孫晨曦 萬(wàn)華偉 寧可欣
(1 生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094)(2 遼寧工程技術(shù)大學(xué),遼寧阜新 123000)
植被生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,在我國(guó)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用,也是生物多樣性監(jiān)測(cè)和全球碳循環(huán)的核心研究?jī)?nèi)容。隨著定量遙感技術(shù)的快速發(fā)展,植被生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)的精度也越來(lái)越高,已經(jīng)成為區(qū)域或全球尺度上植被生態(tài)系統(tǒng)功能不可缺少的技術(shù)手段。遙感技術(shù)能夠從不同尺度上獲取植被監(jiān)測(cè)信息,近年來(lái)中高分辨率遙感數(shù)據(jù)已逐步成為植被遙感監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)之一。
在過(guò)去很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),我國(guó)用來(lái)監(jiān)測(cè)植被的中等空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要為美國(guó)NASA的陸地衛(wèi)星(Landsat)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[1]使用Landsat衛(wèi)星的專題繪圖儀(TM)和增強(qiáng)型專題繪圖儀(ETM+)多光譜遙感影像,利用面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)影像進(jìn)行分割和分類,對(duì)濕地的水生植被進(jìn)行提取。文獻(xiàn)[2]基于像元二分模型,使用Landsat-5/8衛(wèi)星遙感影像和數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù),對(duì)岷江汶川-都江堰段植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè),分析了植被覆蓋度的空間格局變化和與地形特征的關(guān)系,以及汶川地震前后植被受損恢復(fù)情況。文獻(xiàn)[3]選用了Landsat的TM/ETM多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù),根據(jù)地物不同光譜特征和時(shí)序特征,建立了地表覆蓋分類和植被地表類型變化探測(cè)的決策樹(shù)算法,對(duì)三江平原七臺(tái)河地區(qū)進(jìn)行地物遙感自動(dòng)分類和植被地表覆蓋變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[4]基于Landsat遙感圖像的時(shí)間序列監(jiān)測(cè)美國(guó)東部國(guó)家森林保護(hù)區(qū)的森林覆蓋情況,精度達(dá)到80%。文獻(xiàn)[5]使用1974-2012年的Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù),研究中國(guó)陜西榆林地區(qū)造林重建和砍伐林地情況,總體精度為89.1%,研究結(jié)果證實(shí)陸地衛(wèi)星圖像時(shí)間序列在探測(cè)森林變化和估計(jì)人工林樹(shù)齡方面的潛力。
我國(guó)高分一號(hào)衛(wèi)星于2013年成功發(fā)射升空,作為中國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的首發(fā)星,結(jié)合了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋等光學(xué)遙感的關(guān)鍵性技術(shù),提高了對(duì)地觀測(cè)的效率和總體觀測(cè)能力,在植被監(jiān)測(cè)方面也發(fā)揮著巨大作用。高分系列衛(wèi)星陸續(xù)升空,延續(xù)了早期環(huán)境一號(hào)等國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的中分辨率數(shù)據(jù)的應(yīng)用,同時(shí)為我國(guó)中高分辨率植被遙感監(jiān)測(cè)持續(xù)提供了空間更為廣泛、時(shí)間更為連續(xù)的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[6]以杭州灣河口濕地植物為研究對(duì)象,利用地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和高分一號(hào)衛(wèi)星影像相結(jié)合,并探討了物種多樣性監(jiān)測(cè)的最佳遙感尺度,研究表明高分一號(hào)衛(wèi)星可快速有效地監(jiān)測(cè)杭州灣河口濕地植物物種多樣性水平。