環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星在生態(tài)保護紅線區(qū)植被覆蓋信息提取中的應(yīng)用

檀暢 王飛 王霓妮 滕佳華 游代安 劉思含

(1 生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)(2 國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感實驗室，北京 100094)

近年來，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，我國生態(tài)環(huán)境的形勢日益嚴峻。國家出于維護生態(tài)安全的需要，劃定了生態(tài)保護紅線，它是我國環(huán)境保護的重要制度創(chuàng)新和關(guān)鍵舉措。生態(tài)保護紅線是指在自然生態(tài)服務(wù)功能、環(huán)境質(zhì)量安全、自然資源利用等方面，需要實行嚴格保護的空間邊界與管理限值，以維護國家和區(qū)域生態(tài)安全及經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，保障人民群眾健康[1]。生態(tài)紅線保護區(qū)本質(zhì)上屬于生態(tài)功能重要區(qū)域和生態(tài)環(huán)境敏感脆弱區(qū)域，必須予以嚴格保護[2]。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，在水土保持、物質(zhì)循環(huán)等方面發(fā)揮著重要作用，對氣候變化及人類活動響應(yīng)靈敏[3]。因此，植被覆蓋度通常被作為衡量生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)環(huán)境狀況的一個綜合量化指標[4]，能夠在一定程度上反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。獲取生態(tài)保護紅線區(qū)的植被覆蓋狀態(tài)，對于分析、評估生態(tài)保護紅線區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義[5]。

隨著我國環(huán)保工作的不斷深入，生態(tài)環(huán)境評估等新的環(huán)境保護工作需要將環(huán)境監(jiān)測從點擴展到面、從靜態(tài)擴展到動態(tài)、從局地擴展到全域[6]，環(huán)境減災二號A/B(HJ-2A/B)衛(wèi)星就是在這樣的背景下研制發(fā)射的，是《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃》(2015-2025)中規(guī)劃的兩顆衛(wèi)星[7]；由2顆16 m光學衛(wèi)星組成(A星和B星)，于2020年9月27日成功發(fā)射，設(shè)計壽命5年。衛(wèi)星搭載4個有效載荷，包括：16 m CCD相機(5個波段)、高光譜成像儀、紅外相機和大氣校正儀，可提供16 m多光譜、48 m/96 m高光譜和48 m/96 m紅外圖像數(shù)據(jù)。HJ-2A/B衛(wèi)星通過協(xié)同組網(wǎng)觀測，在不考慮云霧的影響下，可見光及紅外多光譜數(shù)據(jù)2天可覆蓋全國一次、高光譜數(shù)據(jù)15天覆蓋全國一次，可為國土資源、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地震等行業(yè)提供重要的數(shù)據(jù)支撐，提升生態(tài)環(huán)境主體業(yè)務(wù)中遙感數(shù)據(jù)國產(chǎn)化率。

本文從生態(tài)紅線保護區(qū)生態(tài)環(huán)境評估的應(yīng)用需求出發(fā)，以生態(tài)紅線保護區(qū)的植被覆蓋情況為切入點，選擇北京百花山自然保護區(qū)作為典型試驗區(qū)，開展HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)在生態(tài)保護紅線區(qū)植被覆蓋信息提取應(yīng)用的分析研究，并以高分一號(GF-1)衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取結(jié)果作為參考，評估該數(shù)據(jù)對植被信息提取所能達到的精度水平，確定其是否可以滿足生態(tài)保護紅線區(qū)植被覆蓋信息提取業(yè)務(wù)化運行的需求。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

北京百花山自然保護區(qū)是北京市生態(tài)紅線保護區(qū)的重要組成部分，暖溫帶華北石質(zhì)山地次生林是其主要保護對象，屬于典型的山地森林生態(tài)系統(tǒng)，是北京西部的一道綠色屏障[8]。北京百花山國家級自然保護區(qū)(115°25′～115°42′E, 39°48′～40°05′N)位于北京市門頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)境內(nèi)，1985年批準成立，并于2008年升級為國家級自然保護區(qū)，占地總面積為21 743.1公頃，是北京市面積最大的自然保護區(qū)。北京百花山自然保護區(qū)地處亞高山地帶，屬于典型的中緯度溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，冬季干燥寒冷多風，夏季溫熱多雨，春季干旱，秋季晴朗少風，溫度適中。保護區(qū)年降水量在450～720 mm，多集中在6、7、8三個月，約占全年降水量的70%。全年平均氣溫6～7 ℃，全年無霜期110天左右。蒙古櫟林是當前百花山自然保護區(qū)分布最廣的森林群落之一，覆蓋度達 80%[9]。北京百花山自然保護區(qū)因其物種資源的豐富、地理位置的特殊，對區(qū)域性氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)和風沙防治等具有巨大的生態(tài)作用。因此，本文選擇北京百花山自然保護區(qū)作為研究區(qū)域。

