高分六号在农业资源遥感监测中的典型应用
摘要:与以往的高分系列卫星数据相比,高分六号(GF-6)卫星被业内人士称为“农业卫星”,究其原因在于其宽覆盖、高重访、高分辨率、多谱段特征,对区域尺度农业遥感监测应用需求的满足程度更高,更适合业务化应用。

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农业资源遥感监测的目标是通过遥感技术查清资源的数量、分布和质量。由于遥感技术的客观性、可视性、可溯性的特点,自20世纪70年代以来,遥感技术在农业资源调查中得到了广泛应用,监测内容不断丰富、监测的精度不断提高、监测尺度也在不断拓展。


我国历来重视遥感技术的发展及其在农业领域的应用。自高分辨率对地观测系统重大专项实施以来,高分系列卫星不仅给农业领域遥感应用提供丰富的数据源,为农业遥感技术的理论认知奠定了数据基础,也为农业遥感应用的数据安全提供了保证。与以往的高分系列卫星数据相比,高分六号(GF-6)卫星被业内人士称为“农业卫星”,究其原因在于其宽覆盖、高重访、高分辨率、多谱段特征,对区域尺度农业遥感监测应用需求的满足程度更高,更适合业务化应用。



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  GF-6卫星参数及农业资源遥感应用的优势

GF-6卫星于2018年6月2日在酒泉卫星发射中心成功发射,携带一台高分相机和一台宽幅相机。前者有2m空间分辨率的全色(PAN)、8m空间分辨率的4谱段多光谱(PMS)图像产品,后者有16m空间分辨率的8谱段多光谱(WFV)图像产品。


谱段范围PAN为0.45~0.90μm,PMS谱段设置为蓝、绿、红和近红外四个谱段,WFV则是在PMS谱段基础上增加了红边1、红边2、海岸蓝和黄四个谱段,按照谱段范围从小到大新编为0.40~0.45μm(B1海岸蓝谱段)、0.45~0.52μm(B2蓝谱段)、0.52~0.59μm(B3绿谱段)、0.59~0.63μm(B4黄谱段)、0.63~0.69μm(B5红谱段)、0.69~0.73μm(B6红边1谱段)、0.73~0.77μm(B7红边2谱段)、0.77~0.89μm(B8近红外谱段)。2m、8m、16m空间分辨率图像产品幅宽分别优于95km、优于95km和优于860km。


覆盖范围的优势:结合上述农业资源遥感监测的内容和需求分析,GF-6卫星的最大优势是实现了16m中空间分辨率全国陆地范围的高频率重访观测。


红边等新增谱段的优势:GF-6卫星新增各谱段对农作物识别精度都有一定的提升能力,尤以红边2的提升作用最为明显。


空间分辨率的优势:与其他高分卫星2m、8m数据相一致,GF-6卫星的两个高分辨率传感器数据,同样提高了农作物地物类型的识别精度。



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   GF-6卫星农业资源遥感监测的典型应用

由于GF-6卫星在载荷设计方面,充分考虑了农业行业应用特点,在重访周期、空间分辨率高低搭配、谱段设置等方面都给农业遥感监测提供了较大应用空间。从投入在轨运行以来,在当前农业资源遥感监测的所有领域,GF-6卫星都程度不同的得到了广泛应用,特别是在农作物种植领域的应用更为广泛,以下分别示例说明。如果没有特别说明,示例中的精度标准一般是指该类数据的最高识别能力。


1. 农业种植领域应用示例

农作物种植面积、农作物长势以及农作物产量是农作物种植领域监测最为核心的内容。图(a)是利用2020年4月22日GF-6WFV影像,基于格网化训练样本,采用随机森林分类方法提取的河北省东南部、山东省西北部区域的冬小麦分布图;图(b)是利用2018年7月31日影像,采用非监督分类结合目视修正方法,提取的河南省鹿邑县玉米、大豆、花生等大宗作物。采用格网化目视识别的样本点进行的精度验证结果表明,图中两个区域总体精度分别达到了94.6%和90.7%以上。该数据目前已经在农作物种植面积监测上广泛应用,并发挥了重要作用。

