糧豆輪作遙感監(jiān)測(cè)對(duì)衛(wèi)星時(shí)空及譜段指標(biāo)的需求分析

劉 佳，王利民，楊福剛，楊玲波，季富華

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糧豆輪作遙感監(jiān)測(cè)對(duì)衛(wèi)星時(shí)空及譜段指標(biāo)的需求分析

劉 佳，王利民※，楊福剛，楊玲波，季富華

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

該文面向糧豆輪作遙感監(jiān)測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)需求，針對(duì)最小監(jiān)測(cè)地塊、作物類型、時(shí)效性的要求，分別對(duì)不同空間分辨率影像識(shí)別能力、不同波段組合識(shí)別能力、最高云覆蓋區(qū)域晴空獲取能力3個(gè)方面進(jìn)行分析，提出了光學(xué)遙感衛(wèi)星理想的空間分辨率要優(yōu)于0.3 m，光譜設(shè)置可以采取基本波段（藍(lán)、綠、紅、近紅）+紅邊或者基本波段（藍(lán)、綠、紅、近紅）+短波譜段2種方式，重訪周期要達(dá)到3 d以內(nèi)。在上述指標(biāo)滿足條件下，能夠?qū)χ袊毡榇嬖诘?.3 m寬度田埂進(jìn)行有效識(shí)別，從而達(dá)到地塊識(shí)別的目標(biāo)；能夠利用作物紅邊、短波譜段特征的差異，對(duì)生長(zhǎng)中期玉米、大豆進(jìn)行有效識(shí)別，達(dá)到糧豆輪作主要作物類型識(shí)別的目的；以3 d的重訪周期，可以最大限度獲取覆蓋中國全國區(qū)域的晴空有效影像，在數(shù)據(jù)源獲取上保證糧豆輪作業(yè)務(wù)化作業(yè)能力。該研究可為滿足中國糧豆輪作等農(nóng)情遙感監(jiān)測(cè)需求的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星研制及相應(yīng)指標(biāo)規(guī)定提供參考。

農(nóng)作物；遙感；輪作；核查；中國；高分辨率；衛(wèi)星數(shù)據(jù)

0 引 言

遙感技術(shù)具有效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，近20 a來遙感技術(shù)快速發(fā)展，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用為主要目標(biāo)的農(nóng)業(yè)衛(wèi)星研制的條件已經(jīng)成熟。農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整是保證中國農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的基本國策，在中國的“鐮刀彎”地區(qū)，即東北冷涼區(qū)、北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)、西北風(fēng)沙干旱區(qū)、太行山沿線區(qū)及西南石漠化區(qū)，通過減少籽粒玉米種植面積，重點(diǎn)發(fā)展青貯玉米、大豆、雜糧雜豆、春小麥、經(jīng)濟(jì)林果和生態(tài)功能型植物等，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)糧增收、提質(zhì)增效和可持續(xù)發(fā)展，玉米-大豆輪作的方式是其中重要的調(diào)整方式之一。相比于已經(jīng)在輪作休耕上取得較好成果的國家，中國還處于初級(jí)探索階段[1-2]，目前主要多從不同輪作復(fù)種模式比較[3-6]、輪作對(duì)土壤環(huán)境的影響[7-11]等方面進(jìn)行研究，對(duì)于輪作的遙感核查方面報(bào)道較少，針對(duì)這一需求為依托的衛(wèi)星能力建設(shè)研究也較少。

基于遙感技術(shù)開展耕地輪作監(jiān)測(cè)研究，從研究?jī)?nèi)容上看可以包括耕地輪作和農(nóng)作物類型識(shí)別遙感監(jiān)測(cè)研究?jī)蓚€(gè)方面。直接以耕地輪作作為研究對(duì)象進(jìn)行的遙感監(jiān)測(cè)方法研究，一般以中低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)源為主[12-16]，主要注重于區(qū)域尺度上農(nóng)業(yè)生態(tài)規(guī)律分析[17-21]，如Lunetta等[22]采用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)勞倫森大湖流域的2005?2007年玉米、大豆與小麥輪作進(jìn)行分析，結(jié)果2005?2006年的玉米、大豆面積相對(duì)平衡，2006?2007年玉米面積增長(zhǎng)21%，大豆、小麥面積分別下降9%和21%。而在農(nóng)作物類型遙感識(shí)別研究方面，與耕地輪作遙感監(jiān)測(cè)研究緊密相關(guān)的是變化檢測(cè)方法及相關(guān)的分類技術(shù)研究[23-33]。如Sun等[34]、Li等[35]、Shapla等[36]使用Landsat或MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)不同區(qū)域水稻種植面積的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別取得了86.91%（Sun等）、95%（Li等）的總體精度和0.82（Shapla等）的Kappa系數(shù)；王學(xué)等[37]使用2001?2011年MODIS時(shí)序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)華北平原2001?2011年間冬小麥種植面積持續(xù)擴(kuò)大，且呈現(xiàn)南增北減格局，為華北平原調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)提供了借鑒。

