高分四号卫星在青海省草原生态环境监测中的应用

2019-01-21

卫星应用 2018年12期

王成伦1 李果1 张强1 孔祥皓1 裴青生2 杨桦1 陈卓一1

一、概述

青海省是国家安全的战略纵深区、生态保护的战略屏障区和生态环境脆弱区，青海省地处青藏高原腹地，是长江、黄河、澜沧江的三江源发源地，有“中华水塔”之称。青海省是国内高原生物多样性最集中的地区，是亚洲、北半球乃至全球气候变化的敏感区，特殊的地理位置、丰富的自然资源、重要的生态功能使其成为我国青藏高原生态安全屏障的重要组成部分。由于受到气候与人类活动的共同影响，青海地区生态系统持续退化，受到了国内外各界的普遍关注。

青海省东西长约1800km，南北长约900km，其中52%以上为草原。草原是青海生态环境中最重要的环节，草原的四情“草情、水情、疫情和鼠情”是关键要素，其中“草情和水情”可以采用高分遥感系列卫星提供服务支撑。基于国内现有低轨遥感卫星或无人机等重访时间长和覆盖范围窄等限制，绘制一幅完整的青海省草原图像需要3个月以上，而青海省每年青草生长时间为3个半月左右，这对草原草情的及时掌握，以及草原畜牧的智能调配都有很大制约，难以满足青海省在1周之内重访一遍的要求。高分四号卫星（GF-4）具有时间分辨率高、幅宽大等特点，可见光多谱段和红外谱段设置，非常适合青海省草原草情、水情和草原火情等要素的观测。

二、高分四号卫星介绍及应用分析

1.高分四号卫星情况介绍

高分四号卫星是国家高分辨率对地观测系统民用系列中唯一的一颗高轨光学卫星，能够提供高时间分辨率、大幅宽和50m空间分辨率的遥感数据，为减灾、气象、地震、林业、环保和其他行业业务系统的应急需要提供支持。

高分四号卫星采用新研制的高轨遥感卫星平台，承载可见光和中波红外共口径的光学相机，配置0.5N·m大力矩动量轮实现卫星姿态快速机动，能够在30s内实现整星机动0.64°并稳定，具备对突发事件的快速响应能力。卫星成像工作模式主要为：凝视模式、区域模式和机动巡查等模式。

2.高分四号卫星图像在草原生态环境方面的应用分析

青海省草原生态环境要素主要有草原草情、水情、火情和沙尘覆盖等，这些通过卫星遥感技术可以进行监测。高分四号卫星的载荷为可见光近红外和中波红外共口径设置的凝视成像相机，其谱段设置、空间分辨率设计和通过卫星机动实现的广域的可视范围等，都可为上述的监测要素提供支持。

草原草情监视主要通过植被指数来进行反演。植被指数主要通过归一化差分植被指数（NDVI）来描述。NDVI又称标准差异植被指数，主要用来检测植被生长状态、植被覆盖度和消除部分辐射误差等。NDVI的表达式为：

式中，NIR表示近红外区的观测值；VIS表示可见光区的观测值（在分光的情况下为红色区）。高分四号卫星分别设置了近红外和红色谱段，这为观测NDVI提供了基础；且高分四号卫星每幅图像幅面为500km×500km以上，通过6次观测就可以覆盖青海省全境，见图1所示；算上成像时间、数据下传及卫星机动时间，观测一次青海省全境的植被指数的时间在10min之内。

高分四号卫星全色和彩色谱段的空间分辨率都为50m，且VNIR通道采用10bit量化，量化分层数为1024，其灰度值和空间分辨率设置满足水体覆盖监测的需要。

一般森林和草原火点的温度为500～600K，其发热辐射峰值为3～5μm，使用中波红外手段可以对火点进行有效检测，及时发现森林和草原火灾，准确定位着火地点，实时掌握火灾发展态势，为救灾工作提供强有力的保障措施。高分四号卫星中波红外谱段设置为3.5μm - 4.1μm，NE T≤0.2K@350K，动态范围为240K～650K，满足草原火灾的监测。

图1 高分四号卫星通过6次观测覆盖青海省全境示意图（有重叠）

由于黄色谱段为大气吸收谱段，高分四号卫星没有设置黄色谱段，不能直接对泥沙进行监视，但青海省草原颜色比较单一，除了绿色草原和蓝色水体外，其他主要是沙尘覆盖，但草原和水体可以通过高分四号卫星直接观测，因此沙尘也可以间接观测。

