風云三號氣象衛(wèi)星在海南橡膠林遙感監(jiān)測中的應用

張京紅等

摘 要 基于近4 a的FY-3晴空遙感數(shù)據(jù)，采用Savitzky-Golay濾波方法計算海南橡膠林種植區(qū)逐旬的NDVI，建立橡膠林不同年份的橡膠周年生長植被指數(shù)變化曲線。在植被指數(shù)序列的基礎上，通過NDVI值的變化值與此時段橡膠NDVI值的變化值的標準方差的比較，建立了海南橡膠氣象災害損失等級標準。實現(xiàn)了FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海南天然橡膠林遙感長勢動態(tài)監(jiān)測中的應用。

關鍵詞 海南；橡膠林；FY-3；監(jiān)測

中圖分類號 X43 文獻標識碼 A

Abstract NDVI of ten days were calculated by the Savitzky-Golay filtering method and vegetation index change curve of rubber annual growth in different years were established based on the FY-3 remote sensing data in 2009-2012. The loss grade standard of meteorological disasters of rubber plant was established by comparing with the changing the NDVI values and the standard variance of rubber NDVI values based on vegetation index time series. The research results would provide a technical support for the remote sensing dynamic monitoring of rubber growth changes in Hainan rubber plantation area by FY-3 meteorological satellite data.

Key words Hainan island； Rubber plantation； FY-3； Monitor

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.10.029

天然橡膠[Hevea brasiliensis（Willd. ex A. Juss.）Müll. Arg]其生長對氣象條件的變化較為敏感，除了季節(jié)性的供應波動外，在割膠季節(jié)，反常天氣會極大地影響橡膠的產量。因此，及時了解天然橡膠的長勢變化規(guī)律，防御氣象災害對天然橡膠生長造成的影響，提升天然橡膠生產安全的科技支撐能力具有重要的意義。

近年來，迅速發(fā)展的衛(wèi)星遙感技術被廣泛應用于植被長勢監(jiān)測中。許文波[1]建立了基于TERRA/MODIS數(shù)據(jù)的冬小麥種植面積遙感監(jiān)測體系結構，為中國冬小麥種植面積遙感監(jiān)測提供了一種業(yè)務化工作方法。杜子濤[2]以新疆石河子地區(qū)2003～2006年MODIS遙感數(shù)據(jù)反演的NDVI時間序列影像為例，分析研究了植被長勢的年內和年際變化。張莉[3]將遙感技術RS和地理信息系統(tǒng)GIS技術相結合，利用EOS/MODIS數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對湖南省晚稻種植和生長信息的提取。李衛(wèi)國[4]利用TM影像數(shù)據(jù)與實地GPS定位相結合的方法，研究了冬小麥返青后葉面積指數(shù)及植株氮素含量的變化態(tài)勢。徐萬榮[5]分析2010年Landsat TM影像的反射率和植被指數(shù)的相關性，建立了西雙版納地地區(qū)橡膠林生物量估算模型。楊邦杰等[6]以山東省為樣區(qū)，利用氣象衛(wèi)星NOAA-AVHRR晴空數(shù)據(jù)，根據(jù)植被指數(shù)NDVI突變的特征，提出了實用的遙感凍害監(jiān)測方法。李亞飛[7]以我國HJ-1衛(wèi)星（環(huán)境與災害監(jiān)測預報小衛(wèi)星）為主要遙感數(shù)據(jù)源，獲取了云南省西雙版納地區(qū)2011年的橡膠林分布狀況。馮海寬[8]以2009年環(huán)境衛(wèi)星的高光譜影像（HJ-1A HSI：Hyperspectral Image）和2010年3個生育期的環(huán)境衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)（HJ-1 CCD）和熱紅外數(shù)據(jù)（HJ-1 IRS）以及地面同步測量的光譜反射率數(shù)據(jù)和理化參數(shù)為數(shù)據(jù)源，對監(jiān)測北京冬小麥的長勢和干旱監(jiān)測進行了系統(tǒng)研究。劉少軍[9]，張京紅[10]，陳匯林[11]分別利用QuickBird 衛(wèi)星影像，Landsat-TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)，MODIS遙感數(shù)據(jù)獲取了海南島天然橡膠種植面積信息。不難發(fā)現(xiàn)，以上研究中采用的遙感數(shù)據(jù)源多為EOS/MODIS和Landsat TM等遙感數(shù)據(jù)，利用我國自主研發(fā)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)較少且對熱帶作物的遙感監(jiān)測的研究幾乎未見報道。