上述研究主要依托于已有的衛(wèi)星影像展開的，或在衛(wèi)星發(fā)射之后對(duì)衛(wèi)星的應(yīng)用性能進(jìn)行評(píng)估[38-39]，而針對(duì)當(dāng)前具體業(yè)務(wù)需求及今后發(fā)展方向，有針對(duì)性提出行業(yè)衛(wèi)星主要應(yīng)用指標(biāo)的研究還很少，且主要集中在氣象、測(cè)繪等衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域[40]，如黃富祥等[41]則針對(duì)現(xiàn)有氣象衛(wèi)星應(yīng)用需求分析的不足，以定量指標(biāo)的形式，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了中國氣象衛(wèi)星的應(yīng)用需求調(diào)查；唐新明等[42]介紹和總結(jié)國際和國內(nèi)測(cè)繪衛(wèi)星現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)中國的發(fā)展需求提出了中國未來測(cè)繪衛(wèi)星及技術(shù)的發(fā)展方向，提出了提高分辨率、加強(qiáng)測(cè)繪衛(wèi)星應(yīng)用研究、鼓勵(lì)市場(chǎng)化等建議。

農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整是推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要內(nèi)容之一，尤其是“糧豆輪作”工作遙感監(jiān)測(cè)工程，為農(nóng)業(yè)政策制定、補(bǔ)貼發(fā)放、效果評(píng)估提供精確參考，已經(jīng)成為中國當(dāng)前農(nóng)業(yè)遙感的重要應(yīng)用方向[43]。由于“糧豆輪作”監(jiān)測(cè)結(jié)果直接關(guān)系到農(nóng)民的切身利益以及國家惠農(nóng)補(bǔ)貼的精準(zhǔn)發(fā)放，已經(jīng)超越傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)對(duì)于遙感數(shù)據(jù)源分辨率、精度等指標(biāo)要求較低的現(xiàn)狀（如應(yīng)用較多的MODIS 250 m、Landsat 30 m、GF-1 16 m分辨率），應(yīng)用亞米級(jí)遙感衛(wèi)星進(jìn)行農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)已成為農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域迫切需求[22]。該文在中國“鐮刀彎”地區(qū)內(nèi)，以玉米-大豆輪作這一比較廣泛的農(nóng)作物輪作方式為研究對(duì)象，從遙感數(shù)據(jù)空間、時(shí)間分辨率、光譜3個(gè)方面入手，具體分析了玉米-大豆輪作遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)需求，并為今后中國農(nóng)業(yè)行業(yè)衛(wèi)星的需求調(diào)研提供參考。

1 農(nóng)作物輪作遙感核查的技術(shù)流程

“鐮刀彎”地區(qū)具體包括河北、山西、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、廣西、貴州、云南、陜西、甘肅、寧夏、新疆這13個(gè)省區(qū)[44]，該地區(qū)位于生態(tài)薄弱區(qū)，主要以種植玉米為主，但因其不處于玉米種植優(yōu)勢(shì)區(qū)，產(chǎn)量較低，因此將這一區(qū)域劃為調(diào)整玉米結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)地區(qū)，以其他優(yōu)勢(shì)作物如大豆等進(jìn)行替代性種植，并利用遙感技術(shù)對(duì)輪作面積進(jìn)行精確核查。

