合成孔徑雷達(dá)技術(shù)在喀斯特山區(qū)煙草種植定量監(jiān)測(cè)應(yīng)用探討

周忠發(fā)，李 波，賈龍浩

(1．貴州師范大學(xué)中國(guó)南方喀斯特研究院，貴州貴陽(yáng)550001;2．貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，貴州貴陽(yáng)550001;3．貴州省科技風(fēng)險(xiǎn)投資管理中心，貴州貴陽(yáng)550002)

一、引 言

近30年來(lái)，遙感技術(shù)在大面積作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)、農(nóng)情預(yù)報(bào)等方面作出了重要貢獻(xiàn)[1]。遙感獲得的時(shí)間序列圖像可以體現(xiàn)作物土壤和作物特征的光譜變化，并提供作物生長(zhǎng)的時(shí)空變化信息。遙感在作物監(jiān)測(cè)方面的關(guān)鍵技術(shù)包括：高分辨率、多時(shí)相光學(xué)遙感圖像的使用與基于多源遙感數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)的融合分析等。自20世紀(jì)60年代國(guó)際上第一部全天時(shí)、全天候成像能力的合成孔徑雷達(dá)(SAR)系統(tǒng)誕生以來(lái)。合成孔徑雷達(dá)(SAR)的全天時(shí)、全天候成像能力使其成為多云多雨天氣地區(qū)的主導(dǎo)性中、高分辨率的遙感信息源。

貴州高原山區(qū)常年多云多雨，光學(xué)遙感數(shù)據(jù)獲取難度較大，作為周期性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并不理想，而合成孔徑雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)采用主動(dòng)遙感方式，其SAR技術(shù)不受云雨限制，更加適合多云霧山區(qū)的遙感應(yīng)用。同時(shí)，貴州高原山區(qū)喀斯特地貌大面積出露地表，地勢(shì)崎嶇，地塊破碎，使得煙田分布不集中，煙田地形復(fù)雜多樣，現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難以集約化，在煙草生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和煙葉估產(chǎn)方面也顯示出極大的困難。因此，將微波成像可以穿透云層的高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用于貴州高原山區(qū)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)查中，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)中煙草面積精準(zhǔn)提取和煙葉估產(chǎn)模型的建立，為貴州喀斯特山區(qū)地區(qū)建立具有時(shí)效性、前瞻性、互動(dòng)性、規(guī)范性的現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及估產(chǎn)系統(tǒng)打下可靠堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并能以信息化支撐現(xiàn)代化，促進(jìn)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的規(guī)?；⒓s化，為推進(jìn)貴州山區(qū)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力的信息化管理支撐。

二、貴州喀斯特山區(qū)煙草種植與分布

1．貴州喀斯特山區(qū)煙草種植與分布

貴州省常年種植烤煙260萬(wàn)畝，產(chǎn)量700萬(wàn)擔(dān)(1擔(dān)=50 kg)，占全國(guó)烤煙面積的15%左右，居全國(guó)第二。貴州全省都位于西南部煙區(qū)，大部分地區(qū)海拔在1000～2000 m，全區(qū)氣候垂直氣候差異比較明顯，作物從一年一熟到一年三熟不等，雖多陰雨天但基本上雨熱同季，有利于烤煙生長(zhǎng)。地帶性土壤為黃壤、黃棕壤，多呈酸性或微酸性，含鹽和氯較低，一般質(zhì)地較為黏重，但排水良好，對(duì)烤煙生長(zhǎng)較為適宜。以貴州遵義為代表的黔北地區(qū)，是中國(guó)烤煙的最適宜區(qū)，包括2個(gè)二級(jí)區(qū)。貴州省是我國(guó)的傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)煙葉產(chǎn)區(qū)，根據(jù)貴州省最新煙葉種植區(qū)劃研究成果，全省適宜種植面積2800萬(wàn)畝，占全省國(guó)土面積的11%。其中，最適宜面積1600萬(wàn)畝，占全省國(guó)土面積的6%[2]。貴州煙葉是中間香型煙葉的典型代表，是中式卷煙不可替代的優(yōu)質(zhì)原料。貴州烤煙區(qū)北部屬于黔北高原中山峽谷區(qū)，海拔800～1200m;中部為黔中高原區(qū)，海拔900～1500m;南部為高原中低山峽谷，海拔600～1400 m。貴州烤煙區(qū)烤煙大田生長(zhǎng)季平均降水量為922．5 m，占全年降水量的77%，年日照時(shí)數(shù)1100～1400 h，太陽(yáng)年總輻射量 3431．4 ～3973．2MJ/m3。

