孫中平，劉素紅，姜 俊，白雪琪，陳永輝，朱程浩，郭文婷（1. 遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)地理科學(xué)部，北京 100875；. 環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094；. 北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10008）

中高分辨率遙感協(xié)同反演冬小麥覆蓋度

孫中平1,2，劉素紅1※，姜 俊2，白雪琪3，陳永輝3，朱程浩3，郭文婷3
（1. 遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)地理科學(xué)部，北京 100875；2. 環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094；3. 北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

為了開(kāi)展高精度、高時(shí)空分辨率的植被覆蓋度（fraction vegetation cover，F(xiàn)VC）監(jiān)測(cè)，該文以華北地區(qū)冬小麥地為研究對(duì)象，采用4期高分一號(hào)衛(wèi)星多光譜（GF1-PMS）、多光譜寬幅(GF1-WFV)與環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星多光譜(HJ1-CCD)3種傳感器同期影像數(shù)據(jù)集，基于像元二分法模型，研究多源中高分辨率遙感影像協(xié)同估算FVC方法。以基于高空間分辨率GF1-PMS影像反演的FVC作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)單源直接獲取法、多源全生育期法、多源分期法3種反演模型進(jìn)行了分析比較。研究結(jié)果表明：HJ1-CCD、GF1-WFV數(shù)據(jù)與GF1-PMS數(shù)據(jù)的FVC直接反演結(jié)果具有較高的一致性，但在冬小麥的初期生長(zhǎng)階段，受衛(wèi)星觀(guān)測(cè)角度效應(yīng)的影響，GF1-WFV與HJ1-CCD的FVC結(jié)果偏高，偏差隨冬小麥的成熟封壟而逐漸減弱；多源分期法的時(shí)空反演得到的FVC精度最高，GF1-WFV的決定系數(shù)為0.984，均方根誤差為0.030；HJ1-CCD的決定系數(shù)為0.978，均方根誤差為0.034；而在缺少GF1-PMS匹配數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)多源全生育期法提高GF1-WFV與HJ1-CCD數(shù)據(jù)的反演精度，GF1-WFV的決定系數(shù)為0.964，均方根誤差為0.044；HJ1-CCD的決定系數(shù)為0.950，均方根誤差為0.052。通過(guò)多傳感器的聯(lián)合反演獲取時(shí)間序列的高精度的FVC數(shù)據(jù)，可為研究植被生長(zhǎng)狀況及生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

遙感；作物；監(jiān)測(cè)；多源；覆蓋度；冬小麥；像元二分法；高分一號(hào)

0 引 言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是連結(jié)土壤和大氣的自然紐帶。植被覆蓋度（fraction vegetation cover，F(xiàn)VC）被定義為植被（包括葉、莖、枝）在單位面積內(nèi)的垂直投影面積所占百分比[1]。由于FVC是反映植被生長(zhǎng)狀況的特征參量，從而成為許多生態(tài)、水文和氣象模型的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)[2-3]。因此，區(qū)域及全球范圍的植被覆蓋度估算對(duì)研究大氣、土壤、水文和生態(tài)等具有重要的意義[4]。

衛(wèi)星遙感具備大范圍的數(shù)據(jù)獲取和連續(xù)觀(guān)測(cè)能力，能夠獲取不同尺度上的植被覆蓋及其變化信息，已經(jīng)成為估算植被覆蓋度的主要技術(shù)手段[5-6]。遙感估算植被覆蓋度的方法有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头╗7-8]、植被指數(shù)法[2,9]和混合像元分解模型法[10-12]等。其中，混合像元分解法從地物光譜混合模型的角度出發(fā)估算植被在像元中所占的比例，具有一定的物理意義，且不需要地面實(shí)測(cè)植被覆蓋度，易于推廣，因此具有較大的潛力[13-14]。

目前，現(xiàn)有的FVC產(chǎn)品使用的數(shù)據(jù)源有POLDER[15]、SPOT/VGT[16]、NOAA/AVHRR[17]、MERIS[18]、MSG/ SEVIRI[19]等，空間分辨率為百米級(jí)、千米級(jí)尺度[7]，產(chǎn)品算法和產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)比較完善，但對(duì)于空間分辨率幾十米、米級(jí)等中高分辨率尺度，受限于單傳感器數(shù)據(jù)的空間覆蓋范圍和獲取時(shí)相，至今鮮有全球或區(qū)域產(chǎn)品發(fā)布。高精度、高時(shí)空分辨率的長(zhǎng)間序FVC 數(shù)據(jù)集對(duì)于全球變化監(jiān)測(cè)以及低分辨率FVC產(chǎn)品驗(yàn)證具有重要的科學(xué)意義[13,20]。隨著衛(wèi)星組網(wǎng)和協(xié)同觀(guān)測(cè)技術(shù)體系的發(fā)展，利用多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠提供互補(bǔ)信息，可一定程度上提高FVC等地表參數(shù)產(chǎn)品在空間和時(shí)間上的連續(xù)性[5]，但產(chǎn)品質(zhì)量、精度和時(shí)空分辨率仍需進(jìn)一步改進(jìn)[21]。