當(dāng)前糧豆輪作遙感核查業(yè)務(wù)由4個(gè)步驟組成，即作物地塊邊界獲取、作物類型識(shí)別、精度驗(yàn)證、匯總統(tǒng)計(jì)，圖1給出了玉米-大豆輪作遙感監(jiān)測(cè)的具體流程。以下對(duì)糧豆輪作遙感監(jiān)測(cè)主要技術(shù)流程作細(xì)致分析，并在此基礎(chǔ)上分析輪作遙感核查業(yè)務(wù)對(duì)衛(wèi)星影像指標(biāo)的需求情況。

圖1 農(nóng)作物輪作遙感核查技術(shù)流程

1.1 作物地塊種植邊界的獲取

利用高分辨率遙感影像確定地塊邊界，為輪作核查提供準(zhǔn)確地塊矢量。在實(shí)際工作中，都是以田埂作為地塊識(shí)別邊界，采用目視修正方法進(jìn)行識(shí)別。具體的技術(shù)流程包括資料準(zhǔn)備、遙感影像初判、實(shí)地核查3個(gè)步驟。

資料準(zhǔn)備的主要內(nèi)容是收集監(jiān)測(cè)區(qū)域農(nóng)戶地塊的具體產(chǎn)權(quán)信息以及地塊的粗略位置、大小等。遙感影像初判指的是基于高分辨率影像，目視判讀繪制地塊范圍。由于衛(wèi)星影像難以精確識(shí)別細(xì)小田埂，因此主要使用無人機(jī)航拍等方式獲取精確的地塊邊界[45]，其空間分辨率通常在0.1 m以上。實(shí)地核查則使用RTK（real-time kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）載波相位差分技術(shù)對(duì)地塊的邊界進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量并對(duì)遙感提取結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證[45]。

地塊邊界獲取是作物輪作監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，必須有高分辨率、高定位精度的遙感影像作為基礎(chǔ)，由于航拍方式覆蓋范圍小、成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，使用高分辨率衛(wèi)星影像作為替代已成為“糧豆輪作”工程遙感監(jiān)測(cè)的迫切需求。

1.2 地塊上作物類型的識(shí)別

在獲取精確的作物種植地塊數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用多源多時(shí)相衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)結(jié)合地面實(shí)地勘察的方式確定地塊內(nèi)作物類別。主要的技術(shù)流程包括遙感影像數(shù)據(jù)篩選及處理、時(shí)序遙感影像作物識(shí)別、識(shí)別結(jié)果與作物地塊套合、地面補(bǔ)充調(diào)查及驗(yàn)證等內(nèi)容。

作物識(shí)別的常用數(shù)據(jù)源以中高分辨率的衛(wèi)星影像為主，包括GF、Rapideye、Landsat、 Sentinel等數(shù)據(jù)，一般需獲取包括作物生長(zhǎng)的早期、中期和晚期3個(gè)時(shí)期的多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)。識(shí)別的常用方法是根據(jù)作物物候特征，判斷不同作物在遙感影像上的時(shí)序光譜特征，選取典型地類樣本，并使用監(jiān)督、非監(jiān)督等方法進(jìn)行分類。

在此基礎(chǔ)上，套合精確的地塊矢量，確定地塊作物類型，并逐地塊進(jìn)行驗(yàn)證和修改，并對(duì)無法識(shí)別地塊進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。最后，依據(jù)相鄰年份作物精確的識(shí)別結(jié)果，確定糧豆輪作的具體范圍、面積以及地塊權(quán)屬，從而為補(bǔ)貼發(fā)放提供依據(jù)。

當(dāng)前，作物類型遙感識(shí)別的主要問題在于數(shù)據(jù)源的缺乏：一方面高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)效性難以保障，重訪周期過長(zhǎng)，覆蓋范圍較小，無法獲取充足晴空數(shù)據(jù)，如GF-2的最高分辨率達(dá)到0.8 m，但回歸周期卻長(zhǎng)達(dá)69 d；另一方面，中分辨率如GF-1/WFV雖然具有較高的重訪周期（標(biāo)稱4 d），但其較低的分辨率、較少的波段設(shè)置（僅有可見光和近紅外4個(gè)波段）使其難以有效識(shí)別破碎地塊作物類型。獲取具有高重訪周期、多波段設(shè)置、高空間分辨率的衛(wèi)星影像，對(duì)于農(nóng)作物輪作遙感核查工作至關(guān)重要，而高空間分辨率與高重訪周期的矛盾，可通過建立多衛(wèi)星星座的方式進(jìn)行部分解決。