三、高分四号卫星图像在青海省草原生态环境监测方面的应用

1.在草原草情方面的应用

对青海湖周边2017年7月17日和2017年8月13日两幅高分四号卫星影像进行植被覆盖度的提取，提取结果图及相关分析如下：

依据研究范围，对青海省海北州左上：经度98.038°，纬度39.149°；右下：经度102.664°，纬度36.750°；中心点经度100.192°，纬度37.721°，基于混合像元分解法进行植被覆盖度信息提取。并为了更好地研究植被覆盖度的空间变化，将植被覆盖度划分为四个等级，低级植被覆盖度（0～30%），中等植被覆盖度（30%～50%），中高植被覆盖度（50%～80%），高植被覆盖度（80%～100%）。从图2和图3植被覆盖分布图可以看出，整个研究范围来说，最东北部以及青海湖植被覆盖度最低，为低级植被覆盖，植被覆盖为0-30%；青海湖的北部以及东部植被大多为高植被覆盖，植被长势较好，而青海湖西部接近边缘地区植被覆盖度较低，为中等植被覆盖分布。2017年8月13日影像部分地区有云覆盖，与2017年7月17日影像相比，2017年8月13日植被覆盖度整体有所下降，且高植被覆盖度植被、中高植被覆盖度植被比例有所下降，低植被覆盖和中等植被覆盖度植被比例有所上升。8月较7月相比，青海湖的东部植被变化较小，青海湖的西部植被变化很明显，西部中高覆盖度植被明显减少，低级覆盖度植被明显增多，可知8月比7月植被有所减少。图4为青海湖周边植被覆盖度分布变化统计图。2017年7月17日中高覆盖度和高覆盖度植被面积占比较大，分别为整个研究范围的29%和27%，而中等覆盖度植被则为总面积的14%。2017年8月13日植被覆盖度发生了明显变化，其中低级覆盖度和中等覆盖度植被面积明显增多，低级覆盖度植被覆盖面积由原来的32520.58km2增加到40982.43km2，面积占比由原来的30%变为38%；中等覆盖度植被面积占比由原来的14%变为19%，增加了5%；中高覆盖度植被面积有所下降，面积占比由原来的29%变为23%；高级覆盖度植被则呈明显的降低趋势，面积占比由原来的27%变为19%，降低了8%。大体呈现低级和中等覆盖度面积增加，中高和高级覆盖度面积减少的变化情况。

图2 基于高分四号卫星图像的青海湖周边植被覆盖分布图（2017-07-17）

图3 基于高分四号卫星图像的青海湖周边植被覆盖分布图（2017-08-13）

图4 基于高分四号卫星图像的青海湖周边植被覆盖分布变化统计图（2017年7月17日——8月13日）

2.在草原水情方面的应用

利用高分四号2017年7月17日（图5）和2017年8月13日（图6）两幅图像对青海湖进行水体提取，结果展示如下。

依据研究范围，对青海湖海北州左上：经度99.597°，纬度37.275°；右下：经度100.792°，纬度36.531°；中心点经度100.210°，纬度36.93°，做水体面积提取。根据提取结果可得2017年7月17日，青海湖水域面积为4337.512km2；2017年8月13日，青海湖水域面积为4349.682km2，可知2017年中8月比7月水域面积略有扩张。

图5 基于高分四号卫星图像的青海湖水体提取(2017-07-17)

图6 基于高分四号卫星图像的青海湖水体提取(2017-08-13)

高分四号卫星可以实现对一个地区的全时间重复观测。鉴于高分四号卫星的波段配置，在提取积雪分布时容易受到云的干扰，但高分四号可以对目标连续凝视成像，通过对比不同时相高分四号卫星数据，可以有效剔除云等干扰引起的影响，并提取积雪覆盖变化范围，并通过与同期高分一号等卫星数据对比，积雪覆盖面积变化相对精度优于80%，高分四号卫星具有较好的积雪覆盖变化监测能力。

如图7和图8为高分四号卫星对青海省青海湖周围成像积雪范围变化监测图。

图7 高分四号卫星对青海省青海湖周围成像积雪范围监测图（2017-01-22）

图8 高分四号卫星对青海省青海湖周围成像积雪范围监测图（2017-02-01）

3.在草原火情方面的应用

自从高分四号卫星投入使用至今，在青海省还没有发生大型草原火灾灾害，但高分四号卫星对国内外森林火灾进行了多次观测，且森林和草原火灾有相似的地方。图9为澳大利亚火灾监测图像。虽然高分四号卫星中波红外空间分辨率为400m，但其灵敏度高和动态范围宽，如果有1m左右见方的草原着火，高分四号卫星就可以判断有火灾，因此在干旱季节可以重点监视草原情况，提前发现小火灾，将会为草原防火提供巨大帮助。

图9 基于高分四号卫星中波红外图像监视森林大火（右中上白点为着火点）

4.在草原荒漠化方面的应用

高分四号的可见光多谱段图像可以对已有沙化土地进行分类，其精度可以和LandSat-8卫星数据的分类识别结果进行比较。针对固定/半固定沙地，高分四号数据的制图精度为84.38%，高于LandSat-8数据的82.73%；针对流动沙地，高分四号数据的制图精度为86.92%，略低于LandSat-8数据的89.13%。如图10和11分别为高分四号和LandSat-8的草原荒漠化SVM（Support Vector Machine，指的是支持向量机，是常见的一种判别方法。在机器学习领域，是一个有监督的学习模型，通常用来进行模式识别、分类以及回归分析）信息监视图。