近些年來(lái)，中國(guó)陸續(xù)發(fā)射了一系列中高分辨率陸地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星。環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星（代號(hào)HJ1）A、B星分別搭載有2臺(tái)寬覆蓋多光譜可見(jiàn)光相機(jī)（HJ1-CCD），單臺(tái)相機(jī)的幅寬大于360 km，地面像元分辨率為30 m，兩星協(xié)同可實(shí)現(xiàn)2 d的重訪(fǎng)周期。高分一號(hào)衛(wèi)星（代號(hào)GF1）搭載了2臺(tái)2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機(jī)（GF1-PMS）、4臺(tái)16 m分辨率多光譜相機(jī)（GF1-WFV）；2臺(tái)GF1-PMS相機(jī)組合幅寬優(yōu)于60 km，4臺(tái)GF1-WFV相機(jī)組合幅寬優(yōu)于800 km，重訪(fǎng)周期為4 d[22]。因此，高分一號(hào)、環(huán)境一號(hào)多光譜數(shù)據(jù)的聯(lián)合使用具有覆蓋范圍寬、時(shí)間分辨率高、空間分辨率較高等優(yōu)勢(shì)，是大范圍內(nèi)植被覆蓋度反演的理想數(shù)據(jù)源。但由于傳感器的在軌運(yùn)行時(shí)間及性能差異，多傳感器數(shù)據(jù)集的觀(guān)測(cè)質(zhì)量參差不齊，同時(shí)，考慮到不同傳感器輻射性能和波段設(shè)置的差異、空間位置差異、大氣狀況等因素影響，多傳感器數(shù)據(jù)集間存在一致性訂正問(wèn)題。同時(shí)，由于國(guó)產(chǎn)在軌自主衛(wèi)星出現(xiàn)時(shí)間較短，植被覆蓋度估算的相關(guān)應(yīng)用研究還很少，在一定程度上影響了自主遙感數(shù)據(jù)潛力、價(jià)值的科學(xué)評(píng)估，制約了中國(guó)自主遙感數(shù)據(jù)在陸地生態(tài)系統(tǒng)生理參數(shù)估測(cè)應(yīng)用上的進(jìn)一步發(fā)展。

針對(duì)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像應(yīng)用中存在的這些問(wèn)題，本研究以華北平原的冬小麥地為研究對(duì)象，聯(lián)合使用多時(shí)相HJ1-CCD、GF1-WFV以及GF1-PMS數(shù)據(jù)，研究建立多源中高分辨率遙感影像協(xié)同估算植被覆蓋度的方法，包括3個(gè)具體目標(biāo)：1）不同傳感器遙感數(shù)據(jù)間的FVC匹配；2）不同空間分辨率遙感數(shù)據(jù)的FVC匹配；3）適用于多源多尺度遙感數(shù)據(jù)的FVC估算方法優(yōu)選。

1 試驗(yàn)區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)為華北平原（32°19′N(xiāo)～40°18′N(xiāo), 112°18′E～120°25′E）的部分冬小麥主產(chǎn)區(qū)，涵蓋北京、天津、河北南部、山東西部、河南北部（如圖1）。年均氣溫13 ℃，年均降水量710 mm，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，土層深厚，土質(zhì)肥沃，適宜小麥、玉米、大豆等多種農(nóng)作物的生長(zhǎng)。冬小麥多于每年的10月上、中旬播種，次年6月收獲。

圖1 試驗(yàn)區(qū)及樣區(qū)的位置Fig.1 Location of experiment areas and sample areas

1.2 遙感影像及處理

綜合考慮影像質(zhì)量和冬小麥生育期，本研究選用了4期GF1-PMS、GF1-WFV和HJ1-CCD影像數(shù)據(jù)，時(shí)間跨越冬小麥返青-起身期（2015年3月23日、2015年3月29日）、拔節(jié)-開(kāi)花期（2014年4月28日、2014年5月5日），所選用的同一生育期、不同衛(wèi)星遙感影像的獲取時(shí)間基本一致，時(shí)間差在2 d以?xún)?nèi)，所有遙感影像的具體參數(shù)見(jiàn)表1。所有影像借助ENVI軟件進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等預(yù)處理工作。輻射定標(biāo)采用中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站提供的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行校正；大氣校正采用FLAASH大氣校正模型；幾何校正是先采用影像自帶RPC（rational polynomial coefficient）文件進(jìn)行正射校正，再以同時(shí)期GF1-PMS影像為基準(zhǔn)進(jìn)行幾何精校正，誤差在一個(gè)像素以?xún)?nèi)。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)范圍的大小以及其所處位置選擇高斯投影，從而將3種不同分辨率的影像轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一投影坐標(biāo)系下。

冬小麥地和裸地的提取通過(guò)ENVI實(shí)現(xiàn)：首先利用最大似然法對(duì)四期GF1-PMS影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi), 共分為建筑（包括道路和裸地）、水體、林草地（包括綠化）和耕地4 類(lèi)；然后針對(duì)耕地、建筑，應(yīng)用訓(xùn)練樣本集，提取除錯(cuò)分信息，最終獲得冬小麥地和裸地面積。針對(duì)每景圖像獲取的冬小麥地和裸地提取結(jié)果，2 種類(lèi)型分別隨機(jī)選30 個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行目視判讀驗(yàn)證，總體精度為85.45%，Kappa 系數(shù)為0.78，整體分類(lèi)精度較高，結(jié)果可靠，滿(mǎn)足研究精度要求。

