“天眼”助力摸清冬小麦面积家底

——资划所“国产GF-1卫星冬小麦面积遥感监测技术”

文章来源:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所作者: 点击数:发布时间:2017-01-05【字体:   

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所农业遥感团队面向国家对冬小麦种植面积信息高效获取的迫切需求,立足于国产高分卫星遥感数据日益丰富的现状,根据国家农情遥感监测数据安全战略的需要,创建了基于高分一号卫星数据中国冬小麦遥感监测关键技术,其中,预处理技术、自动识别技术、区域业务监测体系等3个组成部分具有原创性,达到了国内领先水平,具有在全球监测业务中应用的潜力。
  自从美国1972年发射了第一颗陆地资源卫星之后的40多年,遥感技术在农作物估产、旱涝灾情监测、农业资源调查等领域发挥了积极作用。中国遥感应用正步入黄金期,尤其是我国高分辨率对地观测系统重大专项(高分专项)近年取得斐然成就。作为我国重大科技专项之一,高分专项不仅是“天眼工程”,也是服务经济社会建设与发展的“应用工程”、“创新工程”。该项目计划发射7颗民用卫星,2013年以来已经成功发射4颗高分辨率(高分)卫星,并已持续获取海量高分数据。
  农业遥感团队是首批进入中国农业科学院科技创新工程的团队之一,其中农情遥感技术研究方向建成了国内唯一稳定运行超过10年的国家农作物遥感监测系统(CHARMS),逐步实现了全国小麦、玉米、水稻等主要农作物种植面积、长势、产量的工程化运行监测。2002年以来,估产结果被正式纳入农业部“国家农情信息发布日历”,为农业部、国家发改委等部门每年及时客观掌握全国粮食生产状况、指导粮食生产、调控农产品进出口等发挥了重要作用。相关研究处于国内领先水平,达到国际同步水平,系统被政府间国际地球观测组织(GEO)列为向全球推广的农作物遥感监测系统之一。
  以刘佳研究员为首的冬小麦面积监测研究团队是一支平均年龄三十多岁的年轻队伍,他们克服了技术攻关任务重、野外调查验证范围广、作物生长监测时间有限的重重困难,取得了一系列技术成果,共出版论著1部、发表研究论文20篇,申请软件著作权10个,获得了显著的科学、社会与经济效益。


冬小麦调查1
 

冬小麦调查2
 

冬小麦调查3


  “天眼”相助
  冬小麦是我国最主要的农作物之一,及时、准确地获取冬小麦播种面积信息对于保障我国粮食安全、促进粮食贸易显得极其重要。传统的依靠统计手段获取播种信息的方式耗时长,近年来遥感技术的应用极大地提高了冬小麦播种面积监测的效率,从原有的耗时数月缩短到几天。我国从70年代开始冬小麦面积遥感监测,但截至到2013年,80%以上的遥感数据仍然依赖国外卫星,并且这些数据无法满足我国冬小麦面积监测对遥感数据的需求,总体监测精度不高,数据处理的自动化程度低。
  刘佳介绍,随着2013年4月我国高分一号卫星的成功发射,过去完全依赖国外卫星数据的局面被彻底改变了。与国外同类卫星相比,高分一号卫星的重访时间短、覆盖范围广,空间分辨率显著提高。在冬小麦的生育期内可以多次完整覆盖全国主产区,非常适合冬小麦遥感监测,能够提高监测精度、降低运行成本,提高国产数据使用率。但与此同时,也带来一些新的问题,首先是缺少针对性的数据预处理和冬小麦识别方法,影响了数据使用;其次是数据量处理工作量太大,影响监测效率。

  数据处理再创新
  项目组通过多年的研究,突破了数据处理速度和精度的技术瓶颈。创建了国产高分一号卫星数据的预处理技术,由以往的单幅影像逐幅处理改进为批量处理,大幅度提高了数据处理效率;在数据校正过程中加入了“区域网平差”的计算,提高了高分遥感数据处理的精度,满足了冬小麦面积遥感监测对数据精度的要求,保障了冬小麦数据处理源,为全国范围农作物种植面积自动提取提供了技术支撑。
  有了可靠的数据源,还需要准确、易操作的模型模拟方法,项目组针对冬小麦生长特点设计了识别模型,首次提出了冬小麦种植面积遥感指数,攻克了国产高分一号卫星数据冬小麦种植区面积自动识别的技术瓶颈,完善了冬小麦分类方法和验证技术,实现了冬小麦面积自动提取,达到了同类研究的最高精度,为国产高分数据农情遥感监测业务化应用奠定了基础。

  首次获得全国冬小麦高分全景图片
  项目组总结了十多年的冬小麦面积监测工作经验,健全并完善了各环节的标准和规范,将监测工作按照模块化管理,根据工作流程把数据处理、模型模拟、质量检验、撰写报告等工作有机地结合在一起,创建了完善的冬小麦面积监测业务化技术流程,并完全依靠国产卫星数据和经过改进的分类方法获得了全国第一张16米空间分辨率的全国主产区冬小麦空间分布图。该成果实现了使用单一传感器数据源的高精度作物面积空间分布制图,与已有的类似成果相比空间分辨率和监测精度都有了显著提高,为国家农业发展决策提供更加准确的科学依据。
  成果在国家、省级等不同行业的农业遥感监测业务体系中已得到广泛应用。构建了国产高分一号冬小麦遥感监测关键技术,实现了遥感数据完全国产化,监测结果精细到田块程度,在农业部14家单位组成的“国家农情遥感监测业务运行系统”、河南省、山西省、新疆维吾尔族自治区、民政部卫星减灾中心等农情遥感监测业务中得到应用,监测效率提高30%以上。成果的实施最终实现了快速准确地获取