1.2 遙感數(shù)據(jù)及預處理

本研究選取2021年5月10日拍攝的HJ-2A/B衛(wèi)星多光譜影像來開展植被覆蓋度反演測評工作，選取成像時間同樣為2021年5月10日的GF-1衛(wèi)星作為參考影像。圖1為覆蓋研究區(qū)的HJ-2A/B和GF-1衛(wèi)星真彩色波段合成影像，影像特征非常相近。HJ-2A/B和GF-1衛(wèi)星影像需要經(jīng)過包括輻射校正、大氣校正和幾何校正等預處理才能準確開展植被覆蓋度反演研究。本文利用HJ-2A/B和GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的頭文件獲取定標參數(shù)，先對HJ-2A/B和GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)可見光、近紅外波段數(shù)據(jù)進行輻射校正；然后利用衛(wèi)星過境時實測大氣廓線、6S模型等對數(shù)據(jù)進行大氣輻射校正，得到可見光、近紅外波段地表反射率數(shù)據(jù)；在研究區(qū)域內(nèi)通過選取分布均勻的20～30個控制點，利用多項式模型對兩景影像進行幾何校正，將它們統(tǒng)一投影到WGS-84坐標下，它們之間的配準誤差低于1個像元。(上述預處理操作是在ENVI 5.3軟件中進行的。)

圖1 覆蓋研究區(qū)域的遙感影像Fig.1 Remote sensing images covering the study area

2 分析方法

生態(tài)紅線保護區(qū)植被覆蓋信息提取分析流程如圖2所示。①選取合適時段的遙感影像；②根據(jù)2.2節(jié)描述的方法進行圖像預處理；③計算歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)；④基于NDVI指數(shù)與地表植被覆蓋度之間的關(guān)系，進行地表植被覆蓋度的估算；⑤對遙感估算的植被覆蓋度進行分級，其中，覆蓋度高于0.85為地表植被覆蓋，屬于優(yōu)等狀態(tài)；0.70～0.85屬于良好狀態(tài)；0.55～0.70屬于中等狀態(tài)；0.40～0.55屬于一般狀態(tài)；低于0.40屬于地表植被覆蓋比較差的狀態(tài)。對HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GF-1衛(wèi)星參照數(shù)據(jù)估算的結(jié)果進行分級面積統(tǒng)計，并對統(tǒng)計結(jié)果進行對比分析，評定兩種數(shù)據(jù)反演結(jié)果分級統(tǒng)計面積之間是否一致。從專題圖分級圖形的總體趨勢和抽取一定數(shù)量的植被覆蓋度分級圖斑，對HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GF-1衛(wèi)星參照數(shù)據(jù)估算結(jié)果專題圖進行比對，評定兩種數(shù)據(jù)結(jié)果的空間分布趨勢之間是否吻合；⑥根據(jù)植被覆蓋度估算結(jié)果的分級統(tǒng)計面積、空間分布趨勢綜合評價HJ-2A/B衛(wèi)星的16 m多光譜數(shù)據(jù)在地表植被覆蓋度信息提取中的應(yīng)用能力。

圖2 本文植被覆蓋信息提取步驟Fig.2 Steps of vegetation cover information extraction in this study

歸一化植被指數(shù)NDVI計算如下：

(1)

式中：VNDVI為歸一化植被指數(shù)的值；ρNIR為遙感影像近紅外波段的反射率(%)；ρRed為遙感影像紅光波段的反射率(%)。

植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比。目前已經(jīng)發(fā)展了很多利用遙感測量植被覆蓋度的方法，較為實用的方法是利用植被指數(shù)近似估算植被覆蓋度，常用的植被指數(shù)為NDVI。下面是在像元二分模型的基礎(chǔ)上基于NDVI指數(shù)估算植被覆蓋度的方法[10]。

(2)

式中：VVFC為植被覆蓋度(%)；VNDVI-soil為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無植被覆蓋像元的NDVI值；VNDVI-veg代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度計算結(jié)果

基于兩組遙感影像，根據(jù)式(2)，分別計算得出研究區(qū)域的植被覆蓋度，植被覆蓋度分布如圖3所示。從圖中可以看出，5月百花山植被進入生長期，植被覆蓋度較高， HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算的結(jié)果與GF-1衛(wèi)星估算的結(jié)果在空間分布上大致吻合。