表1 多源遙感影像的獲取信息Table 1 Details of remote sensing images

2 研究方法

2.1 像元二分法模型

像元二分法是一種常用的混合像元分解法，模型簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，在具有多種地物類(lèi)型區(qū)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出較高的精度和穩(wěn)定性[10,23]。該模型假設(shè)像元只由有植被覆蓋的地表和裸地2部分組成。光譜信息也只由這 2 個(gè)組分線(xiàn)性合成,它們各自的面積在像元中所占的比率即為各因子的權(quán)重，其中植被覆蓋地表占像元的百分比即為該像元的FVC。像元二分模型公式如式（1）

式中VI為某一植被指數(shù)，VISoil和VIVeg分別為裸土、純植被區(qū)的植被指數(shù)值。

植被指數(shù)種類(lèi)是多種多樣的，歸一化植被指數(shù)（normalized vegetation index，NDVI）是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被空間分布密度的最佳指示因子[24]，在像元二分模型估算FVC中得到了廣泛應(yīng)用[10,25-26]。植被指數(shù)采用NDVI后，式（1）可寫(xiě)為

式中NDVISoil、NDVIVeg分別指純土壤像元和純植被像元的NDVI。NDVI的計(jì)算公式如式（3）所示

式中NIRρ指近紅外波段的反射率，Redρ為紅波段反射率。

像元二分法最大的難點(diǎn)在于確定NDVISoil、NDVIVeg[7]。本研究涉及冬小麥的4個(gè)關(guān)鍵生長(zhǎng)期，即：返青期、起身期、拔節(jié)期、開(kāi)花期。在冬小麥返青期和起身期，春播作物尚未播種，裸地面積較大，在影像上較易獲取純土壤像元；到拔節(jié)期和開(kāi)花期，小麥生長(zhǎng)逐漸完成而達(dá)到封壟，田間裸地面積小，因而在影像上較易找到全小麥覆蓋的像元。同時(shí)，在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，實(shí)際應(yīng)用中，NDVISoil、NDVIVeg取給定置信度的置信區(qū)間內(nèi)的最大值與最小值，以在一定程度上消除遙感圖像噪聲所帶來(lái)的誤差。綜合考慮上述情況，本研究采用雙時(shí)期法確定NDVISoil、NDVIVeg：提取2015年3月23日和3月25日2期裸地的NDVI值生成數(shù)據(jù)頻率統(tǒng)計(jì)表，選取置信度為98%的NDVI值為NDVISoil；提取2014年5月5日和5月6日2期冬小麥地NDVI值生成數(shù)據(jù)累積概率分布，選定置信度為98%的NDVI值為NDVIVeg。

2.2 多源中高分辨率遙感影像協(xié)同反演FVC

像元二分法模型本質(zhì)上是一種線(xiàn)性方程，且模型驅(qū)動(dòng)變量NDVI與輻亮度信號(hào)是線(xiàn)性變換的，因而尺度效應(yīng)影響較小[27-28]。冬小麥作為典型的行播農(nóng)作物，在封壟前，呈現(xiàn)非均一地表特性，不同觀(guān)測(cè)角度對(duì)應(yīng)像元不同的采樣面積, 加之植被的二向性反射特性，角度效應(yīng)顯著[29-30]。對(duì)于HJ1-CCD、GF1-WFV等寬幅遙感成像傳感器，星下點(diǎn)附近的觀(guān)測(cè)天頂角比較小，而遠(yuǎn)離星下點(diǎn)的邊緣像元觀(guān)測(cè)天頂角比較大，觀(guān)測(cè)角度的差異導(dǎo)致觀(guān)測(cè)對(duì)象不同，跟垂直定義的植被蓋度差異較大。GF1-PMS傳感器幅寬較小，觀(guān)測(cè)天頂角也相對(duì)較小，不側(cè)擺情況下，近似于垂直觀(guān)測(cè)。因此，本研究借鑒Bottom-up方法[31]，基于GF1-PMS數(shù)據(jù)，對(duì)HJ1 -CCD、GF1-WFV數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)多源中高分辨率遙感影像植被覆蓋度的協(xié)同估算。

所謂Bottom-up方法就是對(duì)高空間分辨率地表參數(shù)遙感估測(cè)值與低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)估測(cè)值之間進(jìn)行回歸分析，建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停詈蠡诖四Ｐ? 利用低空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)估測(cè)地表參數(shù)。

對(duì)于像元二分模型，植被指數(shù)的精度對(duì)于FVC反演具有決定作用，因此，本研究基于NDVI構(gòu)建回歸模型，具體步驟為：1）計(jì)算3種遙感數(shù)據(jù)的NDVI；2）將GF1-WFV和HJ1-CCD兩種數(shù)據(jù)的NDVI值分別與GF1-PMS數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)位置的NDVI值進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，建立中高分辨率數(shù)據(jù)的NDVI回歸模型；3）基于此回歸模型，對(duì)GF1-WFV和HJ1-CCD整景數(shù)據(jù)的NDVI值進(jìn)行校正；4）基于像元二分模型，利用校正后的NDVI估測(cè)FVC。

