王成倫1 李果1 張強1 孔祥皓1 裴青生2 楊樺1 陳卓一1

一、概述

青海省是國家安全的戰(zhàn)略縱深區(qū)、生態(tài)保護的戰(zhàn)略屏障區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，青海省地處青藏高原腹地，是長江、黃河、瀾滄江的三江源發(fā)源地，有“中華水塔”之稱。青海省是國內(nèi)高原生物多樣性最集中的地區(qū)，是亞洲、北半球乃至全球氣候變化的敏感區(qū)，特殊的地理位置、豐富的自然資源、重要的生態(tài)功能使其成為我國青藏高原生態(tài)安全屏障的重要組成部分。由于受到氣候與人類活動的共同影響，青海地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化，受到了國內(nèi)外各界的普遍關(guān)注。

青海省東西長約1800km，南北長約900km，其中52%以上為草原。草原是青海生態(tài)環(huán)境中最重要的環(huán)節(jié)，草原的四情“草情、水情、疫情和鼠情”是關(guān)鍵要素，其中“草情和水情”可以采用高分遙感系列衛(wèi)星提供服務(wù)支撐?；趪鴥?nèi)現(xiàn)有低軌遙感衛(wèi)星或無人機等重訪時間長和覆蓋范圍窄等限制，繪制一幅完整的青海省草原圖像需要3個月以上，而青海省每年青草生長時間為3個半月左右，這對草原草情的及時掌握，以及草原畜牧的智能調(diào)配都有很大制約，難以滿足青海省在1周之內(nèi)重訪一遍的要求。高分四號衛(wèi)星（GF-4）具有時間分辨率高、幅寬大等特點，可見光多譜段和紅外譜段設(shè)置，非常適合青海省草原草情、水情和草原火情等要素的觀測。

二、高分四號衛(wèi)星介紹及應(yīng)用分析

1.高分四號衛(wèi)星情況介紹

高分四號衛(wèi)星是國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)民用系列中唯一的一顆高軌光學(xué)衛(wèi)星，能夠提供高時間分辨率、大幅寬和50m空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)，為減災(zāi)、氣象、地震、林業(yè)、環(huán)保和其他行業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)急需要提供支持。

高分四號衛(wèi)星采用新研制的高軌遙感衛(wèi)星平臺，承載可見光和中波紅外共口徑的光學(xué)相機，配置0.5N·m大力矩動量輪實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)快速機動，能夠在30s內(nèi)實現(xiàn)整星機動0.64°并穩(wěn)定，具備對突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力。衛(wèi)星成像工作模式主要為：凝視模式、區(qū)域模式和機動巡查等模式。

2.高分四號衛(wèi)星圖像在草原生態(tài)環(huán)境方面的應(yīng)用分析

青海省草原生態(tài)環(huán)境要素主要有草原草情、水情、火情和沙塵覆蓋等，這些通過衛(wèi)星遙感技術(shù)可以進行監(jiān)測。高分四號衛(wèi)星的載荷為可見光近紅外和中波紅外共口徑設(shè)置的凝視成像相機，其譜段設(shè)置、空間分辨率設(shè)計和通過衛(wèi)星機動實現(xiàn)的廣域的可視范圍等，都可為上述的監(jiān)測要素提供支持。

草原草情監(jiān)視主要通過植被指數(shù)來進行反演。植被指數(shù)主要通過歸一化差分植被指數(shù)（NDVI）來描述。NDVI又稱標(biāo)準(zhǔn)差異植被指數(shù)，主要用來檢測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等。NDVI的表達式為：

式中，NIR表示近紅外區(qū)的觀測值；VIS表示可見光區(qū)的觀測值（在分光的情況下為紅色區(qū)）。高分四號衛(wèi)星分別設(shè)置了近紅外和紅色譜段，這為觀測NDVI提供了基礎(chǔ)；且高分四號衛(wèi)星每幅圖像幅面為500km×500km以上，通過6次觀測就可以覆蓋青海省全境，見圖1所示；算上成像時間、數(shù)據(jù)下傳及衛(wèi)星機動時間，觀測一次青海省全境的植被指數(shù)的時間在10min之內(nèi)。

高分四號衛(wèi)星全色和彩色譜段的空間分辨率都為50m，且VNIR通道采用10bit量化，量化分層數(shù)為1024，其灰度值和空間分辨率設(shè)置滿足水體覆蓋監(jiān)測的需要。