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基于 GF-6 WFV 影像的大宗农作物识别效果示例 



2. 畜牧水产养殖应用示例

随着人民生活水平的提高,畜牧水产养殖状况在农业生态环境和食品安全中受到越来越多的重视,成为农业生产信息获取的重要内容。下图是基于GF-6卫星2018年10月30日的PAN/PMS影像、2018年11月23日WFV数据,采用面向对象和目视解译相结合的分类方法,识别并提取了湖南省湘阴县陆地水产养殖水面的分布状况,采用与更高分辨率获取结果相比较的方法进行精度验证的结果表明,PAN/PMS结果相差1.4%,WFV结果相差15.3%,对面积精准量算和区域普查估计两种场景都具有较高的应用价值。


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GF-6 影像陆地水产养殖水面分布调查 



3. 设施农业应用示例

设施农业是“菜篮子”工程的基础和保证,当前已经成为城乡居民生活蔬菜的重要来源。下图是基于2018年9月22日的PAN/PMS,采用目视解译方法对河北省饶阳县局部区域的蔬菜大棚进行了识别。由图可见,夏季作物呈绿色,林地呈墨绿色,裸地呈土黄色,设施农业呈亮灰色。设施农业是人造地物,具有规则的几何外形和边界,在影像中其形状特征与图形结构清晰可辨。各地物光谱及纹理特征差异明显,可以很好地进行区分。采用地面实际测量结果进行精度评价,面积吻合度达到95.3%以上。

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基于 GF-6 PAN/PMS 融合数据的设施农业识别 


4. 农业工程应用示例

出于提高农业生产效率,改善农业生态环境的需要,各级政府、企业、个人在农业领域的投资越来越普遍,投资的力度也在逐步加强。


在我国东北地区,玉米大豆轮作休耕监测就是一个典型实例。下图是采用2018年9月9日GF-6WFV影像对玉米、大豆不同谱段组合效果的说明,(a)图为近红外、红边1和黄谱段进行合成的假彩色图像,(b)图是采用近红外、红、绿谱段合成的假彩色图像。影像范围内,水稻、玉米和大豆均处于成熟期,(a)图中暗红色区域是玉米种植区,橙色是大豆种植区,米白色是水稻种植区,影像的色彩纹理清晰,差异明显;相对(b)图采用传统近红外、红、绿谱段合成的假彩色图像的色彩更丰富,采用目视方法可以很好地区分。该数据及方案也已在我国东北地区监测中普遍采用。

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吉林敦化地区 GF-6 WFV 不同谱段组合的识别效果



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   GF-6卫星农业应用的启示

从农业应用的实际效果来看,GF-6卫星在国产卫星农业遥感中起到了承上启下的作用。主要体现在两个方面,一方面重访周期、谱段选择、空间分辨率等参数的设置更符合农业遥感监测应用要求,极大地推动了农业遥感监测数据的国产化应用;另一方面,系统化的数据获取能力,为农业遥感监测产品生产系统的研制带来稳定的数据源,也使生产系统的研制具有更高的价值和意义。


从农业遥感应用技术发展角度看,出于高效使用GF-6卫星的目的,卫星研制与应用部门紧密配合,强化了卫星设计系统性、高效性等星地一体化理念,进一步将星地一体化设计的理念向应用领域延伸,向农业应用领域延伸,这就给农业行业专业化的指标设计带来了契机,也将促进农业领域应用更为注重理论性、机理性的研究,对推动农业遥感理论研究具有积极的意义,也会为其他行业应用起到积极的示范作用。




来源:《卫星应用》2020年第12期

作者:刘佳、王利民、滕飞、姚保民、杨福刚、季富华李丹丹

编辑:陈飚

责编:王力


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