GF1-PMS、GF1-WFV、HJ1-CCD3種傳感器的空間分辨率分別為8 、16 和30 m，因此，無(wú)法采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的像元光譜比較法進(jìn)行匹配。鑒于此，本研究采用國(guó)際慣用的樣區(qū)法[32-33]，即在3種分辨率的影像上選取范圍相同的樣區(qū)，然后以各樣區(qū)的平均值進(jìn)行匹配，采用取均值方法在一定程度上可減少錯(cuò)配，降低遙感反演誤差。樣區(qū)大小的選擇取8 、16 、30 m的最小公倍數(shù)240 m，在4期影像上各選取40個(gè)240 m×240 m的均質(zhì)冬小麥樣區(qū)進(jìn)行對(duì)比、回歸分析。第一期回歸樣區(qū)空間分布情況如圖1所示。

冬小麥在不同的生育期季相節(jié)律存在差異，表現(xiàn)出迥然不同的光譜特性[34]。在返青期和起身期，冬小麥覆蓋度較低，土壤背景干擾很大；到拔節(jié)、開(kāi)花期，冬小麥快速生長(zhǎng)，覆蓋度迅速增加，土壤背景干擾變小。因此，本研究構(gòu)采用多源全生育期法（multi-source wholegrowth-period method，MWM）和多源分期法（multi-source single-growth-period method，MSM）2種方法構(gòu)建回歸模型，通過(guò)分析對(duì)比實(shí)現(xiàn)FVC估算方法的優(yōu)選。

對(duì)于多源全生育期法，中高分辨率數(shù)據(jù)回歸模型的構(gòu)建是基于4期數(shù)據(jù)160個(gè)樣本區(qū)進(jìn)行回歸分析，得到一個(gè)統(tǒng)一的模型，中分辨率數(shù)據(jù)校正采用統(tǒng)一的回歸模型。而對(duì)于多源分期法，對(duì)每期40個(gè)樣本區(qū)進(jìn)行線(xiàn)性回歸，得到4個(gè)回歸模型，中分辨率數(shù)據(jù)校正采用當(dāng)期或者時(shí)間最近的回歸模型。

2.3 精度評(píng)價(jià)方法

研究表明植被蓋度估測(cè)精度與遙感影像分辨率的高低密切相關(guān)，高空分辨率數(shù)據(jù)的FVC 反演結(jié)果可以用于低分辨率FVC驗(yàn)證[16]。本研究采用相對(duì)驗(yàn)證方法對(duì)不同數(shù)據(jù)、方法的植被覆蓋度反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。即以GF1-PMS數(shù)據(jù)反演結(jié)果作為植被覆蓋度參考值，分別在每期數(shù)據(jù)上選取20個(gè)樣本區(qū)作為檢驗(yàn)樣區(qū),檢驗(yàn)樣區(qū)與回歸樣區(qū)不重合（空間分布見(jiàn)圖1），統(tǒng)計(jì)各檢驗(yàn)樣區(qū)的植被覆蓋度參考值及對(duì)應(yīng)GF1-WFV和HJ1-CCD的植被覆蓋度反演值，對(duì)參考值與反演值進(jìn)行對(duì)比分析。為了綜合衡量植被覆蓋度提取方法的精度高低，利用決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（root mean square error, RMSE）、偏差（Bias）、偏差率（ME）4個(gè)參數(shù)作為精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 3種數(shù)據(jù)源直接反演FVC對(duì)比

本研究采用雙時(shí)期法分別確定HJ1-CCD、GF1-WFV和GF1-PMS三種數(shù)據(jù)的NDVISoil、NDVIVeg，如表2所示。在此基礎(chǔ)上，采用像元二分法模型進(jìn)行FVC反演，得到3種數(shù)據(jù)的4期小麥地FVC估測(cè)數(shù)據(jù)集。2014年4月27日3種數(shù)據(jù)FVC反演結(jié)果局部對(duì)比如圖2所示。

表2 純土壤像元和純小麥像元NDVI取值Table 2 NDVI values of pure soil and pure wheat pixels

根據(jù)40期共160個(gè)樣區(qū)數(shù)據(jù)，對(duì)GF1-PMS、GF1-WFV、HJ1-CCD三種數(shù)據(jù)獲取的FVC進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表3和散點(diǎn)分布見(jiàn)圖3。

通過(guò)圖2可以看出，整體上, GF1-PMS、GF1-WFV、HJ1-CCD三種數(shù)據(jù)獲取的FVC結(jié)果相差不大，但是，隨著分辨率的降低，影像結(jié)構(gòu)不斷粗糙，小麥地邊緣受周邊地塊的影響，F(xiàn)VC估值偏小。

圖2 基于HJ1-CCD、GF1-WFV與GF1-PMS影像反演的FVC結(jié)果局部對(duì)比（2014-04-27）Fig.2 Local contrast of retrieved FVC using HJ1-CCD, GF1-WFV, and GF1-PMS images（2014-04-27）

表3 植被覆蓋度基本統(tǒng)計(jì)特征值Table 3 Statistics of retrieved FVC

圖3 基于HJ1-CCD、GF1-WFV與GF1-PMS影像反演的FVC散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of retrieved FVC using HJ1-CCD, GF1-WFV, and GF1-PMS images

通過(guò)表3可以看出，GF1-PMS反演結(jié)果的動(dòng)態(tài)范圍和標(biāo)準(zhǔn)差最大，GF1-WFV居中，HJ1-CCD最小，這表明高分辨率的GF1-PMS影像對(duì)植被分辨較細(xì)，F(xiàn)VC估算結(jié)果更加準(zhǔn)確；總體來(lái)看，HJ1-CCD、GF1-WFV反演結(jié)果與GF1-PMS反演結(jié)果具有較好的相關(guān)關(guān)系，R2均高于0.9，GF1-WFV與GF1-PMS反演結(jié)果具有更高的一致性，RMSE、偏差、偏差率更小。

