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驻附韦
5 years ago
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1 2015 年全国卫星应用技术交流会基于 FY3B/MERSI 水稻长势监测及其与 AQUA/MODIS 数据对比分析江西省气象科学研究所祝必琴 2015 年 5 月

2 汇报内容一前言二研究区概况三数据来源及对比分析四水稻种植区提取及验证五长势遥感监测方法及应用六结论与讨论

3 一前言水稻是江西省最重要的粮食作物,2012 年全省种植面积约 3328 千 hm 2, 约占粮食总面积的 90.5%, 产量达 1992 万吨, 约占总产的 95.6% 因此, 有必要对我省水稻的实时苗情环境动态和分布状况进行宏观的监测, 可以及时了解水稻的分布概况生长状况土壤墒情肥力行情等 ; 同时, 还可以掌握自然灾害病虫害等对水稻生长的影响等, 可为相关决策部门及水稻生产管理者提供及时准确的数据信息

4 自我国风云三号第一颗卫星 FY-3A 于 2008 年 5 月 27 日成功发射后, 我国相关学者就进行了 FY- 3A/MERSI 数据的应用, 并与 TERRA/MODIS 数据反演差异性进行了比较, 结果都表明两者反演的 NDVI 均具有极显著的相关性, 可以利用 FY-3A 卫星进行植被长势的监测 FY-3B 卫星于 2010 年 11 月 5 日发射成功, 有关应用研究尚鲜见报道因此, 为了推进风云三号卫星数据的应用与分析, 本文尝试利用 FY- 3B/MERSI 数据, 结合江西水稻生长规律, 进行水稻种植面积信息提取及长势监测, 并与 MODIS 反演结果进行比较, 分析 FY-3B 的可靠性与稳定性

5 二研究区概况本研究选择江西省水稻种植集中区作为研究对象, 研究区包括环鄱阳湖的南昌市南昌县新建县等 24 个县 ( 市区 ) ( 以下简称环鄱阳湖区 ), 总面积 38979km 2 环鄱阳湖区农田集中连片, 是长江中下游五大平原之一, 也是我国南方主要的农业生产基地之一江西省土地利用现状类型图

6 三数据来源及对比分析 3.1 数据来源 : 根据水稻生育期及天气状况, 本研究数据源选择同是太阳同步轨道下午卫星且过境时间接近的 2012 年 3 月下旬 ~6 月下旬 12 个时相的 FY3B/MERSI 和 AQUA/MODIS 晴空数据, 这样基本保证了大气状况太阳高度角和太阳方位角的一致性其中,FY3B/MERSI 和 AQUA/MODIS 原始数据分别利用国家卫星气象中心的 SMART 系统和 EOS 卫星接收处理系统进行定标等角投影等处理, 生成 250m 分辨率数据, 再利用 ENVI 遥感软件转换为栅格数据文件进行后续相关计算分析

7 3.2 FY3B/MERSI 与 AQUA/MODIS 数据单通道反射率对比分析 MODIS 和 MERSI 部分对应波段的比较及相关系数波段中心波长 (nm) 带宽 (nm) 分辨率 (m) 主要用途相关系数 MODIS 植物叶绿素吸收 MERSI ** MODIS 云土地植被覆 MERSI 盖变化 ** ** 在 0.01 水平 ( 双侧 ) 上显著相关由上表可知,MERSI 与 MODIS 比较, 红光和近红外波段的中心波长基本接近, 在红光波段两者的带宽也一致 ; 在近红外波段,MERSI 的带宽较 MODIS 为宽 ; 且 FY- 3B/MERSI 与 AQUA/MODIS 水稻种植区红光及近红外波段反射率均具有极显著的相关性, 相关系数均超过 0.96

8 反射率 reflectance/% 反射率 reflectance/% AQUA/MODIS 与 FY-3B/MERSI 水稻种植区单波段反射率日均值 (a 红光,b 近红外 ) 20 MODIS_RED MERSI_RED (a) 35 MODIS_NIR MERSI_NIR (b) 时序编号 sequence number 时序编号 sequence number 由图可知,MODIS-RED 和 MERSI-RED 水稻种植区反射率差异很小, 均分布在 10% 上下, 且 MERSI-RED 反射率略小于对应 MODIS-RED;MODIS-NIR 和 MERSI-NIR 水稻种植区反射率差异略大, 其中,MODIS-NIR 反射率主要分布在 25%~35%, 而 MERSI-NIR 反射率小于对应 MODIS- NIR, 主要分布在 20%~30%

9 四水稻种植区提取及验证 4.1 水稻种植区提取本研究以土地利用数据为基础, 根据水稻种植前期遥感图背景显示为水体颜色, 随着水稻分蘖 ~ 拔节后变为有植被的绿色等变化的不同时期影像, 提取 FY3/MERSI 的 7/6 4 3 三通道假彩色合成图 (EOS/MODIS 假彩色合成通道是 7/6 2 1), 利用 Erdas 遥感软件的 AOI( 感兴趣区域 ) 工具选择有代表性的土地类型作为训练区, 再运用 Erdas 的地理链接功能, 将遥感影像与土地利用数据进行点对点的分析比较, 建立解译标志根据解译标志, 准确判读出了大部分土地类型最后采用计算机监督分类中的最大似然法, 对假彩色合成图像进行监督分类, 并对分类后的图像进行重编码, 得到环鄱阳湖区 2012 年双季早稻种植分布图

