［11］。另外，由于國土范圍限制，本國的地面數(shù)據(jù)接收站很難實(shí)時(shí)接收。為解決該問題，GF-1數(shù)據(jù)在難以直接接收時(shí)，會(huì)先將數(shù)據(jù)傳給天鏈衛(wèi)星（中繼衛(wèi)星），由這些衛(wèi)星把數(shù)據(jù)傳回國內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對我國農(nóng)業(yè)、災(zāi)害、環(huán)境、國土資源的24 h全天候監(jiān)測［6］。

相比于其他國內(nèi)光學(xué)遙感衛(wèi)星，GF-1對地觀測效率得到了較大程度的提高，有力提升了我國對地觀測衛(wèi)星的總體實(shí)力［12］，改變了該領(lǐng)域長期以來只能依靠國外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的局面，將為我國的發(fā)展帶來不可估量的積極影響［5］。

表1 GF-1有效載荷技術(shù)指標(biāo)

2 內(nèi)蒙古草原遙感監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題

內(nèi)蒙古天然草地資源豐富，草地面積為7 880×104hm2，占全國草地面積的22%。長期以來，由于人們對草地資源可持續(xù)利用認(rèn)識的不足，宏觀戰(zhàn)略決策的失誤，過度的開發(fā)和破壞等原因，導(dǎo)致草地自然資源的嚴(yán)重浪費(fèi)、畜牧業(yè)生產(chǎn)難以持續(xù)發(fā)展。內(nèi)蒙古草地資源的現(xiàn)狀是：草地退化，土壤沙化；氣候干旱，降水減少；草地植被退化，牧草產(chǎn)量低；草地生態(tài)環(huán)境惡化，鼠蟲害增加。

草原遙感監(jiān)測是利用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合地面調(diào)查結(jié)果實(shí)現(xiàn)對草原植被的監(jiān)測，是保護(hù)、建設(shè)和合理利用草原的重要信息平臺。草原遙感監(jiān)測的原理是建立在草原植被光譜特征基礎(chǔ)之上的，即植被在可見光部分（被葉綠素吸收）有較強(qiáng)的吸收峰，近紅外波段有強(qiáng)烈的反射率，形成峰值，這些敏感波段及其組合可以反射植被生長狀況與空間信息。多年來，以地面調(diào)查為依據(jù)的內(nèi)蒙古草原監(jiān)測結(jié)果，為自治區(qū)依法實(shí)行草畜平衡、禁牧休牧管理制度及實(shí)施草原生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目奠定了理論基礎(chǔ)，為各級政府制定宏觀決策、調(diào)控畜牧業(yè)生產(chǎn)、合理利用草原提供了科學(xué)依據(jù)。與常規(guī)方法相比，草原遙感監(jiān)測的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在宏觀、快速、省時(shí)、省力，可為草原管理與決策提供快速、及時(shí)的信息。

然而，目前的草原遙感研究采用的數(shù)據(jù)來源主要為TM、MODIS、SPOT等國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率較低，收費(fèi)較高，在精度和效率上不能完全滿足復(fù)雜地貌下的草原遙感研究與大面積應(yīng)用需求。內(nèi)蒙古自治區(qū)草原遙感監(jiān)測研究范圍主要以小范圍的實(shí)驗(yàn)為主，沒有實(shí)現(xiàn)全區(qū)范圍的遙感監(jiān)測，尚未建立一套穩(wěn)定、有效的草原遙感業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)。相對于中低分辨率影像，GF-1影像地物的幾何結(jié)構(gòu)更加明顯，空間布局更加清晰，紋理和尺寸等信息更加精細(xì)，三維立體屬性更加豐富［13］，草原生態(tài)參數(shù)及動(dòng)態(tài)變化能夠得到較好的反映，軌道周期短，能滿足絕大部分動(dòng)態(tài)監(jiān)測時(shí)間分辨率需求。

3 高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在內(nèi)蒙古草原遙感監(jiān)測方面的應(yīng)用前景

GF-1影像信息豐富、影像清晰、層次分明，在我國環(huán)境遙感的精細(xì)化和定量化監(jiān)測方面發(fā)揮了積極作用［10］，為我國國土資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)綜合利用、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、空氣環(huán)境監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測、綜合減災(zāi)救災(zāi)等方面提供重要的數(shù)據(jù)支持［14］。