結(jié)合表1和圖3可以看出，3月23日的冬小麥地FVC為0.4左右，HJ1-CCD、GF1-WFV的觀(guān)測(cè)天頂角分別比GF1-PMS大11.43°、7.01°，兩者的FVC估算值明顯高于GF1-PMS估算值，HJ1-CCD估算值的離散度和偏差要大于GF1-WFV；3月29日冬小麥地的FVC在0.6左右，HJ1-CCD、GF1-WFV的觀(guān)測(cè)天頂角分別比GF1-PMS高7.87°、0.55°，兩者估算值的離散度和偏差有所減少；4月28日和5月5日的FVC大于0.8，雖然4月28日HJ1-CCD、GF1-WFV的觀(guān)測(cè)天頂角分別比GF1-PMS高12.22°、7.29°，5月5日兩者的觀(guān)測(cè)天頂角則分別大11.70°、13.00°，均高于3月23日和3月29日，但是HJ1-CCD、GF1-WFV與GF1-PMS估算值甚為接近。總的來(lái)說(shuō)，在小麥地FVC小于0.8時(shí)，受土壤背景影響，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)角度效應(yīng)明顯，HJ1-CCD、GF1-WFV估算值對(duì)于GF1-PMS明顯偏高，而隨著FVC的增加，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)角度效應(yīng)影響明顯降低，偏差逐漸減小，到小麥封壟后，趨于一致。

3.2 不同的植被覆蓋度協(xié)同反演方法對(duì)比

將GF1-WFV和HJ1-CCD 2種數(shù)據(jù)的NDVI值分別與GF1-PMS數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)位置的NDVI值進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，采用多源全生育期法和多源分期法2種方法構(gòu)建回歸模型（表4），模型顯著性檢驗(yàn)P值均小于0.01?；跈z驗(yàn)樣區(qū)，中高分辨率衛(wèi)星影像協(xié)同應(yīng)用的多源全生育期法、多源分期法與中分辨率衛(wèi)星影像的單源直接反演法（single-source inversion method，SIM）精度評(píng)估結(jié)果如表5所示。

表4 基于中高分辨遙感影像的植被覆蓋度協(xié)同估測(cè)模型Table 4 Estimation models of FVC using multi-source remote sensing images

表5 3種FVC反演方法精度對(duì)比Tab.5 Accuracy comparison of 3 FVC inversion methods

由表5可以看出，相對(duì)于單源直接反演法，多源全生育期法GF1-WFV總體R2增加0.102，總體偏差、偏差率、RMSE分別減少0.045、6.663%、0.017，而3月23日和3月29日平均偏差、偏差率、RMSE則分別減少0.063、20.146%、0.076；HJ1-CCD的總體R2增加0.319，總體偏差、偏差率、RMSE分別減少0.1、14.977%、0.027，而3月23日和3月29日平均偏差、偏差率、RMSE則分別減少0.149、38.626%、0.11。多源分期法GF1-WFV總體R2增加0.122，總體偏差、偏差率、RMSE分別減少0.049、7.282%、0.031，而3月23日和3月29日平均偏差、偏差率、RMSE則分別減少0.089、21.662%、0.073；HJ1-CCD的總體R2增加0.347，總體偏差、偏差率、RMSE分別減少0.101、15.111%、0.045，而3月23日和3月29日平均偏差、偏差率、RMSE則分別減少0.159、39.243%、0.135?？傮w來(lái)說(shuō)，相較于單源直接反演法，多源分期法、多源全生育期法采用近似于垂直觀(guān)測(cè)的高空間分辨率GF1-PMS數(shù)據(jù)對(duì)傾斜觀(guān)測(cè)的HJ1-CCD和GF1-WFV數(shù)據(jù)進(jìn)行觀(guān)測(cè)角度校正，F(xiàn)VC總體反演誤差有所減少，估測(cè)精度得到提高，特是在角度效應(yīng)影響顯著的的冬小麥返青-起身期（3月23日、3月29日），誤差減少幅度大于整個(gè)生育期，校正效果更加明顯。

相較于多源全生育期法，多源分期法GF1-WFV的決定系數(shù)較高（R2=0.984），均方根誤差較?。≧MSE=0.030）；HJ1-CCD的決定系數(shù)也較高（R2=0.978），均方根誤差較?。≧MSE=0.034）。可以看出，多源分期法的平均估測(cè)精度高于多源全生育期法。

4 結(jié) 論

本研究以華北地區(qū)的冬小麥地為試驗(yàn)區(qū)，基于像元二分模型，研究了中高分辨率的GF1-PMS、GF1-WFV和HJ1-CCD三種傳感器數(shù)據(jù)協(xié)同F(xiàn)VC估算方法，并基于4期遙感影像數(shù)據(jù)集，研究多源多尺度遙感數(shù)據(jù)的FVC匹配與反演方法優(yōu)選。得到如下結(jié)論：