一般森林和草原火點的溫度為500～600K，其發(fā)熱輻射峰值為3～5μm，使用中波紅外手段可以對火點進行有效檢測，及時發(fā)現(xiàn)森林和草原火災(zāi)，準(zhǔn)確定位著火地點，實時掌握火災(zāi)發(fā)展態(tài)勢，為救災(zāi)工作提供強有力的保障措施。高分四號衛(wèi)星中波紅外譜段設(shè)置為3.5μm - 4.1μm，NE T≤0.2K@350K，動態(tài)范圍為240K～650K，滿足草原火災(zāi)的監(jiān)測。

圖1 高分四號衛(wèi)星通過6次觀測覆蓋青海省全境示意圖（有重疊）

由于黃色譜段為大氣吸收譜段，高分四號衛(wèi)星沒有設(shè)置黃色譜段，不能直接對泥沙進行監(jiān)視，但青海省草原顏色比較單一，除了綠色草原和藍色水體外，其他主要是沙塵覆蓋，但草原和水體可以通過高分四號衛(wèi)星直接觀測，因此沙塵也可以間接觀測。

三、高分四號衛(wèi)星圖像在青海省草原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用

1.在草原草情方面的應(yīng)用

對青海湖周邊2017年7月17日和2017年8月13日兩幅高分四號衛(wèi)星影像進行植被覆蓋度的提取，提取結(jié)果圖及相關(guān)分析如下：

依據(jù)研究范圍，對青海省海北州左上：經(jīng)度98.038°，緯度39.149°；右下：經(jīng)度102.664°，緯度36.750°；中心點經(jīng)度100.192°，緯度37.721°，基于混合像元分解法進行植被覆蓋度信息提取。并為了更好地研究植被覆蓋度的空間變化，將植被覆蓋度劃分為四個等級，低級植被覆蓋度（0～30%），中等植被覆蓋度（30%～50%），中高植被覆蓋度（50%～80%），高植被覆蓋度（80%～100%）。從圖2和圖3植被覆蓋分布圖可以看出，整個研究范圍來說，最東北部以及青海湖植被覆蓋度最低，為低級植被覆蓋，植被覆蓋為0-30%；青海湖的北部以及東部植被大多為高植被覆蓋，植被長勢較好，而青海湖西部接近邊緣地區(qū)植被覆蓋度較低，為中等植被覆蓋分布。2017年8月13日影像部分地區(qū)有云覆蓋，與2017年7月17日影像相比，2017年8月13日植被覆蓋度整體有所下降，且高植被覆蓋度植被、中高植被覆蓋度植被比例有所下降，低植被覆蓋和中等植被覆蓋度植被比例有所上升。8月較7月相比，青海湖的東部植被變化較小，青海湖的西部植被變化很明顯，西部中高覆蓋度植被明顯減少，低級覆蓋度植被明顯增多，可知8月比7月植被有所減少。圖4為青海湖周邊植被覆蓋度分布變化統(tǒng)計圖。2017年7月17日中高覆蓋度和高覆蓋度植被面積占比較大，分別為整個研究范圍的29%和27%，而中等覆蓋度植被則為總面積的14%。2017年8月13日植被覆蓋度發(fā)生了明顯變化，其中低級覆蓋度和中等覆蓋度植被面積明顯增多，低級覆蓋度植被覆蓋面積由原來的32520.58km2增加到40982.43km2，面積占比由原來的30%變?yōu)?8%；中等覆蓋度植被面積占比由原來的14%變?yōu)?9%，增加了5%；中高覆蓋度植被面積有所下降，面積占比由原來的29%變?yōu)?3%；高級覆蓋度植被則呈明顯的降低趨勢，面積占比由原來的27%變?yōu)?9%，降低了8%。大體呈現(xiàn)低級和中等覆蓋度面積增加，中高和高級覆蓋度面積減少的變化情況。

圖2 基于高分四號衛(wèi)星圖像的青海湖周邊植被覆蓋分布圖（2017-07-17）

圖3 基于高分四號衛(wèi)星圖像的青海湖周邊植被覆蓋分布圖（2017-08-13）

圖4 基于高分四號衛(wèi)星圖像的青海湖周邊植被覆蓋分布變化統(tǒng)計圖（2017年7月17日——8月13日）

2.在草原水情方面的應(yīng)用

利用高分四號2017年7月17日（圖5）和2017年8月13日（圖6）兩幅圖像對青海湖進行水體提取，結(jié)果展示如下。

依據(jù)研究范圍，對青海湖海北州左上：經(jīng)度99.597°，緯度37.275°；右下：經(jīng)度100.792°，緯度36.531°；中心點經(jīng)度100.210°，緯度36.93°，做水體面積提取。根據(jù)提取結(jié)果可得2017年7月17日，青海湖水域面積為4337.512km2；2017年8月13日，青海湖水域面積為4349.682km2，可知2017年中8月比7月水域面積略有擴張。