風云三號氣象衛(wèi)星是為了滿足中國天氣預報、氣候預測和環(huán)境監(jiān)測等多方面的迫切需求建設的第二代極軌氣象衛(wèi)星，由FY-3A、FY-3B 2顆衛(wèi)星組成。其搭載的中分辨率光譜成像儀（MERSI），頻段范圍0.40～12.5 μm，通道數(shù)20，掃描范圍±55.4°，地面分辨率0.25 km。海南是中國面積最大產量最多的橡膠生產基地，其橡膠生產的戰(zhàn)略地位具有舉足輕重的作用。本研究首次利用我國自主知識產權的FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)對海南橡膠林長勢進行遙感監(jiān)測，為FY-3氣象衛(wèi)星資料在海南天然橡膠生產氣象服務中的應用奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及資料

海南島地處北緯18.10′～20.10′，東經108.37′～111.03′之間，面積約3.43萬km2，是中國僅次于臺灣島的第二大島，因其得天獨厚的自然條件，海南成為中國面積最大產量最多的橡膠生產基地，橡膠發(fā)展狀況備受世人矚目，截止到2012年末，海南橡膠種植面積52.57萬hm2，總產量達39.51萬t，橡膠年產量占全國天然橡膠總產量的2/3[12]。

研究中所用風云三號氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源：2009年1月至2011年10月衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源于國家衛(wèi)星氣象中心下屬的廣州氣象衛(wèi)星地面站，2011年10月至2012年12月來源于風云三號氣象衛(wèi)星應用系統(tǒng)一期工程數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)二級區(qū)域接收站（三亞站）。從所有數(shù)據(jù)中篩選出2009年1月至2012年12月FY-3晴空的遙感數(shù)據(jù)，共150景。

地面樣區(qū)選擇：利用GPS定位技術，根據(jù)海南島橡膠種植情況的實地調查，實地框定具有一定種植面積，且不含其它任何作物的橡膠種植區(qū)12個（純凈樣區(qū)），作為橡膠監(jiān)測樣本區(qū)（圖1）。下墊面、地形等信息來自海南島1 ∶ 5萬基礎地理信息、海南島1 ∶ 5萬數(shù)字高程模型、海南省土地利用現(xiàn)狀圖1 ∶ 20萬。各類氣象數(shù)據(jù)來源于海南省氣象局地面氣象自動觀測站。

1.2 方法

研究首次利用我國自主知識產權的FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)對海南橡膠林長勢進行遙感監(jiān)測。首先，根據(jù)歷年橡膠的種植實況資料，利用GPS定位技術，選取橡膠監(jiān)測樣本區(qū)。然后，從近4 a FY-3數(shù)據(jù)中篩選出晴空的遙感資料，計算近年逐旬或逐月的NDVI，并采用Savitzky-Golay濾波方法，對長時間序列的植被指數(shù)進行濾波處理，消除噪聲和云干擾，建立基于長時間序列的橡膠植被指數(shù)數(shù)據(jù)庫，進而建立橡膠樣本區(qū)不同年份的橡膠周年生長植被指數(shù)變化曲線，獲取樣本訓練區(qū)橡膠不同生長階段的光譜特征。最后，以當年已知的橡膠種植空間分布的遙感信息為模板，利用FY-3數(shù)據(jù)，分別計算年內任一時次的橡膠NDVI及其變化值。

1.2.1 植被指數(shù)的提取 歸一化植被指數(shù)（normalized differential vegetation index，NDVI）是選擇對綠色植物強吸收的紅色可見光通道和對綠色植物高反射和高透射的近紅外通道的差異作比值運算。NDVI對植被生長狀況、生產率及其他生物物理、生物化學特征比較敏感，其數(shù)值大小能反映植被覆蓋變化，并能消除大部分與儀器定標、太陽角、云陰影、地形和大氣條件有關輻照度的變化，增強對植被的響應能力，植被指數(shù)是代數(shù)運算增強的典型應用。

