高分1號衛星影像在福州市植被生態遙感監測中的應用

彭繼達

(福建省氣象科學研究所，福建 福州 350001)

高分衛星一般指高分辨率對地觀測衛星，主要特點是高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率，在精細化遙感應用中占有重要地位。我國在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》中就已將高分辨率對地觀測系統工程確立為重大專項之一。目前，我國高分系列衛星(簡稱GF)已發射了GF1、GF2、GF3、GF4、GF5和GF6，其中：GF3是C波段合成孔徑雷達成像衛星，主要用于對海洋目標的觀測；GF1、GF2、GF5和GF6為太陽同步軌道衛星；GF4為靜止軌道衛星[1-2]。

目前，高分衛星影像已應用于農業種植區、森林環境監測、國土資源利用等方面。例如：基于高分衛星影像特征監測水稻、小麥等農作物長勢情況，對農作物進行分類，對森林植被信息進行提取，對露天礦地進行監測等[3-7]。但在本研究檢索范圍內，關于高分衛星在福建省的應用研究報道甚少。在近幾年中國氣象局發布的全國植被生態指數監測公報中，福建省植被生態狀況排名一直處于全國前列，但福建省生態遙感監測方法主要基于風云系列、MODIS等中、低分辨率衛星，其最高空間分辨率為250 m[8]，對于小面積地物及地物的精細變化很難精確辨識，這在一定程度上限制了生態遙感監測向更精細化方向的發展。目前，高分辨率氣象衛星在福建省植被生態遙感監測中少有應用，所以，有必要在福建省區域內開展GF衛星生態遙感監測研究。本研究以福建省省會福州地區的GF1衛星影像為例，研究GF1衛星的預處理方法及其在植被生態遙感監測方面的應用。

1 GF1衛星影像預處理

1.1 GF1衛星影像數據獲取及影像特征

本研究所需GF1衛星影像數據由中國資源衛星應用中心提供。據了解，根據使用單位級別不同，中國資源衛星應用中心可提供不同程度的GF系列衛星影像數據。目前，比較常用的GF衛星影像儀器包括GF1-WFV、GF1-PMS、GF2-PMS、GF4-PMI。本研究以GF1-WFV1衛星影像儀器為例，介紹GF1衛星影像的預處理過程。GF1-WFV1衛星數據一般包含4個文件，分別為“文件名-WFV1.rpb”[16 m多光譜相機RPC(遠程過程調用)參數]、“文件名-WFV1.tiff”(16 m多光譜相機影像數據)、“文件名-WFV1.xml”(16 m多光譜相機輔助文件)、“文件名-WFV1_thumb.jpg”(16 m多光譜相機拇指圖)。GF1衛星有效載荷技術指標如表1所示。軌道參數如下：軌道類型，太陽同步回歸軌道；軌道高度，645 km；軌道傾角，98.0506°；降交點地方時，10:30(24小時制)；回歸周期，41 d。

表1 GF1衛星有效載荷技術指標

GF1衛星影像處理軟件有很多，其中商業軟件有ENVI、ERDAS、PCI、ArcGIS等，免費軟件有PIE、RSD等。本研究選用中國資源衛星應用中心指定的GF衛星處理軟件PIE。

1.2 GF1衛星影像輻射定標

輻射定標是使用衛星定標參數將衛星接收到的計數值(DN值)轉化為表觀輻亮度、表觀反射率等物理量的過程，是遙感信息定量化的前提與基礎。GF1衛星采用Empirical Line定標方法，利用兩個已知點的地面反射光譜值，計算影像上對應像元點的平均DN值，然后利用線性回歸求出增益和偏移值，建立DN值與地面反射光譜值之間的相互關系。GF1衛星影像數據定標公式為

L=VgainVDN+Vbias。

式中：L為表觀輻亮度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1；Vgain為定標斜率，單位為W·m-2·sr-1·μm-1；VDN為衛星載荷觀測值；Vbias為定標截距，單位為W·m-2·sr-1·μm-1。利用計算出的表觀輻亮度根據以下公式計算表觀反射率：

式中：ρ是表觀反射率；d是日地距離系數；VESUN是波段太陽輻照度；θ是太陽天頂角。

中國資源衛星應用中心每年聯合多家單位在中國遙感衛星輻射校正場(敦煌場，中心經緯度為94.32083°E、40.13750°N)開展在軌國產陸地觀測衛星絕對輻射定標試驗。絕對輻射定標試驗將完成多顆在軌衛星的多種載荷在高、中、低反射率3個場地的同步觀測，從而獲取衛星過境時場地的地表實測反射光譜數據、太陽輻射數據和大氣探空數據。

