高分四號(hào)衛(wèi)星在青海省草原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王成倫1 李果1 張強(qiáng)1 孔祥皓1 裴青生2 楊樺1 陳卓一1

一、概述

青海省是國(guó)家安全的戰(zhàn)略縱深區(qū)、生態(tài)保護(hù)的戰(zhàn)略屏障區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，青海省地處青藏高原腹地，是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江的三江源發(fā)源地，有“中華水塔”之稱。青海省是國(guó)內(nèi)高原生物多樣性最集中的地區(qū)，是亞洲、北半球乃至全球氣候變化的敏感區(qū)，特殊的地理位置、豐富的自然資源、重要的生態(tài)功能使其成為我國(guó)青藏高原生態(tài)安全屏障的重要組成部分。由于受到氣候與人類活動(dòng)的共同影響，青海地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化，受到了國(guó)內(nèi)外各界的普遍關(guān)注。

青海省東西長(zhǎng)約1800km，南北長(zhǎng)約900km，其中52%以上為草原。草原是青海生態(tài)環(huán)境中最重要的環(huán)節(jié)，草原的四情“草情、水情、疫情和鼠情”是關(guān)鍵要素，其中“草情和水情”可以采用高分遙感系列衛(wèi)星提供服務(wù)支撐?；趪?guó)內(nèi)現(xiàn)有低軌遙感衛(wèi)星或無(wú)人機(jī)等重訪時(shí)間長(zhǎng)和覆蓋范圍窄等限制，繪制一幅完整的青海省草原圖像需要3個(gè)月以上，而青海省每年青草生長(zhǎng)時(shí)間為3個(gè)半月左右，這對(duì)草原草情的及時(shí)掌握，以及草原畜牧的智能調(diào)配都有很大制約，難以滿足青海省在1周之內(nèi)重訪一遍的要求。高分四號(hào)衛(wèi)星（GF-4）具有時(shí)間分辨率高、幅寬大等特點(diǎn)，可見(jiàn)光多譜段和紅外譜段設(shè)置，非常適合青海省草原草情、水情和草原火情等要素的觀測(cè)。

二、高分四號(hào)衛(wèi)星介紹及應(yīng)用分析

1.高分四號(hào)衛(wèi)星情況介紹

高分四號(hào)衛(wèi)星是國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)民用系列中唯一的一顆高軌光學(xué)衛(wèi)星，能夠提供高時(shí)間分辨率、大幅寬和50m空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)，為減災(zāi)、氣象、地震、林業(yè)、環(huán)保和其他行業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)急需要提供支持。

高分四號(hào)衛(wèi)星采用新研制的高軌遙感衛(wèi)星平臺(tái)，承載可見(jiàn)光和中波紅外共口徑的光學(xué)相機(jī)，配置0.5N·m大力矩動(dòng)量輪實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)，能夠在30s內(nèi)實(shí)現(xiàn)整星機(jī)動(dòng)0.64°并穩(wěn)定，具備對(duì)突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力。衛(wèi)星成像工作模式主要為：凝視模式、區(qū)域模式和機(jī)動(dòng)巡查等模式。

2.高分四號(hào)衛(wèi)星圖像在草原生態(tài)環(huán)境方面的應(yīng)用分析

青海省草原生態(tài)環(huán)境要素主要有草原草情、水情、火情和沙塵覆蓋等，這些通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)。高分四號(hào)衛(wèi)星的載荷為可見(jiàn)光近紅外和中波紅外共口徑設(shè)置的凝視成像相機(jī)，其譜段設(shè)置、空間分辨率設(shè)計(jì)和通過(guò)衛(wèi)星機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的廣域的可視范圍等，都可為上述的監(jiān)測(cè)要素提供支持。

草原草情監(jiān)視主要通過(guò)植被指數(shù)來(lái)進(jìn)行反演。植被指數(shù)主要通過(guò)歸一化差分植被指數(shù)（NDVI）來(lái)描述。NDVI又稱標(biāo)準(zhǔn)差異植被指數(shù)，主要用來(lái)檢測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等。NDVI的表達(dá)式為：