圖3 數(shù)據(jù)估算的植被覆蓋度分布圖Fig.3 Vegetation coverage distribution map estimated

根據(jù)測試數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)反演的植被覆蓋度結(jié)果，對其進行等級劃分，植被覆蓋度等級占比統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示，統(tǒng)計結(jié)果對比如表1所示。從表中可以看出， HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GF-1衛(wèi)星參考數(shù)據(jù)估算的植被覆蓋度在各個等級范圍內(nèi)的占比相當。其中，植被覆蓋度大于0.5的區(qū)域范圍均占50%以上，HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算結(jié)果略高。植被覆蓋度小于0.1的區(qū)域范圍占30%以上，HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結(jié)果略低。植被覆蓋度高值區(qū)主要位于山區(qū)，植被生長狀態(tài)較好，低值區(qū)主要分布在影像西部的城鎮(zhèn)周邊區(qū)域。

圖4 植被覆蓋度等級占比統(tǒng)計圖Fig.4 Statistical diagrams of grade proportion of vegetation coverage estimated

表1 植被覆蓋度分級統(tǒng)計對比表Table 1 Comparison table of grade proportion of vegetation coverage estimated

3.2 植被覆蓋度地面驗證

為了更好地評估HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)在生態(tài)保護紅線區(qū)植被覆蓋信息提取中的應(yīng)用能力，2021年5月10日—5月12日在懷來實驗站開展了植被覆蓋度地面驗證實驗，通過在官廳水庫附近構(gòu)建3個大小為30 m×30 m的地面樣方(如圖5所示)，同時使用無人機拍攝樣方區(qū)域的高分辨率遙感影像，然后提取無人機影像中的植被像元，最后通過統(tǒng)計植被像元的多少計算得到樣方區(qū)域的植被覆蓋度。同時，選取HJ-2A/B衛(wèi)星在實測數(shù)據(jù)日期附近質(zhì)量最好的一景數(shù)據(jù)(HJ-2B衛(wèi)星在2021年5月7日拍攝的一景)，利用前面所述的植被覆蓋度估算方法，反演出樣方區(qū)域在遙感數(shù)據(jù)植被覆蓋度。最后，對比無人機遙感數(shù)據(jù)和HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)分別得到的植被覆蓋度，評估HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算植被覆蓋度的能力。圖6為3塊樣方無人機拍攝的示意圖，3個樣方中的植被覆蓋類型分別為梨樹、杏樹和桃樹。

圖5 位于官廳水庫附近的3塊無人機樣方點的Google影像Fig.5 Google Earth image of three drone quadrat sites near the Guanting Reservoir

由于HJ-2B衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的空間分辨率為16 m，為減小幾何位置誤差帶來的影響，對樣方經(jīng)緯度坐標鄰近的9個像元取平均，與地面無人機實測值進行對比。結(jié)果如表2所示。杏樹點的衛(wèi)星估算數(shù)據(jù)相較于地面實測數(shù)據(jù)低估較多，通過結(jié)合實際測量狀況，發(fā)現(xiàn)杏樹點樣方附近為植被覆蓋很小的小樹，只有杏樹一塊比較大，混合像元造成了杏樹點的低估。而梨樹和桃樹點樣方衛(wèi)星估算的植被覆蓋度相對誤差較小。上述結(jié)果表明HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以用于植被覆蓋度的信息提取，精度符合業(yè)務(wù)化運行的要求。

圖6 3塊無人機樣方示意圖Fig.6 Schematic diagram of three UAV quadrats

表2 HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算的植被覆蓋度誤差結(jié)果Table 2 Error results of vegetation coverage estimated from HJ-2A/B satellites data

4 結(jié)束語

HJ-2A/B衛(wèi)星空間分辨率為16 m多光譜數(shù)據(jù)的空間細節(jié)豐富、數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，能在較大程度上反映地表植被覆蓋的空間細節(jié)信息，能夠較好地區(qū)分有植被覆蓋類型和其他無植被覆蓋類型。利用該數(shù)據(jù)對地表植被覆蓋度進行反演得到的結(jié)果精度、分級統(tǒng)計面積與參照數(shù)據(jù)GF-1衛(wèi)星反演的結(jié)果一致性較好，而且空間分布趨勢與參照數(shù)據(jù)結(jié)果也大致吻合。此外，結(jié)合無人機地面驗證結(jié)果，表明16 m光學業(yè)務(wù)衛(wèi)星HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠滿足生態(tài)保護紅線區(qū)植被覆蓋信息提取業(yè)務(wù)需求。