中國資源衛星應用中心利用試驗結果對在軌陸地觀測衛星的輻射特性進行監測和分析，并且每年發布衛星絕對輻射定標系數。

1.3 GF1衛星影像大氣校正和正射校正

大氣校正的目的是消除大氣對太陽和來自目標的輻射產生吸收和散射作用的影響，獲得地物反射率、輻射率、地表溫度等真實物理模型參數，其中包括消除大氣中水汽、CO2、O3和O2等對地物反射率的影響，消除大氣分子和氣溶膠散射的影響。大多數情況下，大氣校正同時也是反演地物真實反射率的過程。常見的大氣校正方法有輻射傳輸模型法、暗黑像元法、統計學模型法等。PIE的大氣校正模塊基于6S大氣輻射傳輸模型法設計。6S模型在假定無云大氣的情況下，考慮了水汽、CO2、O3、CO、N2O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題。同時，計算散射作用部分采用了高精度的SOS(successive order of scattering)方法。

正射校正是對影像空間和幾何畸變進行校正生成多中心投影平面正射圖像的處理過程，可以糾正儀器系統產生的幾何畸變，同時消除地形引起的幾何畸變。GF1衛星通過構建RPC模型進行正射校正，即利用有理函數糾正函數，將地面點大地坐標與其對應的像點坐標用比值多項式關聯起來。GF1衛星自帶的rpb格式文件里有正射校正需要的RPC系數。

圖1為利用PIE軟件進行輻射定標、大氣校正和正射校正處理后的福州市2018年2月13日11時(北京時)GF1-WFV1影像真彩圖，RGB分別對應3、2、1通道波段。

圖1 預處理后的福州GF1-WFV1真彩圖

2 GF1衛星影像反演福州市植被覆蓋度

2.1 GF1衛星影像反演植被覆蓋度算法

歸一化植被指數(NDVI)是植被生長狀態及植被覆蓋度的最佳指示因子，主要利用綠色植物強吸收可見光紅波段(0.6～0.7 μm)和高反射近紅外波段(0.7～1.1 μm)的特點對植被長勢進行遙感監測[9-10]。GF1衛星影像的3、4通道波段對應可見光紅波段和近紅外波段。

本研究利用NDVI和像元二分模型原理計算植被覆蓋度。像元二分模型的原理是，假設影像上一個像元的反射率可分為純植被部分反射率和非植被部分反射率2部分，則任一像元的反射率值可以表示為由植被覆蓋部分與非植被覆蓋部分的線性加權之和。根據像元二分模型原理，將1個像元的NDVI值表示為由有植被覆蓋部分地表與無植被覆蓋部分地表組成的形式。因此，計算植被覆蓋度的公式可表示為

式中，n為NDVI值，nsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，nveg代表完全由植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。根據整幅影像上NDVI的灰度分布，以0.5%置信度截取NDVI的上下限閾值分別近似代表nveg和nsoil[11-12]。采用GIS軟件的柵格計算器，計算所有影像的植被覆蓋度分布情況。將計算得到的植被覆蓋度(F)分為5個等級：F<10%，低植被覆蓋度；10%≤F<30%，較低植被覆蓋度；30%≤F<50%，中度植被覆蓋度；50%≤F<70%，較高植被覆蓋度；F≥70%，高植被覆蓋度。

2.2 基于植被覆蓋度的福州市植被長勢分析

利用2018年2月13日GF1衛星影像反演福州地區植被覆蓋度空間分布(圖2)。福州內陸地區山林面積廣闊，植被長勢良好，植被覆蓋度較高，大部分屬于高等級植被覆蓋度；長樂、連江、福清等沿海地區，以及福州市區、倉山、閩侯高新區等城市建設區，植被覆蓋度相對較低，主要為較低至中度植被覆蓋度。平潭綜合實驗區植被分布較少，大部分處于低植被覆蓋度范圍。總體上，福州內陸地區植被長勢明顯高于沿海地區，福州市區、倉山、閩侯高新區及平潭地區植被覆蓋度較低。

圖2 福州市植被覆蓋度等級

從不同等級植被覆蓋度面積統計(表2)可以看出：高植被覆蓋度的面積所占比例較大，占到了福州市總面積的55.40%；較高植被覆蓋度的面積為13.37%；中度和較低植被覆蓋度的面積較接近，占比分別為9.87%、8.26%；低植被覆蓋度地區面積占比為13.10%。總體來看，福州地區植被生長較好，植被生態環境較優。

表2 不同等級的植被覆蓋度面積統計

3 小結

GF1衛星影像具有高空間分辨率的優勢，和風云系列、MODIS等中、低空間分辨率衛星相比，能夠更準確地進行地物分類及地物特征監測，比如對植被長勢進行更精細的遙感監測和等級劃分。目前，遙感監測業務主要利用風云系列和MODIS、向日葵衛星數據。隨著生態遙感分析的更精細化發展，特別是監測臺風、洪澇等重大氣象災害局地破壞，傳統遙感監測方式難以滿足需求。本研究利用GF1衛星遙感影像對福州地區植被覆蓋區域進行精細化監測，為GF衛星的應用推進和精細化生態遙感監測分析提供一定參考。值得注意的是，GF衛星影像空間覆蓋范圍較中、低分辨率衛星低，比如GF1-VWF1一景圖的幅寬為800 km，所以更適用于局地精細化生態遙感監測及分析。