1.3 輪作遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度驗(yàn)證

農(nóng)作物輪作遙感監(jiān)測(cè)精度驗(yàn)證包括地塊面積量算精度和地塊作物類型識(shí)別精度，使用地面調(diào)查方式逐地塊展開，原則要求精度是100%；此外，若監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示輪作任務(wù)未達(dá)預(yù)定要求，則需要進(jìn)行二次調(diào)查核實(shí)。在輪作遙感監(jiān)測(cè)工作全面展開后，使用抽樣調(diào)查取代全覆蓋調(diào)查，并使用無人機(jī)調(diào)查的方式對(duì)地面調(diào)查方法進(jìn)行補(bǔ)充，提高效率。

在實(shí)際工作中，根據(jù)中國《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》(GBT 23236—2009)，只要遙感數(shù)據(jù)分辨率大于0.3 m，平面位置中誤差不大于3.5 m，面積監(jiān)測(cè)的實(shí)際精度能達(dá)到99.5%以上，比農(nóng)戶傳統(tǒng)的估算更為準(zhǔn)確，也能夠?yàn)檗r(nóng)戶所認(rèn)可[46]。

2 農(nóng)作物輪作核查遙感監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)需求

根據(jù)農(nóng)作物輪作遙感核查技術(shù)的實(shí)際需求，對(duì)衛(wèi)星載荷指標(biāo)按照空間分辨率、光譜分辨率、時(shí)間分辨率等3個(gè)方面進(jìn)行探討?？臻g分辨率與地塊面積量算精度、最小地塊識(shí)別尺度緊密相關(guān)，光譜分辨率與不同作物識(shí)別能力緊密相關(guān)，時(shí)間分辨率與影像周期性獲取能力密切相關(guān)。玉米-大豆輪作是糧豆輪作的主要方式，“鐮刀彎”地區(qū)是糧豆輪作的重點(diǎn)區(qū)域，且基本從西到東，從北到南橫跨中國大部分區(qū)域，因此，該文就中國陸地范圍內(nèi)玉米-大豆輪作方式開展監(jiān)測(cè)，對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的需求作簡(jiǎn)要論述。

2.1 對(duì)遙感數(shù)據(jù)空間分辨率的需求

空間分辨率關(guān)系到量算精度和最小地塊識(shí)別2個(gè)方面。前面已經(jīng)提到，量算精度要求的是0.3 m空間分辨率，這里分析一下最小識(shí)別地塊的要求。中國農(nóng)作物地塊破碎度程度較大，并且在東北、華北、西北、華東、華中、華南以及西南等地區(qū)破碎度程度也不盡一致，但如果以最小地塊衡量則能簡(jiǎn)化這一問題。在中國，田埂寬度一般為0.3 m左右[47-48]，也是輪作監(jiān)測(cè)中需要識(shí)別的最小寬度，此外中國東北地區(qū)有部分農(nóng)戶習(xí)慣于單壟條播[49]，其最小寬度也在0.3 m左右，這就對(duì)糧豆輪作衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源的分辨率指標(biāo)進(jìn)行了限制。圖2給出了無人機(jī)影像對(duì)0.3 m寬田埂識(shí)別效果，可以看出，在0.1 m分辨率下，地面實(shí)際寬度0.3 m的線狀田埂能夠清晰識(shí)別；0.2 m空間分辨率下，結(jié)合地面調(diào)查 經(jīng)驗(yàn)，也可以定性為田?。辉?.3 m分辨率下，從影像上已較難區(qū)分出田埂，僅能對(duì)田埂兩側(cè)的作物進(jìn)行劃分。

圖2 不同空間分辨率無人機(jī)影像對(duì)0.3 m寬度田埂識(shí)別能力的比較

而根據(jù)王利民等[50]研究，當(dāng)影像分辨率由2 m變?yōu)?50 m時(shí)，作物面積識(shí)別的總體精度逐步由98.6%降低到70.1%，面積誤差絕對(duì)值比例由5.5%擴(kuò)大到110.6%；破碎度越高的地區(qū)，分辨率提高對(duì)于作物面積提取精度的提升作用越明顯；同等分辨率下，破碎度越高的地區(qū)面積識(shí)別精度越低?？梢?，提高影像分辨率對(duì)于提高作物識(shí)別的精度具有重要的作用，尤其在地類破碎區(qū)域。