式中，NIR表示近紅外區(qū)的觀測(cè)值；VIS表示可見(jiàn)光區(qū)的觀測(cè)值（在分光的情況下為紅色區(qū)）。高分四號(hào)衛(wèi)星分別設(shè)置了近紅外和紅色譜段，這為觀測(cè)NDVI提供了基礎(chǔ)；且高分四號(hào)衛(wèi)星每幅圖像幅面為500km×500km以上，通過(guò)6次觀測(cè)就可以覆蓋青海省全境，見(jiàn)圖1所示；算上成像時(shí)間、數(shù)據(jù)下傳及衛(wèi)星機(jī)動(dòng)時(shí)間，觀測(cè)一次青海省全境的植被指數(shù)的時(shí)間在10min之內(nèi)。

高分四號(hào)衛(wèi)星全色和彩色譜段的空間分辨率都為50m，且VNIR通道采用10bit量化，量化分層數(shù)為1024，其灰度值和空間分辨率設(shè)置滿足水體覆蓋監(jiān)測(cè)的需要。

一般森林和草原火點(diǎn)的溫度為500～600K，其發(fā)熱輻射峰值為3～5μm，使用中波紅外手段可以對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行有效檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林和草原火災(zāi)，準(zhǔn)確定位著火地點(diǎn)，實(shí)時(shí)掌握火災(zāi)發(fā)展態(tài)勢(shì)，為救災(zāi)工作提供強(qiáng)有力的保障措施。高分四號(hào)衛(wèi)星中波紅外譜段設(shè)置為3.5μm - 4.1μm，NE T≤0.2K@350K，動(dòng)態(tài)范圍為240K～650K，滿足草原火災(zāi)的監(jiān)測(cè)。

圖1 高分四號(hào)衛(wèi)星通過(guò)6次觀測(cè)覆蓋青海省全境示意圖（有重疊）

由于黃色譜段為大氣吸收譜段，高分四號(hào)衛(wèi)星沒(méi)有設(shè)置黃色譜段，不能直接對(duì)泥沙進(jìn)行監(jiān)視，但青海省草原顏色比較單一，除了綠色草原和藍(lán)色水體外，其他主要是沙塵覆蓋，但草原和水體可以通過(guò)高分四號(hào)衛(wèi)星直接觀測(cè)，因此沙塵也可以間接觀測(cè)。

三、高分四號(hào)衛(wèi)星圖像在青海省草原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

1.在草原草情方面的應(yīng)用

對(duì)青海湖周邊2017年7月17日和2017年8月13日兩幅高分四號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行植被覆蓋度的提取，提取結(jié)果圖及相關(guān)分析如下：