1.2.2 植被指數(shù)的平滑除噪 NDVI 曲線是NDVI 時間序列數(shù)據(jù)構成的反映植被生物學特征相隨時間變化的最佳指示因子，也是季節(jié)變化和人為活動影響的重要指示器[13]。由于云層干擾、數(shù)據(jù)傳輸誤差、二向性反射等因素的影響，植被冠層隨時間變化曲線并非是一條連續(xù)平滑的曲線，因此在NDVI 曲線中總是會有明顯的突升或突降。雖然在NDVI 時間序列數(shù)據(jù)集中經常采用相鄰多天的最大值合成法及云層檢測算法等進行圖像處理，其數(shù)據(jù)產品中仍然存在較大的殘差，不利于對數(shù)據(jù)的進一步分析利用，且還可能導致錯誤的結論。鑒于上述原因，通常采用一些相關算法用于降低噪聲水平及對NDVI 時間序列數(shù)據(jù)集進行重構。本研究選用Savitzky-Golay濾波方法（簡稱S-G濾波）對橡膠林NDVI數(shù)據(jù)進行平滑處理。S-G濾波被廣泛地運用于各類數(shù)據(jù)流平滑除噪[14]，這種濾波器最大的特點在于其濾除噪聲的同時可以確保數(shù)據(jù)信號的形狀、寬度不變。

S-G濾波最初由Savitzky和Golay于1964年提出，又稱最小二乘法或數(shù)據(jù)平滑多項式濾波器，是一種在時域內基于局域多項式最小二乘法擬合的濾波方法。S-G濾波的設計思路是能夠找到合適的濾波系數(shù)（Ci）以保護高階距。即在對基礎函數(shù)進行近似時，不是常數(shù)窗口，而是使用高階多項式，實現(xiàn)滑動窗內的最小二乘擬合。其基本原理是：通過取點Xi附近固定個數(shù)的點擬合一個多項式，多項式在Xi的值，就給出了它的光滑數(shù)值gi。

2 結果與分析

2.1 海南橡膠林植被指數(shù)序列的建立

2.1.1 年平均值 根據(jù)2009～2012年海南島橡膠每旬的NDVI數(shù)據(jù)，計算得到每年的年平均NDVI（圖2）。2009年海南島橡膠NDVI值整體較高，NDVI>0.7的橡膠面積占全島橡膠面積的60.4%，主要位于海南島中部，白沙西北部、儋州東南部、瓊海西南部、萬寧西北部，瓊中、五指山呈零星分布；NDVI值在0.6～0.7之間的橡膠面積占全島橡膠面積的36.9%，主要分布于沿海各市縣，集中于文昌、定安、瓊海、?？谒氖锌h接壤處。2010年橡膠NDVI值平均較2009年有所下降，NDVI>0.7的橡膠面積僅占全島橡膠面積的30%，儋州、白沙橡膠NDVI值下降最多；相應的NDVI值在0.6～0.7的橡膠面積增加至占全島橡膠面積的65.5%。2011年橡膠整體NDVI值較2010年高，NDVI>0.7的橡膠面積增加了8.6%。2012年橡膠NDVI值有顯著提高，NDVI>0.7的橡膠面積比值增加至67.4%，NDVI在0.6～0.7之間的橡膠面積比值增加至30.9%。總體上，在2009～2012年4年間海南島90%以上的橡膠NDVI值均保持在0.6以上，平均值呈現(xiàn)增加的趨勢。

2.1.2 月平均值 根據(jù)2009～2012年的海南島橡膠每旬的NDVI數(shù)據(jù)，計算得到海南島橡膠每月的NDVI平均值。1、2月橡膠NDVI值在全年月份中最低，1月下旬至2月為橡膠落葉期，NDVI值較低；3～4月為橡膠開花抽蓬期，橡膠NDVI值逐漸增加，中部地區(qū)增加較快；海南5～9月獨特的氣候條件為橡膠提供了適宜的生長環(huán)境，全島橡膠分布較好；10月因熱帶氣旋、臺風等災害性天氣影響，橡膠NDVI值分布普遍下降，東北部沿海市縣橡膠NDVI下降顯著，如：?？?、定安、文昌、瓊海、萬寧，西北部的昌江橡膠NDVI值也有所下降；11月橡膠NDVI值有所回升；12月橡膠開始進入落葉期，全島橡膠NDVI值有所下降（圖3）。

