合成孔徑雷達技術在喀斯特山區煙草種植定量監測應用探討

周忠發，李 波，賈龍浩

(1．貴州師范大學中國南方喀斯特研究院，貴州貴陽550001;2．貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地，貴州貴陽550001;3．貴州省科技風險投資管理中心，貴州貴陽550002)

一、引 言

近30年來，遙感技術在大面積作物產量預測、農情預報等方面作出了重要貢獻[1]。遙感獲得的時間序列圖像可以體現作物土壤和作物特征的光譜變化，并提供作物生長的時空變化信息。遙感在作物監測方面的關鍵技術包括：高分辨率、多時相光學遙感圖像的使用與基于多源遙感數據與輔助數據的融合分析等。自20世紀60年代國際上第一部全天時、全天候成像能力的合成孔徑雷達(SAR)系統誕生以來。合成孔徑雷達(SAR)的全天時、全天候成像能力使其成為多云多雨天氣地區的主導性中、高分辨率的遙感信息源。

貴州高原山區常年多云多雨，光學遙感數據獲取難度較大，作為周期性監測數據并不理想，而合成孔徑雷達遙感數據采用主動遙感方式，其SAR技術不受云雨限制，更加適合多云霧山區的遙感應用。同時，貴州高原山區喀斯特地貌大面積出露地表，地勢崎嶇，地塊破碎，使得煙田分布不集中，煙田地形復雜多樣，現代煙草農業生產難以集約化，在煙草生長監測和煙葉估產方面也顯示出極大的困難。因此，將微波成像可以穿透云層的高分辨率雷達數據應用于貴州高原山區現代煙草農業生產調查中，可實現現代煙草農業生產監測中煙草面積精準提取和煙葉估產模型的建立，為貴州喀斯特山區地區建立具有時效性、前瞻性、互動性、規范性的現代煙草農業生產監測系統及估產系統打下可靠堅實的基礎，并能以信息化支撐現代化，促進現代煙草農業的規模化、集約化，為推進貴州山區現代煙草農業發展提供有力的信息化管理支撐。

二、貴州喀斯特山區煙草種植與分布

1．貴州喀斯特山區煙草種植與分布

貴州省常年種植烤煙260萬畝，產量700萬擔(1擔=50 kg)，占全國烤煙面積的15%左右，居全國第二。貴州全省都位于西南部煙區，大部分地區海拔在1000～2000 m，全區氣候垂直氣候差異比較明顯，作物從一年一熟到一年三熟不等，雖多陰雨天但基本上雨熱同季，有利于烤煙生長。地帶性土壤為黃壤、黃棕壤，多呈酸性或微酸性，含鹽和氯較低，一般質地較為黏重，但排水良好，對烤煙生長較為適宜。以貴州遵義為代表的黔北地區，是中國烤煙的最適宜區，包括2個二級區。貴州省是我國的傳統優質煙葉產區，根據貴州省最新煙葉種植區劃研究成果，全省適宜種植面積2800萬畝，占全省國土面積的11%。其中，最適宜面積1600萬畝，占全省國土面積的6%[2]。貴州煙葉是中間香型煙葉的典型代表，是中式卷煙不可替代的優質原料。貴州烤煙區北部屬于黔北高原中山峽谷區，海拔800～1200m;中部為黔中高原區，海拔900～1500m;南部為高原中低山峽谷，海拔600～1400 m。貴州烤煙區烤煙大田生長季平均降水量為922．5 m，占全年降水量的77%，年日照時數1100～1400 h，太陽年總輻射量 3431．4 ～3973．2MJ/m3。