依據(jù)研究范圍，對(duì)青海省海北州左上：經(jīng)度98.038°，緯度39.149°；右下：經(jīng)度102.664°，緯度36.750°；中心點(diǎn)經(jīng)度100.192°，緯度37.721°，基于混合像元分解法進(jìn)行植被覆蓋度信息提取。并為了更好地研究植被覆蓋度的空間變化，將植被覆蓋度劃分為四個(gè)等級(jí)，低級(jí)植被覆蓋度（0～30%），中等植被覆蓋度（30%～50%），中高植被覆蓋度（50%～80%），高植被覆蓋度（80%～100%）。從圖2和圖3植被覆蓋分布圖可以看出，整個(gè)研究范圍來(lái)說(shuō)，最東北部以及青海湖植被覆蓋度最低，為低級(jí)植被覆蓋，植被覆蓋為0-30%；青海湖的北部以及東部植被大多為高植被覆蓋，植被長(zhǎng)勢(shì)較好，而青海湖西部接近邊緣地區(qū)植被覆蓋度較低，為中等植被覆蓋分布。2017年8月13日影像部分地區(qū)有云覆蓋，與2017年7月17日影像相比，2017年8月13日植被覆蓋度整體有所下降，且高植被覆蓋度植被、中高植被覆蓋度植被比例有所下降，低植被覆蓋和中等植被覆蓋度植被比例有所上升。8月較7月相比，青海湖的東部植被變化較小，青海湖的西部植被變化很明顯，西部中高覆蓋度植被明顯減少，低級(jí)覆蓋度植被明顯增多，可知8月比7月植被有所減少。圖4為青海湖周邊植被覆蓋度分布變化統(tǒng)計(jì)圖。2017年7月17日中高覆蓋度和高覆蓋度植被面積占比較大，分別為整個(gè)研究范圍的29%和27%，而中等覆蓋度植被則為總面積的14%。2017年8月13日植被覆蓋度發(fā)生了明顯變化，其中低級(jí)覆蓋度和中等覆蓋度植被面積明顯增多，低級(jí)覆蓋度植被覆蓋面積由原來(lái)的32520.58km2增加到40982.43km2，面積占比由原來(lái)的30%變?yōu)?8%；中等覆蓋度植被面積占比由原來(lái)的14%變?yōu)?9%，增加了5%；中高覆蓋度植被面積有所下降，面積占比由原來(lái)的29%變?yōu)?3%；高級(jí)覆蓋度植被則呈明顯的降低趨勢(shì)，面積占比由原來(lái)的27%變?yōu)?9%，降低了8%。大體呈現(xiàn)低級(jí)和中等覆蓋度面積增加，中高和高級(jí)覆蓋度面積減少的變化情況。

圖2 基于高分四號(hào)衛(wèi)星圖像的青海湖周邊植被覆蓋分布圖（2017-07-17）

圖3 基于高分四號(hào)衛(wèi)星圖像的青海湖周邊植被覆蓋分布圖（2017-08-13）

圖4 基于高分四號(hào)衛(wèi)星圖像的青海湖周邊植被覆蓋分布變化統(tǒng)計(jì)圖（2017年7月17日——8月13日）

2.在草原水情方面的應(yīng)用

利用高分四號(hào)2017年7月17日（圖5）和2017年8月13日（圖6）兩幅圖像對(duì)青海湖進(jìn)行水體提取，結(jié)果展示如下。

依據(jù)研究范圍，對(duì)青海湖海北州左上：經(jīng)度99.597°，緯度37.275°；右下：經(jīng)度100.792°，緯度36.531°；中心點(diǎn)經(jīng)度100.210°，緯度36.93°，做水體面積提取。根據(jù)提取結(jié)果可得2017年7月17日，青海湖水域面積為4337.512km2；2017年8月13日，青海湖水域面積為4349.682km2，可知2017年中8月比7月水域面積略有擴(kuò)張。

圖5 基于高分四號(hào)衛(wèi)星圖像的青海湖水體提取(2017-07-17)

圖6 基于高分四號(hào)衛(wèi)星圖像的青海湖水體提取(2017-08-13)

高分四號(hào)衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)地區(qū)的全時(shí)間重復(fù)觀測(cè)。鑒于高分四號(hào)衛(wèi)星的波段配置，在提取積雪分布時(shí)容易受到云的干擾，但高分四號(hào)可以對(duì)目標(biāo)連續(xù)凝視成像，通過(guò)對(duì)比不同時(shí)相高分四號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可以有效剔除云等干擾引起的影響，并提取積雪覆蓋變化范圍，并通過(guò)與同期高分一號(hào)等衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)比，積雪覆蓋面積變化相對(duì)精度優(yōu)于80%，高分四號(hào)衛(wèi)星具有較好的積雪覆蓋變化監(jiān)測(cè)能力。