目前，我國學(xué)者在GF-1影像的校正、融合等預(yù)處理方法及解譯方法等方面開展了大量的研究工作［1，8，12，14-15］，為科學(xué)、合理利用國產(chǎn)高分?jǐn)?shù)據(jù)起到了很大的推動(dòng)作用。農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心通過改進(jìn)大氣輻射傳輸模型，形成了針對GF-1數(shù)據(jù)自動(dòng)化的大氣校正模塊，彌補(bǔ)了常用商業(yè)軟件的不足，提高了GF-1數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)自動(dòng)化水平［16］。草地植被參數(shù)具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性和時(shí)間動(dòng)態(tài)性，必將成為 GF-1數(shù)據(jù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域［17］。

3.1 草地類型與面積的動(dòng)態(tài)監(jiān)測 草地調(diào)查研究工作需要采集和處理的數(shù)據(jù)量非常龐大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式往往受到人力、物力和自然條件等多方面的限制。利用實(shí)地取樣和遙感數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方法來獲取草地資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)已成為草地資源研究工作的重要技術(shù)手段。但是，基于中低分辨率遙感數(shù)據(jù)的空間、時(shí)間、輻射和光譜分辨率不能滿足復(fù)雜地貌條件下草地類型與面積、草地生產(chǎn)力、草原生態(tài)退化等監(jiān)測的精度要求［18］。GF-1影像各土地覆蓋類型圖斑具有色彩差異明顯、紋理特征突出及邊界清晰等解譯優(yōu)勢，能夠提高草地監(jiān)測指標(biāo)的估算精度［17］。

王磊等［17］為評價(jià)GF-1數(shù)據(jù)的草地監(jiān)測能力，在分析傳感器波段設(shè)置、輻射分辨率和光譜響應(yīng)系數(shù)等特征的基礎(chǔ)上，提取草地分布信息，結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示GF-1數(shù)據(jù)的光譜響應(yīng)系數(shù)能較好地涵蓋不同草地類型的光譜曲線特征，其空間分辨率的提高能顯著增強(qiáng)草原地物類型的識別能力。孫斌等［7］的研究表明，GF-1數(shù)據(jù)在地表分類的解譯方面優(yōu)于LANDSAT8多光譜數(shù)據(jù)，具有更高的時(shí)空分辨率，細(xì)節(jié)描述更充分，覆蓋范圍更大。這些研究為GF-1數(shù)據(jù)在草原類型及面積遙感監(jiān)測中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.2 草地生產(chǎn)力的監(jiān)測與估算 遙感技術(shù)的發(fā)展以及定量遙感理論研究的不斷深入，提供了草地NPP估算的生態(tài)參數(shù)，避免了野外測量的煩瑣以及對植被的破壞性，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域以及動(dòng)態(tài)NPP估算和監(jiān)測。農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心于2013年首次將GF-1數(shù)據(jù)與地面測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，對內(nèi)蒙古錫林郭勒草原植被產(chǎn)草量進(jìn)行了估算；2014年在青海省開展了省級尺度草地生產(chǎn)力監(jiān)測業(yè)務(wù)，為草原生態(tài)建設(shè)和保護(hù)、完善草原補(bǔ)助管理機(jī)制等提供了重要數(shù)據(jù)［16］。

趙菲菲等［19］建立了適合GF-1數(shù)據(jù)的蒙東小尺度草地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力估算模型；王磊等［17］建立了基于GF-1數(shù)據(jù)的草地植被指數(shù)與LAI、覆蓋度、生物量之間的回歸模型?；谥脖恢笖?shù)的葉綠素、生物量遙感反演也有大量的研究［7,19-22］，為GF-1數(shù)據(jù)大區(qū)域生產(chǎn)力遙感監(jiān)測提供了科學(xué)依據(jù)和方法。將GF-1數(shù)據(jù)應(yīng)用于草原生產(chǎn)力遙感監(jiān)測，可以有效提高監(jiān)測精度，節(jié)約數(shù)據(jù)購置成本，提高年度監(jiān)測頻次。