1）冬小麥作為典型的行播農(nóng)作物，F(xiàn)VC小于0.8時(shí)，受土壤背景影響，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)角度效應(yīng)明顯，HJ1-CCD、GF1-WFV數(shù)據(jù)的FVC估值相較于GF1-PMS偏高；而隨著FVC的增加，偏差逐漸減??；到小麥封壟后，觀(guān)測(cè)角度影響較小，三者趨于一致。這表明，應(yīng)用寬覆蓋數(shù)據(jù)協(xié)同反演FVC應(yīng)考慮角度效應(yīng)和季相節(jié)律的影響。

2）HJ1-CCD、GF1-WFV數(shù)據(jù)與GF1-PMS數(shù)據(jù)的FVC直接反演結(jié)果具有較好的相關(guān)關(guān)系，R2均高于0.9。相對(duì)于HJ1-CCD、GF1-WFV直接反演結(jié)果，GF1-PMS直接反演結(jié)果的動(dòng)態(tài)范圍和標(biāo)準(zhǔn)差最大，GF1-WFV居中，HJ1-CCD最小。這表明HJ1-CCD、GF1-WFV數(shù)據(jù)與GF1-PMS數(shù)據(jù)的FVC反演結(jié)果具有較高的一致性，高分辨率的GF1-PMS影像對(duì)地物分辨較細(xì)、觀(guān)測(cè)角度較小，F(xiàn)VC估算結(jié)果更加準(zhǔn)確，可以用以對(duì)中分辨率的HJ1-CCD、GF1-WFV數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

3）多源分期法、多源全生育期法較單源直接反演法，誤差有所減少，平均估測(cè)精度均有提高，其中，多源分期法估測(cè)精度最高，GF1-WFV的決定系數(shù)R2為0.984，均方根誤差RMSE為0.030；HJ1-CCD的R2為0.978，RMSE為0.034。在缺少GF1-PMS匹配數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)全生育期法提高GF1-WFV與HJ1-CCD數(shù)據(jù)的反演精度，GF1-WFV的R2為0.964，RMSE為0.044；HJ1-CCD的R2為0.950，RMSE為0.052。

中高分辨率協(xié)同F(xiàn)VC反演能夠有效提高小麥地植被覆蓋度的提取精度和監(jiān)測(cè)時(shí)效，對(duì)于利用多源多尺度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究植被生長(zhǎng)狀況及生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化具有重要意義。然而，由于國(guó)產(chǎn)中分辨率多傳感器觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)集觀(guān)測(cè)角度分布離散度不強(qiáng)，GF1-WFV與HJ1-CCD數(shù)據(jù)的角度信息未能加以利用，這在一定程度上限制了多傳感器數(shù)據(jù)集的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)，后續(xù)需要進(jìn)一步研究多角度觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用方法。

[1] Gitelson A A, KaufmanY J, Stark R, et al. Novel algorithms for remote estimation of vegetation fraction[J]. Remote Sensing of Environment, 2002, 80(1): 76-87.

[2] Purevdorj T S, Tateishi R, Ishiyama T, et al. Relationships between percent vegetation cover and vegetation indices[J]. International Journal of Remote Sensing, 1998, 19(18): 3519 - 3535.

[3] Qi J, Marsett R C, Moran M S, et al. Spatial and temporal dynamics of vegetation in the San Pedro River basin area[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2000, 105(1): 55-68.

[4] 陳云浩，李曉兵，史培軍. 基于遙感的植被覆蓋變化景觀(guān)分析：以北京海淀區(qū)為例[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，22(10)：1581-1586. Chen Yunhao, Li Xiaobing, Shi Peijun. Landscape spatialtemporal pattern analysis on change in the fraction of green vegetation based on remotely sensed data: A case study inHaidiandistrict, Beijing[J]. Acta Ecologica Sinica, 2002, 22(10): 1581-1586. (in Chinese with English abstract)

[5] Liang Shunlin, Li Xiaowen, Wang Jindi. Advanced remote sensing: terrestrial information extraction and applications[M]. New York: Academic Press, 2012.

[6] 張喜旺，吳炳方. 基于中高分辨率遙感的植被覆蓋度時(shí)相變換方法[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35(4)：1155-1164. Zhang Xiwang, Wu Bingfang. A temporal transformation method of fractional vegetation cover derived from high and moderate resolution remote sensing data[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35 (4): 1155-1164. (in Chinese with English abstract)

[7] Duncan J, Stow D, Franklin J, et al. Assessing the relationship between spectral vegetation indices and shrub cover in the Jornada Basin, New Mexico[J]. International Journal of Remote Sensing, 1993, 14(18): 3395-3416.

[8] Yang J, Prince S D. Remote sensing of savanna vegetation changes in Eastern Zambia 1972-1989[J]. International Journal of Remote Sensing, 2000, 21(2): 301-322.

[9] Larsson H. Linear regressions for canopy cover estimation in Acacia woodlands using Landsat-TM,-MSS and SPOT HRV XS data[J]. Remote Sensing, 1993, 14(11): 2129-2136.

[10] Gutman G, Ignatov A. The derivation of the green vegetation fraction from NOAA/AVHRR data for use in numerical weather prediction models[J]. International Journal of Remote Sensing, 1998, 19(8): 1533-1543.

[11] Zribi M, Le Hégarat-Mascle S, Taconet O, et al. Derivation of wild vegetation cover density in semi-arid regions: ERS2/ SAR evaluation[J]. International Journal of Remote Sensing, 2003, 24(6): 1335-1352.