就衛(wèi)星研制能力角度來看，優(yōu)于0.3 m空間分辨率民用遙感影像目前還不多見。暫時(shí)不考慮傳感器材料與技術(shù)限制因素，僅以以往不同空間分辨率衛(wèi)星出現(xiàn)的時(shí)間周期，估計(jì)優(yōu)于0.3 m空間分辨率數(shù)據(jù)未來能夠普遍獲取的時(shí)間。30、15 m空間分辨率的Landsat-TM數(shù)據(jù)分別出現(xiàn)在1982年、1999年；20、10、2.5、1.5 m空間分辨率的SPOT數(shù)據(jù)分別出現(xiàn)在1986年、1986年、2002年、2012年；5 m空間分辨率的Rapideye數(shù)據(jù)出現(xiàn)在2008年；0.5、0.3 m空間分辨率的Worldview數(shù)據(jù)出現(xiàn)在2007年、2014年，也是當(dāng)前分辨率最高的商業(yè)衛(wèi)星；另據(jù)報(bào)道，美國KH-12衛(wèi)星的分辨率已達(dá)0.1 m[51]。而在國內(nèi)衛(wèi)星中，資源一號(hào)衛(wèi)星分辨率20 m，發(fā)射于1999年，比SPOT同分辨率衛(wèi)星晚13 a；資源三號(hào)衛(wèi)星分辨率2.1 m，發(fā)射于2012年，比同分辨率的SPOT衛(wèi)星晚10 a；而隨著2018年1月9日高景一號(hào)03/04星發(fā)射升空，形成最高分辨率0.5 m的衛(wèi)星星座，相比Worldview同分辨率衛(wèi)星晚9 a。可以看出，國內(nèi)衛(wèi)星與國際衛(wèi)星最高分辨率的差距不斷縮小，若按9 a一個(gè)臺(tái)階推測(cè)，則估計(jì)2023年左右能達(dá)到2014年發(fā)射的Worldview3衛(wèi)星0.3 m分辨率水平，并在2032年左右達(dá)到0.1 m分辨率。

通過上述分析，可以認(rèn)為0.3 m空間分辨率的遙感影像能夠滿足農(nóng)作物輪作遙感監(jiān)測(cè)中以窄小田埂分界的地塊的識(shí)別，但是難以滿足條播地塊識(shí)別的需要；而0.1 m空間分辨率衛(wèi)星遙感影像能夠完全滿足農(nóng)作物輪作遙感監(jiān)測(cè)的影像分辨率需求；同時(shí)預(yù)計(jì)在2023年、2032年左右能夠獲取0.3 m和0.1 m空間分辨率的數(shù)據(jù)。

2.2 對(duì)遙感數(shù)據(jù)光譜譜段設(shè)置的需求

雖然高光譜數(shù)據(jù)包含更豐富的波譜信息，但是由于傳感器制作技術(shù)、獲取能力和成本、處理技術(shù)等的限制，可以預(yù)見多光譜數(shù)據(jù)仍然是農(nóng)作物輪作識(shí)別唯一的選擇。用于農(nóng)作物遙感識(shí)別多光譜波段范圍除可見光-近紅外（0.450 ~0.890m）、短波紅外（1.560 ~2.300m）兩大類外，海岸藍(lán)(0.433 ~0.453m)、黃邊（0.585~0.625m）、紅邊（0.690 ~0.730m）等范圍譜段在一些傳感器中也開始出現(xiàn)[52]，應(yīng)用較為成熟的主要是紅邊譜段[53-54]。下文分別選取覆蓋黑龍江省北安市東勝鄉(xiāng)的2014年7月27日Rapideye和2014年8月7日Landsat-8 OLI衛(wèi)星影像，從可見光-近紅外、紅邊、短波紅外3個(gè)譜段出發(fā)，討論農(nóng)作物輪作監(jiān)測(cè)對(duì)遙感數(shù)據(jù)光譜譜段設(shè)置需求。在這一時(shí)間段內(nèi)，玉米處于抽雄-乳熟期，大豆處于結(jié)痂期，作物生長(zhǎng)旺盛，有利于遙感識(shí)別。識(shí)別方法使用最大似然分類算法，精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)則使用Rapideye影像目視解譯結(jié)合地面調(diào)查精修正成果。

