合成孔径雷达技术在喀斯特山区烟草种植定量监测应用探讨

2012-04-01 17:48:46周忠发贾龙浩
测绘通报 2012年1期
关键词:烤烟山区烟草

周忠发,李 波,贾龙浩

(1.贵州师范大学中国南方喀斯特研究院,贵州贵阳550001;2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地,贵州贵阳550001;3.贵州省科技风险投资管理中心,贵州贵阳550002)

一、引 言

近30年来,遥感技术在大面积作物产量预测、农情预报等方面作出了重要贡献[1]。遥感获得的时间序列图像可以体现作物土壤和作物特征的光谱变化,并提供作物生长的时空变化信息。遥感在作物监测方面的关键技术包括:高分辨率、多时相光学遥感图像的使用与基于多源遥感数据与辅助数据的融合分析等。自20世纪60年代国际上第一部全天时、全天候成像能力的合成孔径雷达(SAR)系统诞生以来。合成孔径雷达(SAR)的全天时、全天候成像能力使其成为多云多雨天气地区的主导性中、高分辨率的遥感信息源。

贵州高原山区常年多云多雨,光学遥感数据获取难度较大,作为周期性监测数据并不理想,而合成孔径雷达遥感数据采用主动遥感方式,其SAR技术不受云雨限制,更加适合多云雾山区的遥感应用。同时,贵州高原山区喀斯特地貌大面积出露地表,地势崎岖,地块破碎,使得烟田分布不集中,烟田地形复杂多样,现代烟草农业生产难以集约化,在烟草生长监测和烟叶估产方面也显示出极大的困难。因此,将微波成像可以穿透云层的高分辨率雷达数据应用于贵州高原山区现代烟草农业生产调查中,可实现现代烟草农业生产监测中烟草面积精准提取和烟叶估产模型的建立,为贵州喀斯特山区地区建立具有时效性、前瞻性、互动性、规范性的现代烟草农业生产监测系统及估产系统打下可靠坚实的基础,并能以信息化支撑现代化,促进现代烟草农业的规模化、集约化,为推进贵州山区现代烟草农业发展提供有力的信息化管理支撑。

二、贵州喀斯特山区烟草种植与分布

1.贵州喀斯特山区烟草种植与分布

贵州省常年种植烤烟260万亩,产量700万担(1担=50 kg),占全国烤烟面积的15%左右,居全国第二。贵州全省都位于西南部烟区,大部分地区海拔在1000~2000 m,全区气候垂直气候差异比较明显,作物从一年一熟到一年三熟不等,虽多阴雨天但基本上雨热同季,有利于烤烟生长。地带性土壤为黄壤、黄棕壤,多呈酸性或微酸性,含盐和氯较低,一般质地较为黏重,但排水良好,对烤烟生长较为适宜。以贵州遵义为代表的黔北地区,是中国烤烟的最适宜区,包括2个二级区。贵州省是我国的传统优质烟叶产区,根据贵州省最新烟叶种植区划研究成果,全省适宜种植面积2800万亩,占全省国土面积的11%。其中,最适宜面积1600万亩,占全省国土面积的6%[2]。贵州烟叶是中间香型烟叶的典型代表,是中式卷烟不可替代的优质原料。贵州烤烟区北部属于黔北高原中山峡谷区,海拔800~1200m;中部为黔中高原区,海拔900~1500m;南部为高原中低山峡谷,海拔600~1400 m。贵州烤烟区烤烟大田生长季平均降水量为922.5 m,占全年降水量的77%,年日照时数1100~1400 h,太阳年总辐射量 3431.4 ~3973.2MJ/m3。

2.研究区基本概况

本研究以贵州省清镇市流长现代烟草农业基地单元为依托,选择该基地单元马场片区的茶山村为研究区,该烟区属于黔中高原区。清镇市隶属于贵州省贵阳市,距贵州省省会贵阳约22 km,东接贵阳的乌当、花溪两区,西邻毕节地区织金市,南与安顺市平坝市接壤,北与毕节地区黔西市及贵阳市修文市交界,面积1492 km2,辖6乡4镇及青龙街道办事处,人口53万。清镇共有耕地面积35.05万亩,森林覆盖率31.1%,农产品以水稻、玉米、小麦、油菜、洋芋等为主。市南部地势较为平缓,以丘陵和喀斯特化低山为主,地势从南西向北东渐减。东部及中部属浅、低山丘陵区,平均海拔高1327m,其余区域为浅丘向中低山狭谷过渡区,平均海拔高1295m。

流长基地单元辖流长、犁倭、红枫湖等3个乡(镇),宜烟土地81 420亩;土壤以黄砂壤、黄壤为主;PH值5.5~6.5,呈微酸性;有机质含量丰富。属亚热带季风湿润气候,年平均气温14℃,无霜期275 d,年平均降雨量 1150.4 mm,年日照时数1433 h。土壤条件和气候条件均有利于烤烟生产。主产烟区集中在流长乡、犁倭乡,面积占基地单元的90.26%。2010年落实种植计划16 907亩,收购烟叶4.57万担。通过现代烟草农业建设基地单元规划实施后,实现常年种植烤烟1.66万亩,户均种植面积近34亩。