在以上研究的基礎上，根據(jù)提取的逐旬、逐月、逐年的海南島橡膠歸一化植被指數(shù)分布圖，建立橡膠樣本區(qū)NDVI時間序列，并采用Savitzky-Golay濾波方法，對長時間序列的NDVI值進行濾波處理，以消除噪聲和云干擾，建立研究區(qū)的橡膠周年生長NDVI逐旬變化曲線（圖4），獲取樣本訓練區(qū)橡膠不同生長階段的光譜特征。

2.2 橡膠林長勢遙感動態(tài)監(jiān)測

2.2.1 橡膠氣象災害損失等級標準 標準方差是各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的距離的平均數(shù)，能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度。對某一時段橡膠NDVI值的變化值與此時段橡膠NDVI值的變化值的標準方差進行比較，可判斷此時段橡膠的生長變化情況，因此可依據(jù)此進行橡膠林氣象災害損失等級標準的劃分。

2.2.2 橡膠林長勢監(jiān)測——以1223熱帶氣旋“山神”為例 根據(jù)2012年影響海南的臺風路徑及造成的損失，選取影響海南島且較為典型的1223號熱帶氣旋“山神”（強臺風級），利用其影響前后晴空質量較好的FY-3A遙感資料對海南島西部橡膠種植面積較大的樂東縣的橡膠林植被指數(shù)（NDVI）進行計算，動態(tài)監(jiān)測臺風對橡膠林造成的損失及分布。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來源于：風云三號氣象衛(wèi)星應用系統(tǒng)一期工程數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)二級區(qū)域接收站（三亞站）。數(shù)據(jù)接收時間：2012年10月下旬至11月中旬。

1223號熱帶氣旋“山神”風雨概況：“山神”于2012年10月24日02時在菲律賓東南部的西北太平洋洋面上生成，26日05時加強為強熱帶風暴，27日02時加強為臺風，27日20時加強為強臺風，中心附近最大風力13級（40 m/s），7級大風范圍半徑380 km，10級大風范圍半徑120 km。26日08時至29日08時，受強臺風“山神”影響，海南島普降暴雨到大暴雨，其中南部、中部、東部和西部的局部地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，瓊中、保亭、瓊海和東方共有14自動氣象站雨量達300 mm以上。另外，海南島南部沿海陸地普遍出現(xiàn)10～12級大風，東部、西部和北部沿海陸地普遍出現(xiàn)7～9級大風。

樂東縣橡膠林臺風災害損失分布見圖5。監(jiān)測結果表明，臺風“山神”給樂東縣橡膠林造成了一定的損害，但由于其是從海南島西部海域經過，并未登陸，因此造成的絕大部分是輕度損失。對所得結果進行統(tǒng)計分析可知，零、一、二、三級受損橡膠的單元格數(shù)分別為1 358、2694、758、236。也就是說，受“山神”影響，樂東縣73.1%的橡膠遭受損失。在遭受損失的橡膠分布區(qū)中，絕大部分（73.0%）為輕度損失，僅達到一級損失等級，達到二級、三級損失等級的分別占20.6%和6.4%。各等級損失空間分布較為零散，這可能與當?shù)氐男〉匦?、橡膠栽培方式和防護林建設等有關。應用結果表明，建立的橡膠林臺風災害遙感監(jiān)測技術方法能夠客觀精細地對橡膠林臺風災害受災分布及受災程度分布進行監(jiān)測，快速直觀地得到受損區(qū)域的分布及各區(qū)域的受災程度，較實際調查的方法省時省力且結果客觀精確。

3 討論與結論

本研究選擇海南橡膠林作為研究對象，首次利用我國自主研發(fā)的FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過對2009-2012年的FY-3極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行Savitzky-Golay濾波等數(shù)據(jù)處理，建立了基于FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的橡膠林植被指數(shù)序列（包括逐旬、逐月、逐年的NDVI序列），能全面真實地反映海南橡膠在不同月份和季節(jié)植被的變化規(guī)律，為下一步利用植被指數(shù)序列監(jiān)測橡膠重要物候期提供了基礎數(shù)據(jù)；同時，在植被指數(shù)序列的基礎上，通過NDVI值的變化值與此時段橡膠NDVI值的變化值的標準方差的比較并結合橡膠的災情數(shù)據(jù)，建立了海南橡膠氣象災害損失等級標準，并通過1223號熱帶氣旋“山神”進行了驗證分析，通過該標準可以實現(xiàn)FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在橡膠林的災損監(jiān)測中的應用，快速直觀地反映橡膠受損區(qū)域的分布及受災程度，充分發(fā)揮遙感技術手段在臺風橡膠長勢監(jiān)測中的作用。

