基于SAR技術(shù)的高原山區(qū)煙草估產(chǎn)模型

符勇　周忠發(fā)　王昆　廖娟

摘要：以貴州省清鎮(zhèn)市流長(zhǎng)國(guó)家現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)基地單元為研究區(qū)，針對(duì)貴州省高原山區(qū)煙草種植特性，以TerraSAR-X為數(shù)據(jù)源，將合成孔徑雷達(dá)（SAR）技術(shù)應(yīng)用于高原山區(qū)煙草產(chǎn)量的遙感估測(cè)中，通過分析旺長(zhǎng)期、成熟期SAR亮度值與煙草葉片鮮質(zhì)量產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建了喀斯特山區(qū)旺長(zhǎng)期、成熟期煙草鮮質(zhì)量產(chǎn)量估測(cè)模型，模型驗(yàn)證表明，旺長(zhǎng)期、成熟期煙草鮮質(zhì)量模擬精度分別達(dá)到92%、85%以上，基于SAR技術(shù)建立的煙草鮮質(zhì)量產(chǎn)量模型可以滿足高原山區(qū)大面積煙草的快速估產(chǎn)需要。

關(guān)鍵詞：高原山區(qū)；煙草；估產(chǎn)；合成孔徑雷達(dá)

中圖分類號(hào)： S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0393-03

收稿日期：2014-03-31

基金項(xiàng)目：貴州省科技計(jì)劃 （編號(hào)：黔科合GY字〔2013〕3062）。

作者簡(jiǎn)介：符勇（1989—），男，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)與遙感。E-mail：user51@sina.com。

通信作者：周忠發(fā)，教授，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)與遙感。E-mail：fa6897@163.com。貴州省是典型的喀斯特山區(qū)，地形破碎，農(nóng)作物種植情況復(fù)雜多樣。煙草作為典型經(jīng)濟(jì)型農(nóng)作物，在該省廣泛種植。以傳統(tǒng)方式預(yù)測(cè)煙草種植面積、產(chǎn)量等情況，要花費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力，且中間環(huán)節(jié)多，不能準(zhǔn)確高效地估產(chǎn)。針對(duì)貴州省氣候多云雨、很難周期性獲取高光譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)不受時(shí)間、氣候條件限制[1]。SAR 采用主動(dòng)遙感的方式，利用微波成像，不受云雨和時(shí)間限制，更加適合貴州省多云霧山區(qū)的農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用。本研究在野外樣方選取與調(diào)查的基礎(chǔ)上，將SAR技術(shù)融入估產(chǎn)過程，選用煙草不同生育期的雷達(dá)遙感影像，通過雷達(dá)遙感影像的處理和計(jì)算得出煙草不同時(shí)期SAR亮度值，利用野外實(shí)地考察數(shù)據(jù)，將煙草各生長(zhǎng)時(shí)期的SAR亮度值與對(duì)應(yīng)時(shí)期煙草鮮質(zhì)量產(chǎn)量建立線性回歸耦合關(guān)系的估產(chǎn)模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，該模型建立遙感指標(biāo)與產(chǎn)量之間的相關(guān)模式，它不考慮作物產(chǎn)量形成的復(fù)雜過程[2]，可以快速準(zhǔn)確獲取不同時(shí)期煙草產(chǎn)量信息，以期為喀斯特高原山區(qū)煙草雷達(dá)遙感估產(chǎn)提供依據(jù)。

1研究區(qū)域煙草基地概況

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，距貴陽(yáng)市市區(qū)約22 km，東接貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)、花溪區(qū)，西鄰貴州省畢節(jié)地區(qū)織金市，南與貴州省平壩縣接壤，北與貴州省黔西市、修文市交界，面積1 492余km2，轄6鄉(xiāng)、4鎮(zhèn)及青龍街道辦事處，人口53萬(wàn)人，共有耕地面積2.34萬(wàn)hm2，森林覆蓋率31.1%，農(nóng)產(chǎn)品以水稻、玉米、小麥、油菜、馬鈴薯等為主。南部地勢(shì)較為平緩，以丘陵和喀斯特化低山為主，地勢(shì)從西南向東北漸減；東部及中部屬淺山、低山丘陵區(qū)，平均海拔 1 327 m；其余區(qū)域?yàn)闇\丘向中低山狹谷過渡區(qū)，平均海拔 1 295 m。