2．研究區(qū)基本概況

本研究以貴州省清鎮(zhèn)市流長(zhǎng)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)基地單元為依托，選擇該基地單元馬場(chǎng)片區(qū)的茶山村為研究區(qū)，該煙區(qū)屬于黔中高原區(qū)。清鎮(zhèn)市隸屬于貴州省貴陽(yáng)市，距貴州省省會(huì)貴陽(yáng)約22 km，東接貴陽(yáng)的烏當(dāng)、花溪兩區(qū)，西鄰畢節(jié)地區(qū)織金市，南與安順市平壩市接壤，北與畢節(jié)地區(qū)黔西市及貴陽(yáng)市修文市交界，面積1492 km2，轄6鄉(xiāng)4鎮(zhèn)及青龍街道辦事處，人口53萬(wàn)。清鎮(zhèn)共有耕地面積35．05萬(wàn)畝，森林覆蓋率31．1%，農(nóng)產(chǎn)品以水稻、玉米、小麥、油菜、洋芋等為主。市南部地勢(shì)較為平緩，以丘陵和喀斯特化低山為主，地勢(shì)從南西向北東漸減。東部及中部屬淺、低山丘陵區(qū)，平均海拔高1327m，其余區(qū)域?yàn)闇\丘向中低山狹谷過(guò)渡區(qū)，平均海拔高1295m。

流長(zhǎng)基地單元轄流長(zhǎng)、犁倭、紅楓湖等3個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，宜煙土地81 420畝;土壤以黃砂壤、黃壤為主;PH值5．5～6．5，呈微酸性;有機(jī)質(zhì)含量豐富。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫14℃，無(wú)霜期275 d，年平均降雨量 1150．4 mm，年日照時(shí)數(shù)1433 h。土壤條件和氣候條件均有利于烤煙生產(chǎn)。主產(chǎn)煙區(qū)集中在流長(zhǎng)鄉(xiāng)、犁倭鄉(xiāng)，面積占基地單元的90．26%。2010年落實(shí)種植計(jì)劃16 907畝，收購(gòu)煙葉4．57萬(wàn)擔(dān)。通過(guò)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)建設(shè)基地單元規(guī)劃實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)常年種植烤煙1．66萬(wàn)畝，戶均種植面積近34畝。

三、合成孔徑雷達(dá)與種植面積定量遙感監(jiān)測(cè)

1．合成孔徑雷達(dá)技術(shù)

雷達(dá)(radar)意即無(wú)線電探測(cè)與測(cè)距(radio detection and ranging)。遙感技術(shù)應(yīng)用中的雷達(dá)系統(tǒng)，一般皆為側(cè)視成像雷達(dá)系統(tǒng)(SLR或SLAR)，即只能觀測(cè)飛行平臺(tái)左側(cè)下方(或右側(cè)下方)一定角度范圍內(nèi)的地面。側(cè)視雷達(dá)按其天線工作方式的不同，可分為真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)(RAR)和合成孔徑雷達(dá)(SAR)兩類。