如圖7和圖8為高分四號(hào)衛(wèi)星對(duì)青海省青海湖周圍成像積雪范圍變化監(jiān)測(cè)圖。

圖7 高分四號(hào)衛(wèi)星對(duì)青海省青海湖周圍成像積雪范圍監(jiān)測(cè)圖（2017-01-22）

圖8 高分四號(hào)衛(wèi)星對(duì)青海省青海湖周圍成像積雪范圍監(jiān)測(cè)圖（2017-02-01）

3.在草原火情方面的應(yīng)用

自從高分四號(hào)衛(wèi)星投入使用至今，在青海省還沒(méi)有發(fā)生大型草原火災(zāi)災(zāi)害，但高分四號(hào)衛(wèi)星對(duì)國(guó)內(nèi)外森林火災(zāi)進(jìn)行了多次觀測(cè)，且森林和草原火災(zāi)有相似的地方。圖9為澳大利亞火災(zāi)監(jiān)測(cè)圖像。雖然高分四號(hào)衛(wèi)星中波紅外空間分辨率為400m，但其靈敏度高和動(dòng)態(tài)范圍寬，如果有1m左右見(jiàn)方的草原著火，高分四號(hào)衛(wèi)星就可以判斷有火災(zāi)，因此在干旱季節(jié)可以重點(diǎn)監(jiān)視草原情況，提前發(fā)現(xiàn)小火災(zāi)，將會(huì)為草原防火提供巨大幫助。

圖9 基于高分四號(hào)衛(wèi)星中波紅外圖像監(jiān)視森林大火（右中上白點(diǎn)為著火點(diǎn)）

4.在草原荒漠化方面的應(yīng)用

高分四號(hào)的可見(jiàn)光多譜段圖像可以對(duì)已有沙化土地進(jìn)行分類，其精度可以和LandSat-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分類識(shí)別結(jié)果進(jìn)行比較。針對(duì)固定/半固定沙地，高分四號(hào)數(shù)據(jù)的制圖精度為84.38%，高于LandSat-8數(shù)據(jù)的82.73%；針對(duì)流動(dòng)沙地，高分四號(hào)數(shù)據(jù)的制圖精度為86.92%，略低于LandSat-8數(shù)據(jù)的89.13%。如圖10和11分別為高分四號(hào)和LandSat-8的草原荒漠化SVM（Support Vector Machine，指的是支持向量機(jī)，是常見(jiàn)的一種判別方法。在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，是一個(gè)有監(jiān)督的學(xué)習(xí)模型，通常用來(lái)進(jìn)行模式識(shí)別、分類以及回歸分析）信息監(jiān)視圖。

圖10 高分四號(hào)圖像SVM分類結(jié)果圖

圖11 LandSat-8衛(wèi)星圖像SVM分類結(jié)果圖

青海省草原在春秋季節(jié)風(fēng)多，沙塵會(huì)隨風(fēng)遷移。如果對(duì)沙帶隨風(fēng)遷移情況有動(dòng)態(tài)掌握，將會(huì)對(duì)荒漠化治理有很大幫助。高分四號(hào)衛(wèi)星可以對(duì)500km×500km的范圍持續(xù)成像，并可以快速機(jī)動(dòng)對(duì)整個(gè)青海省需要觀測(cè)的地方連續(xù)成像，因此，高分四號(hào)衛(wèi)星適合連續(xù)監(jiān)視沙帶的移動(dòng)。

四、結(jié)束語(yǔ)

高分四號(hào)衛(wèi)星投入使用以來(lái)，已在青海省草原和水情監(jiān)測(cè)方面獲得應(yīng)用，雖然在草原防火和沙塵監(jiān)測(cè)方面還沒(méi)有得到實(shí)際驗(yàn)證，但基于高分四號(hào)衛(wèi)星的高時(shí)間分辨率、寬覆蓋和良好的機(jī)動(dòng)特征，將會(huì)在這些方面得到良好的應(yīng)用，也將會(huì)為以青海省為代表的全國(guó)各地的生態(tài)提供良好的服務(wù)。