流長(zhǎng)基地單元轄流長(zhǎng)、犁倭、紅楓湖等3個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，適宜種植煙草的土地面積5 428 hm2；土壤以黃沙壤、黃壤為主，pH值5.5～6.5，呈微酸性，有機(jī)質(zhì)含量豐富。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)，面積占該基地單元的90.26%。2012年落實(shí)種植計(jì)劃收購(gòu)煙葉1 145 t[3] 。

2數(shù)據(jù)選擇與獲取

2.1SAR數(shù)據(jù)

不同微波波段具有不同能量，其對(duì)作物的監(jiān)測(cè)用途也不同。Ku、X、C、L是常用的作物監(jiān)測(cè)微波波段。Ku、X微波波段主要用于監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)，C微波波段主要用于監(jiān)測(cè)作物分類，L微波波段主要用于監(jiān)測(cè)作物分類、土壤含水量[1] 。

通過比較TERRASAR-X、RADRASAT-1、RADRASAT-2、COSMOS、ENVISAT、ALOS等主流雷達(dá)衛(wèi)星，綜合考慮波段、極化方式、空間分辨率等系統(tǒng)參數(shù)與實(shí)際情況，選擇空間分辨率3 m的TERRASAR-X雷達(dá)數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)。TerraSAR-X是首顆由德國(guó)航空航天局與歐洲航空防務(wù)和航天公司共建的固態(tài)有源相控陣的X波段合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星，分辨率高達(dá)1 m。該衛(wèi)星的軌道高度為514 km，傾斜角度為9744°，衛(wèi)星整體質(zhì)量為1 200 kg，半徑為2.4 m，高度為5 m，消耗功率為800 W。該衛(wèi)星可以在不同模式下工作。TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星具有多極化、多入射角和精確的姿態(tài)和軌道控制能力，本研究采用3 cm的X波段合成孔徑雷達(dá)，可以進(jìn)行全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測(cè)，并具有一定地表穿透能力，同時(shí)還可進(jìn)行干涉測(cè)量和動(dòng)態(tài)目標(biāo)的檢測(cè)[4]。

2.2實(shí)測(cè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)

在野外考察的同時(shí)，建立樣方并詳細(xì)記錄煙草生長(zhǎng)信息，考察時(shí)間盡可能與遙感影像拍攝時(shí)間保持一致，以達(dá)到最佳監(jiān)測(cè)效果。研究區(qū)選擇煙草種植連片面積60 hm2以上的煙田，建立27 m×24 m的樣方面積約0.066 hm2，與雷達(dá)數(shù)據(jù)相元相對(duì)應(yīng)。研究區(qū)內(nèi)共建立30個(gè)樣方，用全球定位系統(tǒng)（GPS）定位每個(gè)樣方的四至點(diǎn)或在樣方中部用GPS定位，以保證樣方位置準(zhǔn)確，同時(shí)便于與遙感影像相疊加，在樣方內(nèi)采集煙草鮮質(zhì)量數(shù)據(jù)。

3數(shù)據(jù)處理與模型建立

3.1SAR數(shù)據(jù)的處理

本研究選取德國(guó)發(fā)射的TerraSAR-X衛(wèi)星，獲取煙草不同生長(zhǎng)期的影像（表1）。

3.2估產(chǎn)模型建立

2012年5月初至9月底，根據(jù)煙草不同生長(zhǎng)時(shí)期在研究區(qū)定期開展煙草地面調(diào)查工作，地面調(diào)查時(shí)間與影像獲取時(shí)間基本同步，共布設(shè)45塊樣地，考慮到估測(cè)模型的精度驗(yàn)證，其中15塊樣地的數(shù)據(jù)不參與建模。利用SPSS 19.0軟件對(duì)30個(gè)樣地旺長(zhǎng)期、成熟期煙草葉片數(shù)據(jù)與雷達(dá)影像處理后的SAR亮度值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者在旺長(zhǎng)期、成熟期的相關(guān)系數(shù)（r）分別為-0.889、-0.846，呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，在旺長(zhǎng)期、成熟期的線性擬合度（r2）均較好，分別為0790、0.716。因而可通過煙草SAR亮度值得到煙草產(chǎn)量。endprint