10 2012 年环鄱阳湖区双季早稻分布图

11 德安县万年县波阳县星子县丰城市彭泽县新建县都昌县永修县九江市余干县湖口县高安市南昌县乐平市安义县余江县进贤县樟树市临川市奉新县东乡县南昌市九江县 4.2 水稻提取精度验证本研究利用 2012 年统计数据作为精度评价的标准, 对提取面积进行精度评价下图是 2012 年环鄱阳湖区 24 个县 ( 市区 ) 双季早稻面积遥感提取结果与统计面积对比, 可以看出, 水稻的提取精度总体达到了 92% 以上, 该精度可以满足其生育期长势遥感监测的需求面积 area/hm 提取面积 extracted area 统计面积 statistic area 提取精度 extracted precision 提取精度 extracted precision/% 年环鄱阳湖区双季早稻面积遥感提取结果与统计面积对比

12 五长势遥感监测方法及应用目前, 国内外的学者已研究发展了几十种不同的植被指数监测模型 Deering(1978 年 ) 提出的归一化差值植被指数 (NDVI), 虽然算法简单, 却拥有数据具有可比性空间覆盖范围广植被检测灵敏度高等优势, 依然是目前长势监测中应用最为广泛的植被指数之一因此, 本文利用 NDVI 进行水稻长势遥感监测,NDVI 模型如下 : NDVI 式中 nir red 和分别为近红外波段与可见光 ( 红光 ) 波段的反射率, 分别对应 MERSI 的 4 3 通道和 MODIS 的 2 1 通道 NDVI 值的范围是 -1~1, 一般绿色植被区的范围是 0.2~0.8 由于该指数与植被密度呈正相关, 因此, 苗情长势越好, 其 NDVI 值越大 nir nir red red

13 MERSI-NDVI 5.1 水稻区 MERSI-NDVI 与 MODIS-NDVI 相关性计算研究区 24 个县 ( 市区 )2012 年双季早稻分蘖 ~ 拔节期同时次的 MERSI-NDVI 与 MODIS-NDVI 均值进行 MERSI- NDVI 与 MODIS-NDVI 相关性分析得到二者关系式如下 : y = x y = x R 2 = 其中 : Y 为 FY3B/MERSI 卫星监测的各县水稻区 NDVI 均值,X 为 AQUA/MODIS 卫星监测的各县水稻区 NDVI 均值相关系数为 0.711, 通过 0.01 的显著性水平检验, 表明二者呈显著正相关 ; 且 MERSI-NDVI 稍低于对应 MODIS-NDVI, 这与前人研究结果一致 MODIS-NDVI 双季早稻分蘖 ~ 拔节期 MERSI-NDVI 与 MODIS-NDVI 县均值

14 5.2 长势遥感监测应用对照苗情分级指标, 根据 NDVI 植被指数法, 分别利用同时次的 FY3B/MERSI 和 AQUA/MODIS 遥感影像对 2012 年环鄱阳湖区双季早稻分蘖 ~ 拔节期长势进行监测, 并制定出早稻长势标准 : 一类苗 :MODIS-NDVI 0.580;MERSI-NDVI 二类苗 :0.280 MODIS-NDVI<0.580; MERSI-NDVI<0.489 三类苗 :MODIS-NDVI<0.280;MERSI-NDVI< 0.288

15 2012 年环鄱阳湖区双季早稻分蘖 ~ 拔节期长势分布图根据上述指标, 分析制作出环鄱阳湖区双季早稻长势遥感监测分布图图中, 红色区域为一类苗, 绿色区域为二类苗, 蓝色区域为三类苗, 数字为试验区该生育期各农业气象观测站点实际苗情观测数据由图可知, 采用 FY3B/MERSI 和 AQUA/MODIS 测得的水稻长势与水稻实际苗情数据基本吻合, 表明由 FY3B/MERSI 遥感资料监测的水稻长势与实际相符

16 六结论与讨论 6.1 结论 (1)FY-3B/MERSI 与 AQUA/MODIS 水稻区红光及近红外波段反射率均具有极显著的相关性, 相关系数均超过 0.96, 且 MERSI 两波段的反射率都略小于对应 MODIS 反射率 (2) 通过目视解译和遥感监督分类方法提取的水稻空间分布, 精度总体达到了 92% 以上, 可以满足其生育期长势遥感监测的需求 (3)FY3B/MERSI 和 AQUA/MODIS 计算的水稻区 NDVI 存在显著正相关, 且 MERSI-NDVI 稍低于对应 MODIS-NDVI; 两卫星测得的水稻长势均与实际苗情数据基本吻合, 因此, 我国自己研发的中分辨率风云三号 B 星同样可以满足水稻长势遥感监测的业务化需要

17 6.2 讨论 (1) 本研究仅对一个水稻生育期长势监测结果进行了分析, 今后有待进行长时间序列相关研究来验证 FY3B 的稳定性 (2) 研究中, 水稻种植面积由遥感解译提取, 若能建立信息提取模型则更便于大尺度业务化的长势遥感监测, 这是今后研究的方向 (3) 利用 250 米分辨率的 MERSI 或 MODIS 遥感影像进行作物面积提取时存在混合像元问题, 如何对混合像元进行分解提高面积提取精度有待进一步研究

18 请各位领导专家批评指正!

重要信息提示本期要目

重要信息提示本期要目 THINK TANK CN11-4114/D 2-704 34 830 2012827 北京市邮政畅销期刊 www.ccgov.net.cn 重要信息提示本期要目领导决策信息江西红色土地绿色崛起落霞与孤鹜齐飞秋水共长天一色渔舟唱晚响穷彭蠡之滨１３００多年前诗人王勃向着浩渺的鄱阳湖吟出了这万古流传的名篇鄱阳湖是我国最大的淡水湖曾被认为是中国四大淡水湖泊中唯一没有出现富营养化的湖泊