[12] 楊強(qiáng)，王婷婷，陳昊，等. 基于 MODIS EVI 數(shù)據(jù)的錫林郭勒盟植被覆蓋度變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31 (22)：191-198. Yang Qiang, Wang Tingting, Chen Hao, et al. Characteristics of vegetation cover change in XilinGol League based on MODIS EVI data[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 191-198. (in Chinese with English abstract)

[13] 賈坤，姚云軍，魏香琴，等. 植被覆蓋度遙感估算研究進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2013，28(7)：774-782. Jia Kun, Yao Yunjun, Wei Xiangqin, et al. A review on fractional vegetation cover estimation using remote sensing[J]. Advances in Earth Science, 2013, 28(7): 774-782. (in Chinese with English abstract)

[14] 楊峰，李建龍，楊文鈺，等. 基于線(xiàn)性光譜混合模型的荒漠草地覆蓋度估測(cè)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(7)：243-247. Yang Feng, Li Jianlong, Yang Wenyu, et al. Assessing vegetation coverage of desert grassland based on linear spectral mixturemodel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(7): 243-247. (in Chinese with English abstract)

[15] Roujean J L, Lacaze R. Global mapping of vegetation parameters from POLDER multiangular measurements for studies of surface-atmosphere interactions: A pragmatic method and its validation[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2002, 107(D12).

[16] Baret F, Hagolle O, Geiger B, et al. LAI, fAPAR and fCover CYCLOPES global products derived from VEGETATION: Part 1: Principles of the algorithm[J]. Remote Sensing of Environment, 2007, 110(3): 275-286.

[17] Baret F, Weiss M, Lacaze R, et al. GEOV1: LAI and FAPAR essential climate variables and FCOVER global time series capitalizing over existing products. Part1: Principles of development and production[J]. Remote Sensing of Environment, 2013, 137: 299-309.

[18] Baret F, Pavageau K, Béal D, et al. Algorithm theoretical basis document for MERIS top of atmosphere land products (TOA_VEG)[J]. INRA-CSE, Avignon, 2006.

[19] García-Haro F J, Camacho-de Coca F, Miralles J M. Inter-comparison of SEVIRI/MSG and MERIS/ENVISAT biophysical products over Europe and Africa[C]//Proceedings of the 2nd MERIS/(A) ATSR User Workshop, Frascati, Italy. 2008: 22-26.

[20] Jia K, Liang S, Liu S, et al. Global land surface fractional vegetation cover estimation using general regression neural networks from MODIS surface reflectance[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2015, 53(9): 4787-4796.

[21] Liang S, Zhao X, Liu S, et al. A long-term Global Land Surface Satellite (GLASS) data-set for environmental studies[J]. International Journal of Digital Earth, 2013, 6(Suppl.1): 5-33.

[22] 孫元亨，秦其明，任華忠，等. GF-4/PMS 與 GF-1/WFV 兩種傳感器地表反射率及NDVI一致性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(9)：167-173. Sun Yuanheng, Qin Qiming, Ren Huazhong, et al. Consistency analysis of earth surface reflectance and NDVI between GF-4/PMS and GF-1/WFV[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 167-173. (in Chinese with English abstract)

[23] 李恒凱，雷軍，楊柳. 基于 Landsat 影像的離子稀土礦區(qū)植被覆蓋度提取及景觀(guān)格局分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(10)：267-276. Li Hengkai, Lei Jun, Yang Liu. Extraction of vegetation coverage and analysis of landscape pattern in rare earth mining area basedon Landsat image [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(10): 267-276. (in Chinese with English abstract)

[24] Liu S, Li Q, Mao X, et al. Evaluation on consistency between HJ-1 CCD and TM images in monitoring fractional green vegetation cover[C]//Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 2011 IEEE International. IEEE, 2011: 1005-1008.

[25] Liu S, Li Q. A study on green vegetation cover fraction based on HJ-1 CCD image[C]// Geoinformatics, 2011 19th International Conference on. IEEE, 2011: 1-4.

[26] Zhang X, Liao C, Li J, et al. Fractional vegetation cover estimation in arid and semi-arid environments using HJ-1satellite hyperspectral data[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2013, 21: 506-512.

[27] 江淼，張顯峰，孫權(quán)，等. 不同分辨率影像反演植被覆蓋度的參數(shù)確定與尺度效應(yīng)分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2011，36(3)：311-315. Jiang Miao, Zhang Xianfeng, Sun Quan, et al. Vegetationcoverage retrieval scale effect analysis using multi-sensor data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2011, 36(3): 311-315. (in Chinese with English abstract)

[28] 劉良云. 葉面積指數(shù)遙感尺度效應(yīng)與尺度糾正[J]. 遙感學(xué)報(bào)，2014，18(6)：1158-1168. Liu Liangyun. 2014. Simulation and correction of spatialscaling effects for leaf area index[J]. Journal of Remote Sensing, 2014, 18(6):1158-1168. (in Chinese with English abstract)

[29] Galvao L S, Ponzoni F J, Epiphanio J C N, et al. Sun and view angle effects on NDVI determination of land cover types in the Brazilian Amazon region with hyperspectral data[J]. International Journal of Remote Sensing, 2004, 25(10): 1861-1879.

[30] Pocewicz A, Vierling L A, Lentile L B, et al. View angle effects on relationships between MISR vegetation indices and leaf area index in a recently burned ponderosa pine forest[J]. Remote Sensing of Environment, 2007, 107(1): 322-333.