表2不同生長(zhǎng)期樣方內(nèi)煙草葉片SAR亮度值

極化方式樣本序號(hào)旺長(zhǎng)期亮度

（β0db）成熟期亮度

（β0db）VV1-6.071-9.1392-7.423-10.3303-7.771-10.3904-6.533-11.5605-6.549-9.586

為了進(jìn)一步分析煙草產(chǎn)量與SAR亮度值的定量關(guān)系，采用一元線性回歸模型、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、乘冪函數(shù)等對(duì)二者進(jìn)行模擬分析。通過對(duì)不同模型測(cè)算結(jié)果的分析表明，基于SAR亮度值的一元線性回歸模型擬合精度最高。喀斯特山區(qū)旺長(zhǎng)期、成熟期煙草種植產(chǎn)量最優(yōu)擬合模型為式（3）、式（4）。圖3、圖4分別為煙草旺長(zhǎng)期、成熟期鮮質(zhì)量產(chǎn)量與SAR亮度值的關(guān)系。

4模型驗(yàn)證

為評(píng)價(jià)煙草估產(chǎn)模型模擬效果，通過野外同期采樣的另外15個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)與估產(chǎn)模型模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并利用誤差統(tǒng)計(jì)公式（5）對(duì)模型精度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[9]。

RE=m估測(cè)值-m實(shí)測(cè)值m實(shí)測(cè)值×100%。（5）

式中：RE為相對(duì)誤差系數(shù)；m實(shí)測(cè)值和m估測(cè)值分別代表野外實(shí)地考察煙草葉片質(zhì)量和模型反演得到的煙草葉片質(zhì)量。

由表3可見，對(duì)于估產(chǎn)模型模擬值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差系數(shù)，旺長(zhǎng)期為4.8%～11.59%，平均相對(duì)誤差系數(shù)為7.66%，模型總體精度達(dá)到92%以上；成熟期為8.15%～2325%，平均相對(duì)誤差系數(shù)為14.02%，模型總體精度達(dá)到85%以上。說(shuō)明利用SAR亮度值與煙草葉片生物量建立的一元線性回歸模型能較好地反映煙草葉片生物量狀況，能夠滿足喀斯特山區(qū)大面積煙草葉片產(chǎn)量估算要求。

5結(jié)論

采用不受云雨影像影響的雷達(dá)遙感影像為數(shù)據(jù)源，將SAR技術(shù)應(yīng)用于喀斯特山區(qū)煙草葉片產(chǎn)量估測(cè)，利用SAR亮度值與地面樣地調(diào)查所得煙草葉片產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立了不同時(shí)期煙草估產(chǎn)的線性回歸擬合模型：旺長(zhǎng)期為

y1=-1 449.67x1+4 199.78，成熟期為y2=-457.38x2-13986。基于地面同期調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型在旺長(zhǎng)期、成熟期的預(yù)測(cè)精度分別達(dá)到92%、85%以上，能夠?qū)崿F(xiàn)喀斯特山區(qū)的大面積種植煙草的快速估產(chǎn)。因此，基于SAR技術(shù)對(duì)喀斯特山區(qū)煙草種植估產(chǎn)模型是可行的，為喀斯特山區(qū)煙草產(chǎn)量遙感估產(chǎn)提供了技術(shù)支持，同時(shí)該方法也可為喀斯特高原山區(qū)其他農(nóng)作物基于SAR技術(shù)遙感估產(chǎn)的研究提供參考。

本研究表明，以SAR 亮度值與煙草產(chǎn)量建立的回歸模型基本能夠反映其線性回歸的耦合關(guān)系，旺長(zhǎng)期的模擬精度要優(yōu)于成熟期。旺長(zhǎng)期、成熟期煙草估產(chǎn)模型擬合度較好，但成熟期模型誤差相對(duì)較高，其原因一方面可能是旺長(zhǎng)期煙株葉片多、相互掩蓋，增加了體反射強(qiáng)度，使得反射率增加，所以SAR 影像亮度值能夠更好地反映葉片信息；另一方面，由于煙葉采摘進(jìn)度不一樣，小部分樣方內(nèi)煙葉打葉進(jìn)度較晚，成熟期影像還存在部分旺長(zhǎng)期煙葉。本研究建立的喀斯特山地?zé)煵莨喇a(chǎn)模型，還須在不斷提高遙感估產(chǎn)精度的同時(shí)，在更多煙區(qū)豐富完善方法和技術(shù)路線，提高模型精度，為國(guó)家現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的大范圍、實(shí)時(shí)遙感監(jiān)測(cè)提供新的研究思路。

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