3.3 牧草品質(zhì)監(jiān)測和草畜平衡估算 結(jié)合草原植被和牧草特征光譜實(shí)地測量，利用GF-1數(shù)據(jù)研究草地主要植物種類、牧草品質(zhì)（蛋白質(zhì)、消化率等）監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測草地物種結(jié)構(gòu)和牧草質(zhì)量。綜合草地生產(chǎn)力和牧草品質(zhì)監(jiān)測結(jié)果、飼草資源與家畜資源，進(jìn)行草畜平衡診斷。

3.4 草地災(zāi)害監(jiān)測 分析典型草原病蟲、鼠害在GF-1遙感數(shù)據(jù)中的光譜特征，研究災(zāi)害程度與高分?jǐn)?shù)據(jù)光譜特征之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合地理、氣象等信息，確定基于GF-1數(shù)據(jù)的草原病蟲、鼠害評價(jià)指標(biāo)，建立草原災(zāi)害遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系，構(gòu)建災(zāi)害損失評價(jià)模型，為災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)?；谶b感技術(shù)的草原災(zāi)害監(jiān)測體系是降低災(zāi)害損失、實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警的重要手段。

3.5 草地生態(tài)安全業(yè)務(wù)化監(jiān)測體系 利用GF-1數(shù)據(jù)資源與軟硬件平臺環(huán)境，建立草原生態(tài)安全遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，通過對遙感和地面信息的采集與處理，開發(fā)基于GF-1數(shù)據(jù)的草地生態(tài)安全監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)并進(jìn)行示范，開展草地生態(tài)安全監(jiān)控、評價(jià)、預(yù)警等工作。這不僅可以有效解決草地資源調(diào)查和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的國產(chǎn)高分?jǐn)?shù)據(jù)源問題，而且通過研發(fā)服務(wù)于草地資源調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)需要的高分?jǐn)?shù)據(jù)草地應(yīng)用模型、軟件和產(chǎn)品，進(jìn)一步優(yōu)化草原監(jiān)測業(yè)務(wù)流程，促進(jìn)草原管理信息化水平的整體提高。

4 小結(jié)

隨著我國高分衛(wèi)星的逐步發(fā)射運(yùn)行，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)政策的引導(dǎo)下，高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)將成為內(nèi)蒙古草原遙感業(yè)務(wù)應(yīng)用的主要數(shù)據(jù)源，草原遙感應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展、延伸和完善。

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［22］黃汝根，劉振華，胡月明，等.基于“高分一號”遙感影像反演華南地區(qū)亞熱帶典型作物冠層SPAD［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（4）：105-111.

Application Prospect of GF-1 Satellite Data in Remote Sensing Monitoring of Grassland in Inner Mongolia

ZHAI Xiu
（Inner Mongolia Academy of Agricultural&Animal Husbandry Sciences，Hohhot 010031，China）

Natural grassland resources are rich in Inner Mongolia,and its area accounts for 22%of total area of grassland in China.The satellite data currently used in remote sensing monitoring of grassland in Inner Mongolia can not meet the accuracy,efficiency and large-area application needs of remote sensing monitoring of the grassland.In this paper,the long aging,high spatial and temporal resolution,large width and high performance characteristics of GF-1 satellite data were introduced,and the application prospect of GF-1 satellite data in grassland classification,monitoring of area,productivity,grass quality,disease,pest and rat disaster,and monitoring system of grassland ecological security operations was analyzed.

GF-1 images；remote sensing monitoring of grassland；application prospect

TP79；S818.9

A文章順序編號1672-5190（2016）11-0027-04

2016－10－10

項(xiàng)目來源：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)“生態(tài)資產(chǎn)、生態(tài)補(bǔ)償及生態(tài)文明科技貢獻(xiàn)核算理論、技術(shù)體系與應(yīng)用示范（2016YFC0503402）”課題“國家與地方生態(tài)補(bǔ)償政策績效評價(jià)（2016YFC0503404）”；內(nèi)蒙古科技廳應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目 “草原資源資產(chǎn)負(fù)債表編制方法的研究與示范”。

翟琇（1963—），男，研究員，碩士，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和政策。

（責(zé)任編輯：趙俊利）