高分四号卫星植被参数反演系统与应用

2019-01-21北京大学国家减灾中心秦其明孙元亨张添源聂娟刘明

卫星应用 2018年12期

● 文 | .北京大学 .国家减灾中心秦其明孙元亨张添源聂娟刘明

一、引言

植被是陆表生态系统重要的组成部分，利用遥感手段开展植被监测已经广泛地应用于农业、林业和自然资源等关键部门。本文基于高分四号卫星（GF-4）数据特点，设计并开发了GF-4植被参数反演系统，并以内蒙古植被干旱监测为例介绍了该系统在植被遥感监测中的应用，旨在为GF-4卫星遥感数据和植被参数反演系统的后续业务化应用提供借鉴。

二、高分四号卫星特点

高分四号卫星是中国高分系列卫星中唯一的一颗静止轨道卫星，于2015年12月29日成功发射，2016年6月正式交付使用。中国资源卫星应用中心负责GF-4卫星的运营。卫星搭载的相机首次采用可见光近红外与中波红外共口径技术，实现可见光/红外共用一个口径，在进行拍摄时，相机还提供全色、红、绿、蓝、近红外等五种滤镜切换服务。

表1显示了GF-4卫星有效载荷（面阵凝视相机）各个谱段的相关参数。植被参数反演主要采用蓝光、绿光、红光、近红外四个波段提供的数据，其光谱响应函数如图1所示。

表1 GF-4卫星有效载荷技术指标

图1 GF-4卫星蓝光、绿光、红光和近红外波段的光谱响应函数

三、高分四号植被参数反演系统设计与开发

GF-4植被参数反演系统的功能主要是实现包括植被指数、植被覆盖度和叶面积指数三种植被参数的遥感反演产品的生产。针对植被参数反演系统的功能与遥感产品生产要求，系统模块设计在逻辑上构成三层结构：图像管理与处理层，主要包括GF-4卫星遥感数据的数据访问、数据管理与特征参数反演所需的通用基本图像处理功能；植被参数反演层，包括三种植被参数的遥感反演与产品生产涉及的功能模块；可视化表现层，包括为客户提供各功能模块的访问与可视化的各模块。

在系统设计完成后，针对GF-4卫星数据特征参数反演模块，编制软件开发规范，旨在统一组件开发标准、技术规范及代码规则，采用规范的组件技术和程序设计语言进行编程，实现并完善 “基于GF-4卫星数据的特征参数反演系统”。

植被参数反演层是整个系统设计与开发的重点。根据应用要求，系统提供的植被指数功能包括归一化植被指数（NDVI）、土壤调节植被指数（SAVI）和增强型植被指数（EVI）三种具体植被指数反演模块。植被覆盖度功能包括了基于NDVI计算植被覆盖度的模块、基于像元二分法计算植被覆盖度的模块。叶面积反演功能包括基于统计模型构建的植被叶面积指数（LAI）模块与基于物理模型反演LAI模块。反演植被参数的各个模块与植被参数反演系统的关系见图2。

图2 GF-4植被参数反演模块与系统的关系

利用高分四号遥感数据，基于本系统生产植被参数产品过程中，植被指数模块的输入为GF-4地表反射率产品，输出为对应单一时相的植被指数结果。其中，NDVI子模块支持对同一地区时序影像的读取，系统通过双向反射分布函数（BRDF）和MVC合成算法计算得到这一时段的NDVI合成结果。植被覆盖度模块的输入为基于单一时相GF-4地表反射率计算得到的NDVI产品。模块分别采用植被指数（NDVI）模型与像元二分模型实现植被覆盖度的计算，其中像元二分模型适用于中高纬度地区，植被指数模型适用于低纬度地区。叶面积指数模块不同算法所需的输入产品并不相同。统计模型构建的LAI模块，输入则为基于单幅GF-4地表反射率计算得到的NDVI产品；基于物理模型反演LAI，直接输入原始GF-4地表反射率产品，通过查找表获取LAI遥感产品。

四、高分四号卫星植被遥感应用

2016年入夏以来，内蒙古出现持续高温少雨天气，特别是东部地区尤为严重，锡林郭勒盟以东的盟市平均气温较常年偏高1°～2°，7月下旬以来高于35°的天数多达10多天；呼伦贝尔市的局部地区气温高达44.1°，突破历史极值。同时降水量较常年减少35%～75%，入汛两个多月来几乎没有有效降水，8月上旬降水量不足10mm，较常年少80%～100%，为历史最低。持续高温干旱造成严重旱灾。根据民政部国家自然灾害灾情报送系统统计，此次旱灾共造成呼伦贝尔市、赤峰市、通辽市、锡林郭勒盟、兴安盟、乌兰察布市、包头市、巴彦淖尔市、阿拉善盟等9个盟市59个旗县区438.8万人受灾，176.7万人因干旱需生活救助，农作物受灾面积2910千公顷，其中绝收832千公顷，草场受灾面积31079千公顷，直接经济损失139.5亿元。

为此，国家减灾中心利用GF-4卫星等遥感数据对呼伦贝尔、锡林郭勒盟和赤峰等地2016年6—8月的干旱状况进行监测，通过不同时相NDVI图对比揭示了内蒙古等地域的干旱演变（见图3），2016年入夏后，内蒙古锡林郭勒、呼伦贝尔等地植被指数逐步减少，7月下旬开始牧草、农作物等长势越来越差。尤其是8月中上旬，部分地区植被受旱最为严重。2016年内蒙古干旱地区不同时相NDVI差值对比进一步揭示了干旱致灾程度与旱灾空间分布（见图4）。分析结果显示：受长期无显著降水，以及8月初罕见高温天气的影响，呼伦贝尔市与锡林郭勒盟之间草原大面积遭受旱灾。GF-4卫星数据的高时间分辨率与高空间分辨率的特性，明显提高了监测大面积干旱方面的能力。