自20 世紀70年代以來，遙感就被用來進行大面積農作物長勢監(jiān)測。在農作物長勢、面積等的監(jiān)測中，國外科學家主要利用適合大面積監(jiān)測的NOAA-AVHRR衛(wèi)星，隨著傳感器空間分辨率的提高，MODIS、SPOT、TM、HJ等數(shù)據(jù)也被采用[15-23]。其中MODIS數(shù)據(jù)由于是免費獲取，所以在開展作物長勢的動態(tài)監(jiān)測多采用Terra和Aqua衛(wèi)星的MODIS遙感數(shù)據(jù)，由于衛(wèi)星設計壽命為6 a，現(xiàn)已超年運行，該數(shù)據(jù)面臨隨時中斷提供服務的可能。采用的監(jiān)測指數(shù)有：歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）、增強型植被指數(shù)（Enhanced vegetation index，EVI）、重歸一化植被指數(shù)（RDVI）、三角形植被指數(shù)（triangular vegetation index，TVI）、比值植被指數(shù)（simple ratio，SR）、綠度歸一化植被指數(shù)（green normalized difference vegetation index，GNDVI）、水分波段指數(shù)（water band index，IWB）、土壤調節(jié)植被指數(shù)（soil-adjusted vegetation index，SAVI）、光化學植被指數(shù)（photochemical reflectance index，PRI）等[22]。在海南橡膠遙感監(jiān)測方面：陳小敏等[24]通過對強低溫陰雨發(fā)生前、后橡膠產區(qū)的MODIS/NDVI值進行了比較，應用于監(jiān)測橡膠寒害輕、重和受害面積；劉少軍等利用MODIS數(shù)據(jù)分析了臺風“達維”對橡膠的影響；羅紅霞等[25]基于HJ星數(shù)據(jù)分析了 臺風“納沙”對海南不同農場植被NDVI變化等。該方法僅利用了NDVI前后的變化來判斷橡膠長勢的變化，本文提出了在FY-3數(shù)據(jù)提取的長時間橡膠NDVI序列的基礎上，通過對某一時段橡膠NDVI值的變化值與此時段橡膠NDVI值的變化值的標準方差進行比較，判斷此時段橡膠的生長變化情況，評價的結果會更穩(wěn)定。因此利用中國自主研發(fā)的氣象FY-3衛(wèi)星開展作物長勢的動態(tài)監(jiān)測是一個很好的選擇，目前關于利用 FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展天然橡膠長勢的動態(tài)監(jiān)測的文獻還較少。國家衛(wèi)星氣象中心專門設立了“風云三號氣象衛(wèi)星應用系統(tǒng)工程應用示范項目”，持續(xù)支持相關研究，發(fā)揮FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的重要作用，拓展衛(wèi)星資料及其產品的應用領域，使其更快更好的發(fā)揮作用。

本研究在海南開展橡膠林長勢的動態(tài)監(jiān)測時，發(fā)現(xiàn)FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)往往存在云覆蓋的現(xiàn)象，一定程度上影響了監(jiān)測的精度，下一步將積極探索以FY-3微波成像儀數(shù)據(jù)，全天候開展橡膠長勢監(jiān)測，消除云處理對監(jiān)測區(qū)域的影響，進一步提高監(jiān)測精度及服務的針對性和時效性。本研究立足于海南橡膠林不同季節(jié)植被指數(shù)的變化特征，依托地面氣象自動站和橡膠林樣區(qū)觀測數(shù)據(jù)，初步建立了一套時效性比較強、監(jiān)測范圍覆蓋全島、精度相對較高、地面氣象監(jiān)測、橡膠物候監(jiān)測和遙感監(jiān)測相結合的立體監(jiān)測方法。FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海南天然橡膠生產氣象服務中的應用，是橡膠遙感研究的新嘗試，提高了研究區(qū)橡膠林遙感長勢動態(tài)監(jiān)測的能力和水平，同時對其他地區(qū)也將起到引領和示范作用。

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