圖3a、3b、3c分別是Rapideye影像5（近紅）-4（紅邊）-3（紅）波段、OLI影像5（近紅）-4（紅）-3（綠）波段、OLI影像6（短波）-5（近紅）-4（紅）波段的RGB假彩色合成效果。表1則給出了可見光-近紅、可見光-近紅-紅邊、可見光-近紅-短波譜段玉米、大豆分類的精度。除玉米、大豆外，研究區(qū)其他地類主要包括城鎮(zhèn)、水體及林地、河灘草地，其中林地NDVI值均較其他地類高，而河灘草地NDVI則較低，均易與玉米和大豆進(jìn)行區(qū)分。

表1 紅邊及短波紅外波段對(duì)玉米和大豆分類精度的影響

由圖3可見，僅有可見光-近紅外波段的影像，玉米、大豆都呈紅色基調(diào)，只是玉米暗紅色，大豆亮紅色。有紅邊的影像，玉米、大豆呈現(xiàn)不同的色調(diào)，玉米呈紅色、大豆呈黃色。有短波紅外的影像，玉米、大豆呈現(xiàn)黃色調(diào)，玉米呈棕紅色，大豆呈杏黃色，較僅有可見光-近紅外波段的紅色調(diào)影像更容易區(qū)分，效果與紅邊類似。由表1可見，就紅邊波段而言，無紅邊和有紅邊2種情況下，總體精度分別為73.1%和80.5%，提高了7.4個(gè)百分點(diǎn)，玉米和大豆的用戶精度分別提高了16.6和3.7個(gè)百分點(diǎn)，制圖精度分別提高了11.0和11.6個(gè)百分點(diǎn)；就短波波段而言，無短波和有短波2種情況下，總體精度分別為65.7%和74.7%，提高了9.0個(gè)百分點(diǎn)，玉米和大豆的用戶精度分別提高了2.8和17.4個(gè)百分點(diǎn)，制圖精度分別提高了10.3和6.4個(gè)百分點(diǎn)。

綜上分析可以明確，以藍(lán)、綠、紅、近紅波段為基礎(chǔ)，增加紅邊、短波紅外譜段，形成包括藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅、短波紅外譜段的多光譜譜段，將能夠有效提高玉米、大豆的識(shí)別能力，也就提高了農(nóng)作物輪作遙感監(jiān)測(cè)能力。其中，具體譜段設(shè)置可以參考現(xiàn)有GF、Rapideye及OLI傳感器的設(shè)置，藍(lán)、綠、紅、近紅波段為0.45~0.52m、0.52~0.59m、0.63~0.69m和0.77~ 0.89m，紅邊譜段為0.690~0.730m，短波譜段為1.560~ 1.660m和2.100~2.300m。

圖3 北安Rapideye和OLI數(shù)據(jù)不同波段假彩色合成效果比較

2.3 對(duì)遙感數(shù)據(jù)觀測(cè)頻率設(shè)置的需求

從圖4可見，晴空概率最低的地區(qū)為四川和貴州地區(qū)，約為30%，其中貴州地區(qū)屬于“鐮刀彎”地區(qū)中的西南石漠化區(qū)，假設(shè)以此區(qū)域作為監(jiān)測(cè)區(qū)域，以生育期較短的大豆作為監(jiān)測(cè)作物，以此計(jì)算符合農(nóng)作物輪作監(jiān)測(cè)需求的衛(wèi)星重訪周期。大豆的生育期一般在90~110 d左右，其種植后第一個(gè)月為生長(zhǎng)早期，第二個(gè)月為生長(zhǎng)中期，第三個(gè)月為生長(zhǎng)晚期。根據(jù)式（2）可以計(jì)算出，若需要保證每個(gè)生育期均有85%的概率至少有一景晴空影像，則衛(wèi)星的重訪周期應(yīng)在6 d以內(nèi)；而若能達(dá)到3 d的重訪周期，則能保證90%以上的概率獲取3個(gè)生育期連續(xù)的時(shí)間序列光譜曲線。