SAR系統(tǒng)采用了與RAR完全不同的技術(shù)來(lái)獲得方位向的高分辨率，即采用了合成孔徑的思想：采用小孔徑天線，利用多普勒頻移效應(yīng)與信號(hào)數(shù)據(jù)處理合成技術(shù)，從而使合成孔徑天線能夠產(chǎn)生極高的方位分辨率。SAR系統(tǒng)既可以裝載在飛機(jī)上，也可裝載在航天飛機(jī)或衛(wèi)星上。由于飛機(jī)、遙感衛(wèi)星等飛行平臺(tái)的載重量有限，不能載過(guò)大、過(guò)重的天線，因此現(xiàn)在常采用合成天線的技術(shù)來(lái)提高方位分辨率。當(dāng)前，遙感技術(shù)應(yīng)用中所有的現(xiàn)代機(jī)載、星載雷達(dá)都是SAR。所以，成像雷達(dá)遙感一般即指SAR遙感，即合成孔徑雷達(dá)遙感[3]。

2．遙感定量監(jiān)測(cè)時(shí)機(jī)的選擇

煙草生長(zhǎng)是其物質(zhì)逐步積累的過(guò)程。遙感圖像則是對(duì)某一時(shí)刻地物種類和組合方式的反映，地物光譜信息的相似性和相互干擾是影響地物遙感識(shí)別和分類的主要因素。因此，根據(jù)煙草物候及典型地物波譜特點(diǎn)，選擇波譜差異最大的時(shí)相，將有利于遙感定量監(jiān)測(cè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在考慮遙感監(jiān)測(cè)成本因素的情況下，可以選擇烤煙生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。重點(diǎn)考慮以下的因素：一是將地面農(nóng)學(xué)參數(shù)觀測(cè)與空間遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)間進(jìn)行同步或準(zhǔn)同步;二是在人力、物力有限的情況下，安排煙草生長(zhǎng)關(guān)鍵期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使獲取的數(shù)據(jù)和構(gòu)建的模型可大面積運(yùn)用，并可在主產(chǎn)煙區(qū)推廣。因?yàn)闊煵萆L(zhǎng)發(fā)育規(guī)律與其生態(tài)環(huán)境的變化頻率不同，所以對(duì)監(jiān)測(cè)的時(shí)空分辨率要求也不同。冠層溫度呈現(xiàn)以秒或分為單位的節(jié)奏變化;煙株水分以小時(shí)為單位變化;葉綠素以天為單位變化;葉面積以周為單位變化。貴州煙區(qū)烤煙每年4月下旬到5月上旬移栽，從煙草移栽開(kāi)始到采收結(jié)束，大致需要120天左右，故種植面積的監(jiān)測(cè)周期以4～5個(gè)月為宜。

3．煙草種植面積定量遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理是煙草種植監(jiān)測(cè)等農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用的基礎(chǔ)。在定量化遙感研究中，需要將空中遙感器接收到的電磁波信號(hào)與地物光譜儀接收到的電磁波信號(hào)及地物的理化特征聯(lián)系起來(lái)加以分析，這就需要對(duì)遙感器進(jìn)行定標(biāo)，包括實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)和星上定標(biāo)。其中，實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)包括光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo)兩個(gè)主要部分。定標(biāo)完成后，由于在太陽(yáng)—大氣—目標(biāo)—大氣—遙感器的光線傳播路徑中，諸多因素會(huì)造成接受信號(hào)不能完全準(zhǔn)確反映地表物理特征，因而必須進(jìn)行輻射校正，即消除摻雜在圖像中所記錄的輻射亮度上的各種干擾項(xiàng)[4]。

在煙草種植面積定量遙感監(jiān)測(cè)中，由于成像原理和條件限制，會(huì)采用多源數(shù)據(jù)，包括遙感數(shù)據(jù)和非遙感數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，因此影像融合是非常必要的一個(gè)手段。將多源數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行預(yù)算處理，將會(huì)獲得比單一數(shù)據(jù)更精確的信息，生成具有空間、時(shí)間、波譜等特征的合成影像，突出煙草定量監(jiān)測(cè)的專題信息，保持良好的影像光譜信息，減少失真。

4．煙草種植面積定量遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)2011年對(duì)基地單元SAR技術(shù)定量監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)貴州省清鎮(zhèn)流長(zhǎng)煙葉站與煙農(nóng)簽訂的煙草種植合同，可知研究區(qū)煙草實(shí)際種植面積為622畝。