文獻(xiàn)[7]基于高分二號(hào)衛(wèi)星4 m多光譜遙感影像,采用最大似然法和支持向量機(jī)方法的分類方法,對(duì)四川省甘孜州道孚縣內(nèi)樹(shù)種進(jìn)行識(shí)別,研究結(jié)果表明,采用的兩種方法識(shí)別出研究區(qū)域主要樹(shù)種的精度均高于80%。文獻(xiàn)[8]以黑龍江松嫩平原北部為研究區(qū),使用國(guó)內(nèi)首個(gè)提供紅邊波段的多光譜高分六號(hào)衛(wèi)星影像,構(gòu)建紅邊植被指數(shù)波段,研究紅邊特征在農(nóng)作物識(shí)別中的表現(xiàn)和識(shí)別精度。結(jié)果表明高分六號(hào)衛(wèi)星紅邊特征在作物識(shí)別中表現(xiàn)優(yōu)越,使得識(shí)別精度顯著提高,可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)遙感中。文獻(xiàn)[9]使用高分二號(hào)衛(wèi)星圖像,繪制中國(guó)北京通州區(qū)核心區(qū)的森林覆蓋圖。結(jié)果證明對(duì)于城市森林地圖,在高分二號(hào)分類中有87.43%的森林面積與參考森林地圖中的面積相對(duì)應(yīng)。因此高分二號(hào)圖像可以作為改善城市植被管理和了解城市生態(tài)系統(tǒng)的有價(jià)值的高分辨率數(shù)據(jù)源。文獻(xiàn)[10]以中國(guó)黃河三角洲為研究區(qū),使用決策樹(shù)分類的方法,利用高分二號(hào)衛(wèi)星遙感圖像檢測(cè)中國(guó)檉柳和蘆葦植被斑塊內(nèi)的中國(guó)檉柳群落。研究表明,使用高分二號(hào)數(shù)據(jù)檢測(cè)檉柳群落樣本,正確檢出率為73.5%。未來(lái)需要更多的植物群落樣本和多季節(jié)圖像,如晚秋早冬落葉數(shù)據(jù),以進(jìn)一步提高檢測(cè)精度。文獻(xiàn)[11]以甘肅民勤盆地為研究區(qū),使用高分六號(hào)衛(wèi)星的兩個(gè)紅邊帶,并提出一種新的植被指數(shù)(歸一化差分紅邊指數(shù),RENDVI),計(jì)算干旱荒漠區(qū)植被覆蓋率。研究表明基于紅邊帶估計(jì)植被覆蓋度是可行和可靠的,具有高時(shí)間和空間分辨率的高分六號(hào)衛(wèi)星寬視野(WFV)數(shù)據(jù)為植被覆蓋度的遠(yuǎn)程傳感估計(jì)提供了新的數(shù)據(jù)源。
環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B(HJ-2A/B)衛(wèi)星于2020年9月27日采用長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載一箭雙星發(fā)射升空,相比于環(huán)境減災(zāi)一號(hào)衛(wèi)星,在數(shù)據(jù)獲取能力、技術(shù)性能和遙感數(shù)據(jù)精度方面上有很大提升。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為5年,其中兩顆衛(wèi)星都配置了包括16 m相機(jī)、高光譜成像儀、紅外相機(jī)、大氣校正儀在內(nèi)的4種遙感載荷,可提供16 m多光譜(CCD)、48 m高光譜(HSI)和48 m/96 m紅外圖像(IRS)數(shù)據(jù)。HJ-2A/B衛(wèi)星可與裝備了16m相機(jī)的高分一號(hào),高分六號(hào)衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行,16 m相機(jī)1天可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,紅外相機(jī)2天可實(shí)現(xiàn)覆蓋觀測(cè)。HJ-2A/B衛(wèi)星的成功發(fā)射,為實(shí)現(xiàn)大范圍、全天候、全天時(shí)中分辨率全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)提供重要數(shù)據(jù)支撐[12-13]。本文選取以北方暖溫帶落葉林為主的黃龍縣和以南方亞熱帶常綠林為主的開(kāi)化縣為研究區(qū),對(duì)HJ-2A/B衛(wèi)星CCD影像和高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星WFV影像的植被遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以研究HJ-2A/B衛(wèi)星在植被監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用情況。