圖4 中國區(qū)域平均晴空分布概率

3 討 論

耕地輪作是用地養(yǎng)地相結(jié)合的一種生物學(xué)措施，合理的輪作休耕有助于抑制雜草及病蟲害，改善植物養(yǎng)分的供給，防止土壤流失，降低水資源的污染，農(nóng)作物輪作休耕制度已經(jīng)成為中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的國策。利用高空間分辨率衛(wèi)星影像，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪作休耕地塊空間位置、面積準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，避免傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)上報(bào)中人為因素的干擾，為農(nóng)戶補(bǔ)貼精準(zhǔn)發(fā)放提供科學(xué)客觀的依據(jù)。該文從分辨率、重訪周期、光譜譜段3方面出發(fā)，為滿足糧豆輪作監(jiān)測(cè)需求的衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)提供具體依據(jù)，以指導(dǎo)未來農(nóng)業(yè)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

根據(jù)需求分析結(jié)果，該文提出高、中、低3種農(nóng)業(yè)衛(wèi)星指標(biāo)需求模式。第一種是高指標(biāo)模式，即0.1 m空間分辨率，藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅和短波譜段設(shè)置，重訪周期3 d。該模式可在不使用其他遙感數(shù)據(jù)源輔助下，滿足全國極端多云多雨區(qū)玉米-大豆輪作的遙感監(jiān)測(cè)需求。第二種是中等指標(biāo)模式，0.3 m空間分辨率，藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅和短波譜段設(shè)置，6 d的重訪周期。該模式需要在其他0.1 m遙感數(shù)據(jù)或地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輔助下獲取條播等地塊信息，在極端云雨天氣下亦有較高的概率獲取晴空影像。第三種是低指標(biāo)模式，0.3 m空間分辨率，基本波段（藍(lán)、綠、紅、近紅）+紅邊或者基本波段+短波選擇其一的譜段設(shè)置方式，6 d重訪周期。該模式與中等模式相比，通過降低譜段數(shù)量降低衛(wèi)星研制成本，但由于減少紅邊或短波波段，可能會(huì)造成其他地物與玉米、大豆混淆，影響識(shí)別精度。

此外，該文提出的光學(xué)衛(wèi)星指標(biāo)的需求分析，是僅就糧豆輪作遙感監(jiān)測(cè)需求提出的。在衛(wèi)星載荷實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還需要考慮衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)制造能力及成本耗費(fèi)，并兼顧其他農(nóng)業(yè)工程項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)需求，提出一個(gè)相對(duì)通用的衛(wèi)星設(shè)計(jì)指標(biāo)，為農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星體系建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

1）為滿足農(nóng)作物輪作遙感核查業(yè)務(wù)需求，農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星的空間分辨率需要達(dá)到0.1 m；在當(dāng)前技術(shù)條件無法滿足的條件下，空間分辨率可設(shè)置為0.3 m，并在地面無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)或地面GPS設(shè)備輔助采集地塊田埂邊界或條播作物地塊。根據(jù)國內(nèi)外衛(wèi)星影像分辨率發(fā)展特點(diǎn)，粗略估計(jì)最晚至2023年可獲取0.3 m分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星影像，2032年獲取0.1 m分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星影像。

2）為滿足農(nóng)作物輪作遙感核查業(yè)務(wù)需求，農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星的重訪周期應(yīng)能達(dá)到3 d左右；由于高時(shí)間分辨率與高空間分辨率之間的矛盾，在技術(shù)條件不足情況下，可以將重訪周期設(shè)置為6 d左右，基本可以滿足絕大部分農(nóng)作物輪作遙感核查區(qū)域的監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)需求。此外，可以采用多衛(wèi)星組網(wǎng)形成衛(wèi)星星座的方式，進(jìn)一步提高衛(wèi)星的重訪周期。

3）為滿足農(nóng)作物輪作遙感核查業(yè)務(wù)需求，農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星的譜段在覆蓋基本波段（藍(lán)、綠、紅、近紅，范圍0.450～0.890m）外，應(yīng)當(dāng)盡量包含紅邊（0.690～0.730m）及短波紅外波段（1.560~1.660m和2.100～2.300m），或至少包含兩者之一。