2．研究區基本概況

本研究以貴州省清鎮市流長現代煙草農業基地單元為依托，選擇該基地單元馬場片區的茶山村為研究區，該煙區屬于黔中高原區。清鎮市隸屬于貴州省貴陽市，距貴州省省會貴陽約22 km，東接貴陽的烏當、花溪兩區，西鄰畢節地區織金市，南與安順市平壩市接壤，北與畢節地區黔西市及貴陽市修文市交界，面積1492 km2，轄6鄉4鎮及青龍街道辦事處，人口53萬。清鎮共有耕地面積35．05萬畝，森林覆蓋率31．1%，農產品以水稻、玉米、小麥、油菜、洋芋等為主。市南部地勢較為平緩，以丘陵和喀斯特化低山為主，地勢從南西向北東漸減。東部及中部屬淺、低山丘陵區，平均海拔高1327m，其余區域為淺丘向中低山狹谷過渡區，平均海拔高1295m。

流長基地單元轄流長、犁倭、紅楓湖等3個鄉(鎮)，宜煙土地81 420畝;土壤以黃砂壤、黃壤為主;PH值5．5～6．5，呈微酸性;有機質含量豐富。屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫14℃，無霜期275 d，年平均降雨量 1150．4 mm，年日照時數1433 h。土壤條件和氣候條件均有利于烤煙生產。主產煙區集中在流長鄉、犁倭鄉，面積占基地單元的90．26%。2010年落實種植計劃16 907畝，收購煙葉4．57萬擔。通過現代煙草農業建設基地單元規劃實施后，實現常年種植烤煙1．66萬畝，戶均種植面積近34畝。

三、合成孔徑雷達與種植面積定量遙感監測

1．合成孔徑雷達技術

雷達(radar)意即無線電探測與測距(radio detection and ranging)。遙感技術應用中的雷達系統，一般皆為側視成像雷達系統(SLR或SLAR)，即只能觀測飛行平臺左側下方(或右側下方)一定角度范圍內的地面。側視雷達按其天線工作方式的不同，可分為真實孔徑側視雷達(RAR)和合成孔徑雷達(SAR)兩類。

SAR系統采用了與RAR完全不同的技術來獲得方位向的高分辨率，即采用了合成孔徑的思想：采用小孔徑天線，利用多普勒頻移效應與信號數據處理合成技術，從而使合成孔徑天線能夠產生極高的方位分辨率。SAR系統既可以裝載在飛機上，也可裝載在航天飛機或衛星上。由于飛機、遙感衛星等飛行平臺的載重量有限，不能載過大、過重的天線，因此現在常采用合成天線的技術來提高方位分辨率。當前，遙感技術應用中所有的現代機載、星載雷達都是SAR。所以，成像雷達遙感一般即指SAR遙感，即合成孔徑雷達遙感[3]。

2．遙感定量監測時機的選擇

煙草生長是其物質逐步積累的過程。遙感圖像則是對某一時刻地物種類和組合方式的反映，地物光譜信息的相似性和相互干擾是影響地物遙感識別和分類的主要因素。因此，根據煙草物候及典型地物波譜特點，選擇波譜差異最大的時相，將有利于遙感定量監測目標的實現。在考慮遙感監測成本因素的情況下，可以選擇烤煙生產的關鍵環節進行重點監測。重點考慮以下的因素：一是將地面農學參數觀測與空間遙感數據監測時間進行同步或準同步;二是在人力、物力有限的情況下，安排煙草生長關鍵期進行監測，使獲取的數據和構建的模型可大面積運用，并可在主產煙區推廣。因為煙草生長發育規律與其生態環境的變化頻率不同，所以對監測的時空分辨率要求也不同。冠層溫度呈現以秒或分為單位的節奏變化;煙株水分以小時為單位變化;葉綠素以天為單位變化;葉面積以周為單位變化。貴州煙區烤煙每年4月下旬到5月上旬移栽，從煙草移栽開始到采收結束，大致需要120天左右，故種植面積的監測周期以4～5個月為宜。