黃龍縣位于陜西省中北部,延安市東南緣,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。該縣屬于國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、國(guó)家生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域,是國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)示范縣,境內(nèi)及周邊有陜西延安黃龍山褐馬雞國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、陜西黃龍山次生林省級(jí)自然保護(hù)區(qū)等重要生態(tài)空間,生態(tài)狀況優(yōu)良,植被覆蓋率高。該地區(qū)植被以暖溫帶落葉闊葉林為主,森林覆蓋率約87%,森林、草地、農(nóng)田、園地等植被總面覆蓋率達(dá)95%以上。
開(kāi)化縣位于浙江省西部,衢州市西北部,屬亞熱帶季風(fēng)氣候。同樣,該縣屬于國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、國(guó)家生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域,是國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)示范縣。境內(nèi)有古田山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、錢江源國(guó)家森林公園等重要生態(tài)空間,我國(guó)首批10個(gè)國(guó)家公園試點(diǎn)之一的錢江源國(guó)家公園位于該縣。該地區(qū)植被以亞熱帶常綠闊葉林為主,森林覆蓋率約81%,森林、草地、農(nóng)田、園地等植被總面覆蓋率近95%。
本文選取陜西省黃龍縣和浙江省開(kāi)化縣作為研究區(qū),對(duì)于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)的落葉林和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的常綠林的植被的中高分辨率遙感監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)有一定的代表性。
植被指數(shù)通常是指根據(jù)植被的光譜特征,將遙感數(shù)據(jù)可見(jiàn)光和近紅外波段等進(jìn)行組合而形成的。植被指數(shù)能很好的反映植被的長(zhǎng)勢(shì)特征,且計(jì)算簡(jiǎn)便,是當(dāng)下植被遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化應(yīng)用的普遍指標(biāo),其中歸一化植被指數(shù)(NDVI)最為常用。
(1)
式中:NNDVI為歸一化植被指數(shù);ρNIR為近紅外波段的地表反射率;ρRed為紅光波段的地表反射率。
本文利用HJ-2A/B衛(wèi)星CCD傳感器影像和GF-1衛(wèi)星WFV傳感器影像,計(jì)算獲得研究區(qū)的NDVI數(shù)據(jù),通過(guò)目視對(duì)比以及統(tǒng)計(jì)值、直方圖、散點(diǎn)圖等對(duì)比,分析不同時(shí)間的兩衛(wèi)星準(zhǔn)同步影像的監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異。
1)數(shù)據(jù)概況
本文所使用的HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)為16 m分辨率的CCD光學(xué)傳感器所獲得的遙感影像,包含藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅外等五個(gè)波段;所使用的GF-1衛(wèi)星衛(wèi)星數(shù)據(jù)為16 m分辨率的WFV光學(xué)傳感器所獲得的遙感影像,包含藍(lán)、綠、紅、近紅外等4個(gè)波段。兩種遙感數(shù)據(jù)空間分辨率、幅寬、重訪周期一致,主要波段光譜范圍相似,具體參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 GF-1 WFV和HJ-2A/B CCD光學(xué)傳感器相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of GF-1 WFV and HJ-2A/B CCD
2)數(shù)據(jù)選取
黃龍縣冬季天氣寒冷干燥,降水稀少;春季暖氣團(tuán)勢(shì)力增強(qiáng),氣溫回升較快,降水相對(duì)增多;夏季受蒙古氣旋和太平洋副熱帶海洋氣團(tuán)影響,天氣溫暖多雨;秋季冷暖空氣交替出現(xiàn),秋初氣溫緩慢降低,多連陰雨天氣。該地區(qū)植被以落葉林為主,植被受天氣影響明顯,因此綜合考慮植被長(zhǎng)勢(shì)、影像云覆蓋情況、兩衛(wèi)星成像時(shí)間一致性,選取春夏兩季(5月和8月各一期)的影像進(jìn)行研究。
開(kāi)化縣氣候溫暖濕潤(rùn),雨量豐沛,4-9月為汛期,降水較多,其中5-7月的梅汛期降水集中,7-9月受副熱帶高壓影響天氣炎熱,午后常有強(qiáng)對(duì)流天氣。該地區(qū)植被以常綠林為主,較北方而言,植被長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定,但由于春夏季主要為汛期,云雨較多,對(duì)遙感監(jiān)測(cè)造成影響。因此綜合考慮天氣狀況、影像云覆蓋情況、兩衛(wèi)星成像時(shí)間一致性,選取秋季(9月和11月各一期)影像進(jìn)行研究。具體時(shí)間見(jiàn)表2。