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Requirement of revisiting period, spatial resolution and spectrum of satellite for grain-soybean rotations monitoring

Liu Jia, Wang Limin※, Yang Fugang, Yang Lingbo, Ji Fuhua

(100081,)

Examination on effect of cereal-soybean rotation is a major business content of agriculture remote sensing monitoring, and the remote sensing data indices are also required for optical satellite development. To meet the requirement on remote sensing monitoring of cereal-soybean rotation, and specially to meet the requirements on the minimal monitoring land parcel, crop types and timeliness, the paper particularly analyzed 3 indices of optical remote sensing satellites: spatial, spectral, and temporal resolutions, and thus provided a theoretical basis for the load design of remote sensing satellites. In setting of spatial resolution, a bulk of arable land was taken as the minimum resolution unit. Based on UAV (unmanned aerial vehicle) images with the resolution of 0.1 m, the paper analyzed the effect of reducing resolution on the visual observation identification capacity on the bulk of arable land by gradually reducing the spatial resolution. In optional spectrum setting, by taking corn and soybean as the major crops of cereal and bean, based on Rapideye images with the spatial resolution of 5 m, and Landsat-OLI images with the spatial resolution of 30 m, the study analyzed the identification capacity on corn and soybean under the combinations of 4 basic wavebands (blue, green, red, and near infrared) and red edge, as well as the combinations of basic wavebands and short wave. In satellite revisiting period setting, the calculation was based on the highest cloud cover frequency of Sichuan Basin of 70%, and the shorter soybean growth period of 90 d. By dividing crop growth stage into 3 periods, i.e. early, middle, and late periods, taking one month as a growth period, the study took 3 clear sky images for each month as the indices to analyze the requirement on the minimum revisiting period of the satellite. The result shows that, to meet the demand of remote sensing examination of crop rotation nationwide, the ideal spatial resolution of remote sensing data shall be better than 0.3 m. By taking spectral setting of basic wavebands (blue, green, red and near infrared) + red edge, or basic wavebands (blue, green, red, and near infrared) + short waveband, the revisiting period has reached 1 time every 3 days. By meeting the above conditions, we can make effective identification on the bulk of arable land with the width of 0.3 m, which is common in China, so as to achieve the target of land identification. It can also achieve the object of identifying the major crop rotation types through effective identification of corns and soybeans in middle growth period by making use of the difference of the spectrum characteristics of red edge and short wave of different crops. High revisiting frequency is used to ensure the acquisition of clear sky images with the 3 periods of acquisition capacity, which not only ensures the acquisition of the images of sensitive periods, but also ensures the acquisition of the image of early periods and later periods. And it can improve the efficiency and accuracy of crop type identification, and thus improve the efficiency of automatic operation on the targets of cereal-bean rotation. The requirement analysis on optical satellite indices in this paper is proposed only for the remote sensing monitoring of cereal-soybean rotation programs. As to whether implement this index or not during the actual design of satellite loads, the satellite load capacity, costs, and the supplement capability of other remote sensing data should be considered, as well as the monitoring demands of other agriculture programs. Proposing a relatively universal satellite design index can lay a foundation for the development of the agriculture remote sensing satellite system.

crops; remote sensing; rotation; verification; China; high resolution; satellite image

劉 佳，王利民，楊福剛，楊玲波，季富華.糧豆輪作遙感監(jiān)測(cè)對(duì)衛(wèi)星時(shí)空及譜段指標(biāo)的需求分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(7)：165－172. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.021 http://www.tcsae.org

Liu Jia, Wang Limin, Yang Fugang, Yang Lingbo, Ji Fuhua. Requirement of revisiting period, spatial resolution and spectrum of satellite for grain-soybean rotations monitoring[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 165－172. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.021 http://www.tcsae.org

2017-11-08

2018-03-08

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“糧食作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)診斷與精確栽培技術(shù)”課題“作物生長(zhǎng)與生產(chǎn)力衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)”（2016YFD0300603）

劉 佳，湖南人，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行研究。Email：liujia06@caas.cn

王利民，內(nèi)蒙古寧城人，博士，主要從事農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行研究。Email：wanglimin01@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.021

S127；S252+.9

A

1002-6819(2018)-07-0165-08