基于北京二號高分辨率遙感影像的糖料蔗“雙高”基地歸一化植被指數分析

（廣西壯族自治區自然資源信息中心，廣西南寧 530023）

糖料蔗是廣西農業的優勢特色產業，種植高峰時期涉及94個縣（市、區），總種植面積達1 650萬畝[1]，自2005年以來，廣西糖料蔗種植面積和產糖量均占全國產量的60%以上[1-2]。然而，由于近年來國際糖價下跌，廣西糖料蔗種植機械化水平低、種植分散，導致種植成本居高不下，種植面積逐年減少[3]。

為確保國家食糖安全，避免蔗糖產業過度依賴國際市場，廣西壯族自治區人民政府辦公廳印發了《廣西推進“雙高”基地生產全程機械化實施方案（2015-2020年）》[3-4]。“雙高”基地建設對推進廣西全區糖料蔗種植規模化、機械化發展以及提高畝產量起到了示范性作用。

遙感技術在農業方面應用廣泛，由于其高覆蓋面、短重訪周期、低獲取成本的特性，被應用于大規模作物監測估產之中[5]。Landsat/TM、MODIS等遙感影像被應用于我國小麥、水稻、玉米等主要糧食作物的監測，提取分類精度較為理想[6-7]。中、低分辨率遙感影像適用于我國北方農作物單一地區，但對于丘陵遍布、地塊破碎、作物種類多樣的南方地區，各類特色作物需要高分辨率影像更清晰的紋理特征和更豐富的光譜特性才能進行有效區分[8]。國外商用高分辨率衛星價格高昂，難以展開大面積的農業監測工作。

隨著國家航天事業的興起，我國遙感衛星已逐步替代國外衛星實現數據國產化，高分辨率遙感影像覆蓋率逐年提高，覆蓋周期逐年縮短，數據使用成本降低[9]。

本文以國產高分辨率遙感影像作為數據基礎，通過探究“雙高”基地糖料蔗歸一化植被指數的時序變化規律，分析其在高分辨率遙感影像上的特性，開展對廣西全區范圍內的“雙高”基地的快速監測，掌握全區糖料蔗種植面積提供了參考依據。

1 數據與方法

1.1 甘蔗生長特性

糖料蔗生育期可分為苗期、分蘗期、莖伸長期和工藝成熟期四個階段。根據其宿根性，糖料蔗又分為新植蔗和宿根蔗，新植蔗一般于3月開始播種，5月進入分蘗期，6～10月為莖伸長期，11月為工藝成熟期。宿根蔗生育期約滯后于新植蔗15～20 d，加之氣候、地理位置等因素，糖料蔗在廣西全區范圍內的生育時期存在一定的差異[10]。

1.2 數據來源

北京二號屬于國產商業衛星，衛星星座由3顆光學遙感衛星組成，搭載VHRI-100成像儀，在軌提供幅寬約24 km、0.8分辨率全色和3.2 m分辨率藍、綠、紅、近紅外多光譜影像。不同月份的“雙高”基地高分辨率影像光譜信息對比如圖1所示。

圖1 不同月份“雙高”基地高分辨率影像光譜信息對比

“雙高”基地范圍數據依托糖業發展大數據平臺建設項目獲得，通過將“雙高”基地圖斑與正射校正、融合后的2019年不同月份北京二號高分辨率衛星影像套合，獲得時間序列的“雙高”基地影像圖斑，可發現不同生長時期“雙高”基地的光譜特性。

苗期、分蘗期糖料蔗植株低矮、植被稀疏，影像紋理接近裸露地表，區分度低；6～8月，“雙高”基地植被逐漸茂密，但由于宿根性不同導致的植株高度、長勢差異，同一區域的不同地塊仍呈現不同的紋理特征；9月，“雙高”基地紋理逐漸趨同，生物素達到峰值；11月，進入工藝成熟期，部分糖料蔗開始砍收，未砍收的糖料蔗由于水分流失、集聚糖分，圖斑均勻但淺于9月。

由于本文研究的糖料蔗植被指數特征主要應用于“雙高”基地監測與估產，且莖伸長期為產糖量提升的關鍵時期，因此，僅針對莖伸長期（6～9月）進行逐月采樣，并選取11月為工藝成熟期進行參照比對。

1.3 方法

由于植物葉子的細胞結構在近紅外波段具有高反射值，葉綠素在紅光波段具有強吸收的特征，在多光譜遙感圖像中，利用近紅外與紅波段比值，可以突出圖像中植被特征、提取植被類別或估算綠色生物量。歸一化植被指數（NDVI）是被廣泛應用的指數之一，計算如下：

式中：ρnir——北京二號衛星影像中的近紅外；ρred——北京二號衛星影像中的紅波段值。

2 結果與分析

隨機提取“雙高”基地不同月份樣本點NDVI值作為抽樣數據，并采用主成分分析（PCA）方法過濾5%的噪聲值。NDVI值隨時間變化的分布圖與統計信息如圖1、表1所示。

圖1 2019年度“雙高”基地NDVI值抽樣情況

表1 2019年度“雙高”基地NDVI值抽樣統計表

根莖伸長期、工藝成熟期NDVI值均保持在0～0.54之間，根莖伸長期中期（7月）NDVI值差異顯著，二值性最強（標準差=0.159 0），隨著時間推移，根莖伸長期晚期（9月）NDVI值逐漸收斂至0.2～0.45之間。與9月相比，工藝成熟期（11月）NDVI范圍差相近，但整體下降約0.13。

3 結論

本試驗得到了“雙高”基地糖料蔗從莖伸長期到工藝成熟期的NDVI值范圍。隨著糖料蔗的生長，NDVI值呈收斂趨勢，這是由于“雙高”基地植物量隨時間的推移而增加，新植蔗、宿根蔗差異逐漸縮小導致的。工藝成熟期NDVI值下降，是由于季節變化、糖料蔗生長成熟、葉面干枯等因素導致的。

（1）高分辨率遙感影像適用于耕地破碎、作物多樣且光譜相似度高的南方地區，且能夠有效提升試驗數據的準確性；（2）使用北京二號單一影像源，可避免異源傳感器參數差異導致的光譜特性差異；（3）選擇歸一化植被指數進行研究，有效排除大氣、太陽高度角等因素造成的差異；（4）選擇無云覆蓋的影像盡可能排除了天氣、水汽等對NDVI值造成的影響；（5）隨機選取全區范圍內的“雙高”基地的樣本點，可兼顧廣西區內的南北差異，最大限度地反映全區整體情況。

4 結語

本試驗研究并掌握了“雙高”基地糖料蔗歸一化植被指數的時序變化規律。利用試驗成果，可快速、有效地區分“雙高”基地中的休耕土地、林地、水面與人工地表（房屋、道路）等，及時發現非法占用農田、種植其他作物等現象，有利于監管部門進行及早處置。同時，可重點利用9月份高分辨率遙感影像，對廣西全區進行摸排，及時掌握糖料蔗種植面積，合理統籌安排機械化收割、榨糖工作。此外，還可結合當年蔗糖產量數據，研究其NDVI值的數學關系并進行估產，服務于糖業主管部門的宏觀管控。