表2 遙感影像選取情況Table 2 Selection of remote sensing images
3)數(shù)據(jù)處理
為保證植被監(jiān)測(cè)所需參數(shù)的有效性,需對(duì)影像進(jìn)行大氣校正。本文利用6s模型(second simulation of the satellite signal in the solar spectrum)對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正,形成地表反射率數(shù)據(jù)。6s模型是在5s模型基礎(chǔ)上發(fā)展,除考慮水汽、CO2、O3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)題外,該模型還考慮了海拔高度、非朗伯平面的情況和CH4、NO2、CO等新的氣體類型,并提高了散射的計(jì)算精度,更好的模擬了太陽(yáng)光傳輸過(guò)程中所受的大氣影響。
本文主要研究?jī)尚l(wèi)星遙感影像在植被監(jiān)測(cè)應(yīng)用的對(duì)比情況,因此對(duì)于相對(duì)幾何精度有一定的要求。本文先根據(jù)研究區(qū)范圍,對(duì)遙感影像進(jìn)行拼接和裁剪,然后以GF-1衛(wèi)星影像為基準(zhǔn),對(duì)同區(qū)域準(zhǔn)同步的HJ-2A/B衛(wèi)星影像進(jìn)行相對(duì)幾何校正。研究區(qū)及周邊,幾何校正控制點(diǎn)不少于50個(gè),較平坦地區(qū)相對(duì)幾何精度小于5個(gè)像元,部分地形復(fù)雜、影像畸變大的地區(qū),精度放寬至10個(gè)像元。
利用處理后的影像,根據(jù)式(1)計(jì)算獲得研究區(qū)的NDVI數(shù)據(jù),并扣除小于0的部分。雖然進(jìn)行了相對(duì)幾何校正,但為進(jìn)一步保證兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可比性,現(xiàn)對(duì)上述NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行尺度上推,按照50倍像元進(jìn)行聚合。
總體來(lái)說(shuō),環(huán)境2號(hào)能較好的反應(yīng)植被的分布特征和長(zhǎng)勢(shì)變化,見(jiàn)圖1、2。以黃龍縣為例,其西南地區(qū)以農(nóng)田為主,其他近90%的地區(qū)以林地為主,環(huán)境2號(hào)的兩期數(shù)據(jù)都能反映出林地NDVI高于農(nóng)田。此外,5月份的HJ-2A/B NDVI中,西南地區(qū)農(nóng)田NDVI較小,尚未體現(xiàn)出明顯的植被特征,相比之下林地NDVI則有明顯的植被特征;而8月份,農(nóng)田NDVI較5月份有明顯的增加,林業(yè)也有所增加。這與農(nóng)田春播夏耕的耕種規(guī)律和落葉林春季返青、夏季生長(zhǎng)的物候特征想一致。但通過(guò)對(duì)比可見(jiàn),無(wú)論是不同區(qū)域還是不同時(shí)間,高分1號(hào)的NDVI普遍高于HJ-2A/B NDVI。
圖1 黃龍縣NDVI分布圖Fig.1 NDVI distribution of Huanglong County
圖2 開(kāi)化縣NDVI分布圖Fig.2 NDVI distribution of Kaihua County
對(duì)像元聚合后的NDVI進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表3所示。黃龍縣8月HJ-2A/B衛(wèi)星NDVI比5月平均高0.11,而GF-1衛(wèi)星NDVI的該值為0.14;開(kāi)化縣11月HJ-2A/B衛(wèi)星NDVI比9月平均低0.18,而GF-1衛(wèi)星NDVI的該值為0.03。結(jié)合圖3,結(jié)果表明HJ-2A/B衛(wèi)星CCD能較好的反映植被在不同時(shí)期的總體變化狀況,但兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)于變化的敏感性不同,相比GF-1衛(wèi)星NDVI來(lái)說(shuō),HJ-2A/B衛(wèi)星NDVI對(duì)黃龍縣植被長(zhǎng)勢(shì)向好的敏感性稍弱,對(duì)開(kāi)化縣植被長(zhǎng)勢(shì)減弱的敏感性較強(qiáng)。
表3 NDVI總體統(tǒng)計(jì)情況Table 3 Overall statistics of NDVI
此外,較GF-1衛(wèi)星來(lái)說(shuō),黃龍縣5月和8月的HJ-2A/B衛(wèi)星NDVI平均低了0.11和0.14,開(kāi)化縣9月和11月的HJ-2A/B衛(wèi)星NDVI平均低了0.12和0.26。結(jié)合圖3,HJ-2A/B衛(wèi)星NDVI總體低于GF-1衛(wèi)星NDVI,結(jié)果表明,HJ-2A/B衛(wèi)星NDVI在監(jiān)測(cè)植被長(zhǎng)勢(shì)時(shí)普遍存在低估現(xiàn)象。