圖5 基于高分四號衛(wèi)星圖像的青海湖水體提取(2017-07-17)

圖6 基于高分四號衛(wèi)星圖像的青海湖水體提取(2017-08-13)

高分四號衛(wèi)星可以實現(xiàn)對一個地區(qū)的全時間重復(fù)觀測。鑒于高分四號衛(wèi)星的波段配置，在提取積雪分布時容易受到云的干擾，但高分四號可以對目標(biāo)連續(xù)凝視成像，通過對比不同時相高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可以有效剔除云等干擾引起的影響，并提取積雪覆蓋變化范圍，并通過與同期高分一號等衛(wèi)星數(shù)據(jù)對比，積雪覆蓋面積變化相對精度優(yōu)于80%，高分四號衛(wèi)星具有較好的積雪覆蓋變化監(jiān)測能力。

如圖7和圖8為高分四號衛(wèi)星對青海省青海湖周圍成像積雪范圍變化監(jiān)測圖。

圖7 高分四號衛(wèi)星對青海省青海湖周圍成像積雪范圍監(jiān)測圖（2017-01-22）

圖8 高分四號衛(wèi)星對青海省青海湖周圍成像積雪范圍監(jiān)測圖（2017-02-01）

3.在草原火情方面的應(yīng)用

自從高分四號衛(wèi)星投入使用至今，在青海省還沒有發(fā)生大型草原火災(zāi)災(zāi)害，但高分四號衛(wèi)星對國內(nèi)外森林火災(zāi)進行了多次觀測，且森林和草原火災(zāi)有相似的地方。圖9為澳大利亞火災(zāi)監(jiān)測圖像。雖然高分四號衛(wèi)星中波紅外空間分辨率為400m，但其靈敏度高和動態(tài)范圍寬，如果有1m左右見方的草原著火，高分四號衛(wèi)星就可以判斷有火災(zāi)，因此在干旱季節(jié)可以重點監(jiān)視草原情況，提前發(fā)現(xiàn)小火災(zāi)，將會為草原防火提供巨大幫助。

圖9 基于高分四號衛(wèi)星中波紅外圖像監(jiān)視森林大火（右中上白點為著火點）

4.在草原荒漠化方面的應(yīng)用

高分四號的可見光多譜段圖像可以對已有沙化土地進行分類，其精度可以和LandSat-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分類識別結(jié)果進行比較。針對固定/半固定沙地，高分四號數(shù)據(jù)的制圖精度為84.38%，高于LandSat-8數(shù)據(jù)的82.73%；針對流動沙地，高分四號數(shù)據(jù)的制圖精度為86.92%，略低于LandSat-8數(shù)據(jù)的89.13%。如圖10和11分別為高分四號和LandSat-8的草原荒漠化SVM（Support Vector Machine，指的是支持向量機，是常見的一種判別方法。在機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，是一個有監(jiān)督的學(xué)習(xí)模型，通常用來進行模式識別、分類以及回歸分析）信息監(jiān)視圖。

圖10 高分四號圖像SVM分類結(jié)果圖

圖11 LandSat-8衛(wèi)星圖像SVM分類結(jié)果圖

青海省草原在春秋季節(jié)風(fēng)多，沙塵會隨風(fēng)遷移。如果對沙帶隨風(fēng)遷移情況有動態(tài)掌握，將會對荒漠化治理有很大幫助。高分四號衛(wèi)星可以對500km×500km的范圍持續(xù)成像，并可以快速機動對整個青海省需要觀測的地方連續(xù)成像，因此，高分四號衛(wèi)星適合連續(xù)監(jiān)視沙帶的移動。

四、結(jié)束語

高分四號衛(wèi)星投入使用以來，已在青海省草原和水情監(jiān)測方面獲得應(yīng)用，雖然在草原防火和沙塵監(jiān)測方面還沒有得到實際驗證，但基于高分四號衛(wèi)星的高時間分辨率、寬覆蓋和良好的機動特征，將會在這些方面得到良好的應(yīng)用，也將會為以青海省為代表的全國各地的生態(tài)提供良好的服務(wù)。