1)由于還苗期—團(tuán)棵期監(jiān)測(cè)內(nèi)，煙苗較低矮，雷達(dá)影像上更多的是反映煙田信息，所以其分類面積略大于煙草實(shí)際種植面積。

2)2011年研究區(qū)內(nèi)年降水量較往年偏少，致使研究區(qū)乃至整個(gè)清鎮(zhèn)流長(zhǎng)基地單元的煙水配套工程作用發(fā)揮有限。而煙草旺長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)水分要求較高，使得部分煙株因缺少水分而枯萎，同時(shí)煙葉品質(zhì)嚴(yán)重下降。因此，旺長(zhǎng)監(jiān)測(cè)期內(nèi)監(jiān)測(cè)的煙草面積少于實(shí)際種植面積。

3)研究區(qū)復(fù)雜的地形地貌，導(dǎo)致不同地貌部位形成不同小氣候，對(duì)研究區(qū)內(nèi)煙草的生長(zhǎng)產(chǎn)生各種脅迫，從而增加了成熟期煙草收割時(shí)機(jī)的復(fù)雜性。所以本期對(duì)煙草種植面積監(jiān)測(cè)時(shí)，出現(xiàn)已收割完畢和未收割完畢兩種情況。

四、結(jié)論與討論

貴州地處云貴高原，屬于高原喀斯特山地烤煙區(qū)，其小氣候以多云多雨為主，地形起伏復(fù)雜，地貌多樣，區(qū)域差異、垂直差異極其顯著，農(nóng)業(yè)立體性強(qiáng)[5]。煙草種植與其他農(nóng)作物有相似之處，但同時(shí)也有其特殊性。作物面積監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)是空間遙感技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。遙感定量監(jiān)測(cè)煙草種植面積應(yīng)根據(jù)煙草種植的特殊性，不斷完善其研究方法，特別是探索使用SAR在內(nèi)的多源遙感數(shù)據(jù)，對(duì)于進(jìn)一步提高煙草種植面積監(jiān)測(cè)精度和估產(chǎn)精度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過(guò)對(duì)貴州省清鎮(zhèn)流長(zhǎng)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)基地單元示范區(qū)的微波遙感定量監(jiān)測(cè)研究，探索出了SAR對(duì)貴州喀斯特高原山區(qū)典型煙草種植區(qū)域定量監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線。其分類結(jié)果較精確，適用于貴州喀斯特山區(qū)復(fù)雜的地形地貌及氣候條件，能夠?yàn)橘F州山區(qū)的煙草種植面積提供及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的監(jiān)測(cè)，能夠?yàn)槲覈?guó)西南煙區(qū)乃至全國(guó)煙草行業(yè)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)化、種植精準(zhǔn)化提供技術(shù)支持。下一步工作需要深入研究和準(zhǔn)確掌握貴州山區(qū)煙草的生長(zhǎng)機(jī)制，以及其在特殊山地環(huán)境下的光譜特征，做好遙感監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)的基礎(chǔ)工作;同時(shí)建立基于遙感數(shù)據(jù)和煙草生長(zhǎng)模擬模型相結(jié)合的同化估產(chǎn)模型，其能充分發(fā)揮遙感與作物生長(zhǎng)模型二者的優(yōu)勢(shì)，并具有合理的作物產(chǎn)量形成生理生態(tài)機(jī)制的解釋。

[1]林文鵬，王長(zhǎng)耀．大尺度作物遙感監(jiān)測(cè)方法與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2010：2-18．

[2]王彥亭，謝劍平，李志宏．中國(guó)煙草種植區(qū)劃[M]．北京：科學(xué)出版社，2010．

[3]舒士畏．雷達(dá)圖像及其應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，1989．

[4]王紀(jì)華，趙春江，王文江，等．農(nóng)業(yè)定量遙感基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2010．

[5]劉夢(mèng)琦，周忠發(fā)．喀斯特高原山區(qū)IRS-P6影像最佳融合方法選擇研究[J]．2009，28(4)：419-425．