[31] Fazakas Z, Nilsson M. Volume and forest cover estimation over southern Sweden using AVHRR data calibrated with TM data[J]. International Journal of Remote Sensing, 1996, 17(9): 1701-1709.

[32] Saunier S, Goryl P, Chander G, et al. Radiometric, geometric, and image quality assessment of ALOS AVNIR-2 and PRISM sensors[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010, 48(10): 3855-3866.

[33] Chander G, Coan M J, Scaramuzza P L. Evaluation and comparison of the IRS-P6 and the Landsat sensors[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2008, 46(1): 209-221.

[34] 齊臘，劉良云，趙春江，等. 基于遙感影像時(shí)間序列的冬小麥種植監(jiān)測(cè)最佳時(shí)相選擇研究[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2008，23(2)：154-160. Qi La, Liu Liangyun, Zhao Chunjiang, et al. Selection of optimum periods for extracting winter wheat based on multi-temporal remote sensing images[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2008, 23(2):154-160. (in Chinese with English abstract)

Coordination inversion methods for vegetation cover of winter wheat by multi-source satellite images

Sun Zhongping1,2，Liu Suhong1※，Jiang Jun2，Bai Xueqi3，Chen Yonghui3，Zhu Chenghao3，Guo Wenting3
(1. State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2. Satellite Environment Center, Ministry of Environmental Protection,Beijing 100094, China; 3. Beijing Key Laboratory of Precision Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Fraction vegetation cover(FVC)can be used to indicate the growing status of vegetation, which is an important input for some ecological models, hydrological models, meteorological models, and so on. And FVC data set with high precision, high temporal resolution, and high spatial resolution is critical to global change monitoring. Unfortunately, current FVC products are produced using only one kind of remote sensing image, and thus their spatial coverage and temporal coverage are limited. Aiming at acquiring continuous FVC data in space and time, we explored the estimation methods of FVC of winter wheat in North China Plain using high and medium resolution images jointly. This study focused on dimidiate pixel model by combining multi-source images includingGF1-PMSimages with spatial resolution of 8m, GF1-WFVwithspatial resolution of 16m, and HJ1-CCD with spatial resolution of 30 m. Four phases of remote sensing images of those 3 sensors were selected as data source to conduct the experiments, which covered 4 growth periods of the winter wheat, including turning green &rising stage(March 23, 2015 and March 29, 2015) and jointing & flowering stage(April 28, 2014 and May 5, 2014).Within the coincidence regions of those 3 kinds of images, we selected randomly 160 winter wheat sample areas (240 m×240 m) as the regression samples, and chose randomly another 80 winter wheat sample areas (240 m×240 m) as the checking samples to verify the performance of the methods. Using these regression samples, we developed multi-source whole-growth-period method (MWM) and multi-source single-growth-period method (MSM) based on the bottom-up method. We compared and analyzed the single-source inversion method (SIM), MWM and MSM based on the estimated FVC result using high spatial resolution GF1-PMS images. The results indicated that the FVC estimations of HJ1-CCD, and GF1-WFV images using SIM method were highly consistent with those of GF1-PMS images, and their R2values were both higher than 0.9. However, due to the observation angle effect of GF1-WFV and HJ1-CCD sensors, the estimated FVCs were a little higher in the early growing stages of winter wheat, and the bias decreased gradually with the closing of winter wheat canopy. Compared with SIM method, MWM method and MSM method both worked more effectively and generated higher accuracy. Among those two multi-source methods, MSM method showed the relatively higher accuracy, and its determinant coefficients R2was 0.984 and the root mean square error(RMSE)was 0.030 using GF1-WFV images, while the R2was 0.978 and the RMSE was 0.034 using HJ1-CCD images. The R2of MWM method was 0.964 and the RMSE was 0.044 using GF1-WFV images, and the R2was 0.950 and the RMSE was 0.052 using HJ1-CCD images. Comparison indicated that MWM can be utilized to improve the FVC estimation accuracy using GF1-WFV and HJ1-CCD images when there are no matching GF1-PMS images over the same period. This research shows that the synergetic inversion method of winter wheat FVC with multi-source satellite images can generate long time series and high precision FVC products, which can provide the critical data set for vegetation growth monitoring, monitoring of ecological environment and global change detection.

remote sensing; crops; monitoring; multi-source; fraction vegetation cover; winter wheat; dimidiate pixel model; GF-1

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.021

TD865；TP79；S127

A

1002-6819(2017)-16-0161-07

孫中平，劉素紅，姜俊，白雪琪，陳永輝，朱程浩，郭文婷.中高分辨率遙感協(xié)同反演冬小麥覆蓋度[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：161-167.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.021 http://www.tcsae.org

Sun Zhongping，Liu Suhong，Jiang Jun, Bai Xueqi, Chen Yonghui, Zhu Chenghao, Guo Wenting. Coordination inversion methods for vegetation cover of winter wheat by multi-source satellite images[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 161-167. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.021 http://www.tcsae.org

2017-04-18

2017-06-30

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0800903)

孫中平，男，博士生，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境遙感應(yīng)用研究。北京 北京師范大學(xué)地理科學(xué)部，100875。Email：sunnybnu114@163.com

※通信作者：劉素紅，女，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事遙感應(yīng)用研究。北京 北京師范大學(xué)地理科學(xué)部，100875。Email：liush@bnu.edu.cn