圖3 NDVI統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.3 Histogram of NDVI
對(duì)比準(zhǔn)同步的像元聚合后的GF-1 NDVI和HJ-2A/B NDVI,并計(jì)算差值,NDVI及差值分布情況見(jiàn)圖4、5。結(jié)果顯示,對(duì)于黃龍縣春季(5月)來(lái)說(shuō),NDVI越大的區(qū)域,HJ-2A/B NDVI較GF-1 NDVI偏低的程度越大,對(duì)于夏季(8月)則相反,NDVI越大的區(qū)域,HJ-2A/B NDVI偏低的程度越??;對(duì)于開(kāi)化縣初秋(9月)來(lái)說(shuō),NDVI越大的區(qū)域,HJ-2A/B NDVI偏低的程度越小,對(duì)于秋末(11月)則相反,NDVI越大的區(qū)域,HJ-2A/B NDVI偏低的程度越大。結(jié)果表明,植被長(zhǎng)勢(shì)較好時(shí)(NDVI較大),HJ-2A/B NDVI較GF-1 NDVI偏低的程度較小,植被長(zhǎng)勢(shì)較差時(shí)(NDVI較小),HJ-2A/B NDVI較GF-1 NDVI偏低的程度較大。
圖4 黃龍縣NDVI差異的空間分布Fig.4 Distribution of difference of NDVI in Huanglong County
圖5 開(kāi)化縣NDVI差異的空間分布Fig.5 Distribution of difference of NDVI in Kaihua County
利用準(zhǔn)同步的像元聚合后的GF-1 NDVI和HJ-2A/B NDVI,建立兩者的散點(diǎn)圖,并建立線性相關(guān)關(guān)系,如圖6,結(jié)果顯示,GF-1 NDVI總體明顯高于HJ-2A/B NDVI,但一致性較好。黃龍縣的5月和8月的兩種NDVI的相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.91和0.86,開(kāi)化縣的9月份兩種NDVI的相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.88。結(jié)果表明,GF-1和HJ-2A/B衛(wèi)星在植被監(jiān)測(cè)方面來(lái)說(shuō),總體上有偏差,但兩者有很好的一致性。
圖6 NDVI的散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter diagram of NDVI
本文選取了以北方暖溫帶落葉林為主的黃龍縣和以南方亞熱帶常綠林為主的開(kāi)化縣為研究區(qū),通過(guò)HJ-2A/B衛(wèi)星CCD影像和GF-1衛(wèi)星WFV影像的處理、植被指數(shù)計(jì)算、結(jié)果對(duì)比,分析了兩者在植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)方面的差異,得出以下結(jié)論,并提出相關(guān)建議。
(1)HJ-2A/B衛(wèi)星CCD影像數(shù)據(jù)能較好的應(yīng)用于植被監(jiān)測(cè),分析結(jié)果符合植被在空間上的分布特征和時(shí)間上的變化特征。
(2)HJ-2A/B衛(wèi)星CCD影像數(shù)據(jù)的植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(用NDVI反映)普遍低于GF-1衛(wèi)星WFV影像數(shù)據(jù),且對(duì)于長(zhǎng)勢(shì)變化的敏感性不同,但兩者有很好的相關(guān)性。
(3)兩衛(wèi)星對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異與植被長(zhǎng)勢(shì)高低有關(guān)。植被長(zhǎng)勢(shì)較好時(shí)(NDVI較大),HJ-2A/B衛(wèi)星NDVI較GF-1衛(wèi)星NDVI偏低的程度較小,植被長(zhǎng)勢(shì)較差時(shí)(NDVI較小),HJ-2A/B衛(wèi)星NDVI較GF-1衛(wèi)星NDVI偏低的程度較大。
(4)兩衛(wèi)星在植被監(jiān)測(cè)方面有較好的相關(guān)性,且兩者在波段設(shè)置、重訪周期等方面較為一致,因此可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)觀測(cè),提供更廣的空間范圍和更連續(xù)的時(shí)間跨度。但本文中兩者對(duì)比發(fā)現(xiàn)仍有一定的差異,這可能來(lái)源于大氣校正參數(shù)選擇的差異、研究區(qū)地形造成的影像畸變,以及太陽(yáng)照射和衛(wèi)星觀測(cè)的天頂角和方位角的差異等。因此組網(wǎng)觀測(cè)需基于精確的大氣校正、地形校正,做好數(shù)據(jù)同化,確保不同載荷數(shù)據(jù)的一致。