高分1号卫星影像在福州市植被生态遥感监测中的应用

彭继达

(福建省气象科学研究所，福建 福州 350001)

高分卫星一般指高分辨率对地观测卫星，主要特点是高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率，在精细化遥感应用中占有重要地位。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中就已将高分辨率对地观测系统工程确立为重大专项之一。目前，我国高分系列卫星(简称GF)已发射了GF1、GF2、GF3、GF4、GF5和GF6，其中：GF3是C波段合成孔径雷达成像卫星，主要用于对海洋目标的观测；GF1、GF2、GF5和GF6为太阳同步轨道卫星；GF4为静止轨道卫星[1-2]。

目前，高分卫星影像已应用于农业种植区、森林环境监测、国土资源利用等方面。例如：基于高分卫星影像特征监测水稻、小麦等农作物长势情况，对农作物进行分类，对森林植被信息进行提取，对露天矿地进行监测等[3-7]。但在本研究检索范围内，关于高分卫星在福建省的应用研究报道甚少。在近几年中国气象局发布的全国植被生态指数监测公报中，福建省植被生态状况排名一直处于全国前列，但福建省生态遥感监测方法主要基于风云系列、MODIS等中、低分辨率卫星，其最高空间分辨率为250 m[8]，对于小面积地物及地物的精细变化很难精确辨识，这在一定程度上限制了生态遥感监测向更精细化方向的发展。目前，高分辨率气象卫星在福建省植被生态遥感监测中少有应用，所以，有必要在福建省区域内开展GF卫星生态遥感监测研究。本研究以福建省省会福州地区的GF1卫星影像为例，研究GF1卫星的预处理方法及其在植被生态遥感监测方面的应用。

1 GF1卫星影像预处理

1.1 GF1卫星影像数据获取及影像特征

本研究所需GF1卫星影像数据由中国资源卫星应用中心提供。据了解，根据使用单位级别不同，中国资源卫星应用中心可提供不同程度的GF系列卫星影像数据。目前，比较常用的GF卫星影像仪器包括GF1-WFV、GF1-PMS、GF2-PMS、GF4-PMI。本研究以GF1-WFV1卫星影像仪器为例，介绍GF1卫星影像的预处理过程。GF1-WFV1卫星数据一般包含4个文件，分别为“文件名-WFV1.rpb”[16 m多光谱相机RPC(远程过程调用)参数]、“文件名-WFV1.tiff”(16 m多光谱相机影像数据)、“文件名-WFV1.xml”(16 m多光谱相机辅助文件)、“文件名-WFV1_thumb.jpg”(16 m多光谱相机拇指图)。GF1卫星有效载荷技术指标如表1所示。轨道参数如下：轨道类型，太阳同步回归轨道；轨道高度，645 km；轨道倾角，98.0506°；降交点地方时，10:30(24小时制)；回归周期，41 d。

表1 GF1卫星有效载荷技术指标

GF1卫星影像处理软件有很多，其中商业软件有ENVI、ERDAS、PCI、ArcGIS等，免费软件有PIE、RSD等。本研究选用中国资源卫星应用中心指定的GF卫星处理软件PIE。

1.2 GF1卫星影像辐射定标

辐射定标是使用卫星定标参数将卫星接收到的计数值(DN值)转化为表观辐亮度、表观反射率等物理量的过程，是遥感信息定量化的前提与基础。GF1卫星采用Empirical Line定标方法，利用两个已知点的地面反射光谱值，计算影像上对应像元点的平均DN值，然后利用线性回归求出增益和偏移值，建立DN值与地面反射光谱值之间的相互关系。GF1卫星影像数据定标公式为

L=VgainVDN+Vbias。

式中：L为表观辐亮度，单位为W·m-2·sr-1·μm-1；Vgain为定标斜率，单位为W·m-2·sr-1·μm-1；VDN为卫星载荷观测值；Vbias为定标截距，单位为W·m-2·sr-1·μm-1。利用计算出的表观辐亮度根据以下公式计算表观反射率：

式中：ρ是表观反射率；d是日地距离系数；VESUN是波段太阳辐照度；θ是太阳天顶角。

中国资源卫星应用中心每年联合多家单位在中国遥感卫星辐射校正场(敦煌场，中心经纬度为94.32083°E、40.13750°N)开展在轨国产陆地观测卫星绝对辐射定标试验。绝对辐射定标试验将完成多颗在轨卫星的多种载荷在高、中、低反射率3个场地的同步观测，从而获取卫星过境时场地的地表实测反射光谱数据、太阳辐射数据和大气探空数据。