3．煙草種植面積定量遙感監測數據處理

遙感數據的預處理是煙草種植監測等農業遙感應用的基礎。在定量化遙感研究中，需要將空中遙感器接收到的電磁波信號與地物光譜儀接收到的電磁波信號及地物的理化特征聯系起來加以分析，這就需要對遙感器進行定標，包括實驗室定標和星上定標。其中，實驗室定標包括光譜定標和輻射定標兩個主要部分。定標完成后，由于在太陽—大氣—目標—大氣—遙感器的光線傳播路徑中，諸多因素會造成接受信號不能完全準確反映地表物理特征，因而必須進行輻射校正，即消除摻雜在圖像中所記錄的輻射亮度上的各種干擾項[4]。

在煙草種植面積定量遙感監測中，由于成像原理和條件限制，會采用多源數據，包括遙感數據和非遙感數據結合起來，因此影像融合是非常必要的一個手段。將多源數據按照一定的規則進行預算處理，將會獲得比單一數據更精確的信息，生成具有空間、時間、波譜等特征的合成影像，突出煙草定量監測的專題信息，保持良好的影像光譜信息，減少失真。

4．煙草種植面積定量遙感監測數據結果分析

經過對2011年對基地單元SAR技術定量監測，統計研究區內貴州省清鎮流長煙葉站與煙農簽訂的煙草種植合同，可知研究區煙草實際種植面積為622畝。

1)由于還苗期—團棵期監測內，煙苗較低矮，雷達影像上更多的是反映煙田信息，所以其分類面積略大于煙草實際種植面積。

2)2011年研究區內年降水量較往年偏少，致使研究區乃至整個清鎮流長基地單元的煙水配套工程作用發揮有限。而煙草旺長期內對水分要求較高，使得部分煙株因缺少水分而枯萎，同時煙葉品質嚴重下降。因此，旺長監測期內監測的煙草面積少于實際種植面積。

3)研究區復雜的地形地貌，導致不同地貌部位形成不同小氣候，對研究區內煙草的生長產生各種脅迫，從而增加了成熟期煙草收割時機的復雜性。所以本期對煙草種植面積監測時，出現已收割完畢和未收割完畢兩種情況。

四、結論與討論

貴州地處云貴高原，屬于高原喀斯特山地烤煙區，其小氣候以多云多雨為主，地形起伏復雜，地貌多樣，區域差異、垂直差異極其顯著，農業立體性強[5]。煙草種植與其他農作物有相似之處，但同時也有其特殊性。作物面積監測與估產是空間遙感技術最重要的應用領域之一。遙感定量監測煙草種植面積應根據煙草種植的特殊性，不斷完善其研究方法，特別是探索使用SAR在內的多源遙感數據，對于進一步提高煙草種植面積監測精度和估產精度具有重要的現實意義。

本文通過對貴州省清鎮流長現代煙草農業基地單元示范區的微波遙感定量監測研究，探索出了SAR對貴州喀斯特高原山區典型煙草種植區域定量監測的技術路線。其分類結果較精確，適用于貴州喀斯特山區復雜的地形地貌及氣候條件，能夠為貴州山區的煙草種植面積提供及時、準確、有效的監測，能夠為我國西南煙區乃至全國煙草行業實現監測實時化、種植精準化提供技術支持。下一步工作需要深入研究和準確掌握貴州山區煙草的生長機制，以及其在特殊山地環境下的光譜特征，做好遙感監測與估產的基礎工作;同時建立基于遙感數據和煙草生長模擬模型相結合的同化估產模型，其能充分發揮遙感與作物生長模型二者的優勢，并具有合理的作物產量形成生理生態機制的解釋。

[1]林文鵬，王長耀．大尺度作物遙感監測方法與應用[M]．北京：科學出版社，2010：2-18．

[2]王彥亭，謝劍平，李志宏．中國煙草種植區劃[M]．北京：科學出版社，2010．

[3]舒士畏．雷達圖像及其應用[M]．北京：中國鐵道出版社，1989．

[4]王紀華，趙春江，王文江，等．農業定量遙感基礎與應用[M]．北京：科學出版社，2010．

[5]劉夢琦，周忠發．喀斯特高原山區IRS-P6影像最佳融合方法選擇研究[J]．2009，28(4)：419-425．