中国资源卫星应用中心利用试验结果对在轨陆地观测卫星的辐射特性进行监测和分析，并且每年发布卫星绝对辐射定标系数。

1.3 GF1卫星影像大气校正和正射校正

大气校正的目的是消除大气对太阳和来自目标的辐射产生吸收和散射作用的影响，获得地物反射率、辐射率、地表温度等真实物理模型参数，其中包括消除大气中水汽、CO2、O3和O2等对地物反射率的影响，消除大气分子和气溶胶散射的影响。大多数情况下，大气校正同时也是反演地物真实反射率的过程。常见的大气校正方法有辐射传输模型法、暗黑像元法、统计学模型法等。PIE的大气校正模块基于6S大气辐射传输模型法设计。6S模型在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3、CO、N2O和O2的吸收，分子和气溶胶的散射，以及非均一地面和双向反射率的问题。同时，计算散射作用部分采用了高精度的SOS(successive order of scattering)方法。

正射校正是对影像空间和几何畸变进行校正生成多中心投影平面正射图像的处理过程，可以纠正仪器系统产生的几何畸变，同时消除地形引起的几何畸变。GF1卫星通过构建RPC模型进行正射校正，即利用有理函数纠正函数，将地面点大地坐标与其对应的像点坐标用比值多项式关联起来。GF1卫星自带的rpb格式文件里有正射校正需要的RPC系数。

图1为利用PIE软件进行辐射定标、大气校正和正射校正处理后的福州市2018年2月13日11时(北京时)GF1-WFV1影像真彩图，RGB分别对应3、2、1通道波段。

图1 预处理后的福州GF1-WFV1真彩图

2 GF1卫星影像反演福州市植被覆盖度

2.1 GF1卫星影像反演植被覆盖度算法

归一化植被指数(NDVI)是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子，主要利用绿色植物强吸收可见光红波段(0.6～0.7 μm)和高反射近红外波段(0.7～1.1 μm)的特点对植被长势进行遥感监测[9-10]。GF1卫星影像的3、4通道波段对应可见光红波段和近红外波段。

本研究利用NDVI和像元二分模型原理计算植被覆盖度。像元二分模型的原理是，假设影像上一个像元的反射率可分为纯植被部分反射率和非植被部分反射率2部分，则任一像元的反射率值可以表示为由植被覆盖部分与非植被覆盖部分的线性加权之和。根据像元二分模型原理，将1个像元的NDVI值表示为由有植被覆盖部分地表与无植被覆盖部分地表组成的形式。因此，计算植被覆盖度的公式可表示为

式中，n为NDVI值，nsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，nveg代表完全由植被所覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值。根据整幅影像上NDVI的灰度分布，以0.5%置信度截取NDVI的上下限阈值分别近似代表nveg和nsoil[11-12]。采用GIS软件的栅格计算器，计算所有影像的植被覆盖度分布情况。将计算得到的植被覆盖度(F)分为5个等级：F<10%，低植被覆盖度；10%≤F<30%，较低植被覆盖度；30%≤F<50%，中度植被覆盖度；50%≤F<70%，较高植被覆盖度；F≥70%，高植被覆盖度。

2.2 基于植被覆盖度的福州市植被长势分析

利用2018年2月13日GF1卫星影像反演福州地区植被覆盖度空间分布(图2)。福州内陆地区山林面积广阔，植被长势良好，植被覆盖度较高，大部分属于高等级植被覆盖度；长乐、连江、福清等沿海地区，以及福州市区、仓山、闽侯高新区等城市建设区，植被覆盖度相对较低，主要为较低至中度植被覆盖度。平潭综合实验区植被分布较少，大部分处于低植被覆盖度范围。总体上，福州内陆地区植被长势明显高于沿海地区，福州市区、仓山、闽侯高新区及平潭地区植被覆盖度较低。

图2 福州市植被覆盖度等级

从不同等级植被覆盖度面积统计(表2)可以看出：高植被覆盖度的面积所占比例较大，占到了福州市总面积的55.40%；较高植被覆盖度的面积为13.37%；中度和较低植被覆盖度的面积较接近，占比分别为9.87%、8.26%；低植被覆盖度地区面积占比为13.10%。总体来看，福州地区植被生长较好，植被生态环境较优。

表2 不同等级的植被覆盖度面积统计

3 小结

GF1卫星影像具有高空间分辨率的优势，和风云系列、MODIS等中、低空间分辨率卫星相比，能够更准确地进行地物分类及地物特征监测，比如对植被长势进行更精细的遥感监测和等级划分。目前，遥感监测业务主要利用风云系列和MODIS、向日葵卫星数据。随着生态遥感分析的更精细化发展，特别是监测台风、洪涝等重大气象灾害局地破坏，传统遥感监测方式难以满足需求。本研究利用GF1卫星遥感影像对福州地区植被覆盖区域进行精细化监测，为GF卫星的应用推进和精细化生态遥感监测分析提供一定参考。值得注意的是，GF卫星影像空间覆盖范围较中、低分辨率卫星低，比如GF1-VWF1一景图的幅宽为800 km，所以更适用于局地精细化生态遥感监测及分析。