三、合成孔径雷达与种植面积定量遥感监测

1.合成孔径雷达技术

雷达(radar)意即无线电探测与测距(radio detection and ranging)。遥感技术应用中的雷达系统,一般皆为侧视成像雷达系统(SLR或SLAR),即只能观测飞行平台左侧下方(或右侧下方)一定角度范围内的地面。侧视雷达按其天线工作方式的不同,可分为真实孔径侧视雷达(RAR)和合成孔径雷达(SAR)两类。

SAR系统采用了与RAR完全不同的技术来获得方位向的高分辨率,即采用了合成孔径的思想:采用小孔径天线,利用多普勒频移效应与信号数据处理合成技术,从而使合成孔径天线能够产生极高的方位分辨率。SAR系统既可以装载在飞机上,也可装载在航天飞机或卫星上。由于飞机、遥感卫星等飞行平台的载重量有限,不能载过大、过重的天线,因此现在常采用合成天线的技术来提高方位分辨率。当前,遥感技术应用中所有的现代机载、星载雷达都是SAR。所以,成像雷达遥感一般即指SAR遥感,即合成孔径雷达遥感[3]。

2.遥感定量监测时机的选择

烟草生长是其物质逐步积累的过程。遥感图像则是对某一时刻地物种类和组合方式的反映,地物光谱信息的相似性和相互干扰是影响地物遥感识别和分类的主要因素。因此,根据烟草物候及典型地物波谱特点,选择波谱差异最大的时相,将有利于遥感定量监测目标的实现。在考虑遥感监测成本因素的情况下,可以选择烤烟生产的关键环节进行重点监测。重点考虑以下的因素:一是将地面农学参数观测与空间遥感数据监测时间进行同步或准同步;二是在人力、物力有限的情况下,安排烟草生长关键期进行监测,使获取的数据和构建的模型可大面积运用,并可在主产烟区推广。因为烟草生长发育规律与其生态环境的变化频率不同,所以对监测的时空分辨率要求也不同。冠层温度呈现以秒或分为单位的节奏变化;烟株水分以小时为单位变化;叶绿素以天为单位变化;叶面积以周为单位变化。贵州烟区烤烟每年4月下旬到5月上旬移栽,从烟草移栽开始到采收结束,大致需要120天左右,故种植面积的监测周期以4~5个月为宜。

3.烟草种植面积定量遥感监测数据处理

遥感数据的预处理是烟草种植监测等农业遥感应用的基础。在定量化遥感研究中,需要将空中遥感器接收到的电磁波信号与地物光谱仪接收到的电磁波信号及地物的理化特征联系起来加以分析,这就需要对遥感器进行定标,包括实验室定标和星上定标。其中,实验室定标包括光谱定标和辐射定标两个主要部分。定标完成后,由于在太阳—大气—目标—大气—遥感器的光线传播路径中,诸多因素会造成接受信号不能完全准确反映地表物理特征,因而必须进行辐射校正,即消除掺杂在图像中所记录的辐射亮度上的各种干扰项[4]。

在烟草种植面积定量遥感监测中,由于成像原理和条件限制,会采用多源数据,包括遥感数据和非遥感数据结合起来,因此影像融合是非常必要的一个手段。将多源数据按照一定的规则进行预算处理,将会获得比单一数据更精确的信息,生成具有空间、时间、波谱等特征的合成影像,突出烟草定量监测的专题信息,保持良好的影像光谱信息,减少失真。

4.烟草种植面积定量遥感监测数据结果分析

经过对2011年对基地单元SAR技术定量监测,统计研究区内贵州省清镇流长烟叶站与烟农签订的烟草种植合同,可知研究区烟草实际种植面积为622亩。

1)由于还苗期—团棵期监测内,烟苗较低矮,雷达影像上更多的是反映烟田信息,所以其分类面积略大于烟草实际种植面积。

2)2011年研究区内年降水量较往年偏少,致使研究区乃至整个清镇流长基地单元的烟水配套工程作用发挥有限。而烟草旺长期内对水分要求较高,使得部分烟株因缺少水分而枯萎,同时烟叶品质严重下降。因此,旺长监测期内监测的烟草面积少于实际种植面积。

3)研究区复杂的地形地貌,导致不同地貌部位形成不同小气候,对研究区内烟草的生长产生各种胁迫,从而增加了成熟期烟草收割时机的复杂性。所以本期对烟草种植面积监测时,出现已收割完毕和未收割完毕两种情况。

四、结论与讨论

贵州地处云贵高原,属于高原喀斯特山地烤烟区,其小气候以多云多雨为主,地形起伏复杂,地貌多样,区域差异、垂直差异极其显著,农业立体性强[5]。烟草种植与其他农作物有相似之处,但同时也有其特殊性。作物面积监测与估产是空间遥感技术最重要的应用领域之一。遥感定量监测烟草种植面积应根据烟草种植的特殊性,不断完善其研究方法,特别是探索使用SAR在内的多源遥感数据,对于进一步提高烟草种植面积监测精度和估产精度具有重要的现实意义。

本文通过对贵州省清镇流长现代烟草农业基地单元示范区的微波遥感定量监测研究,探索出了SAR对贵州喀斯特高原山区典型烟草种植区域定量监测的技术路线。其分类结果较精确,适用于贵州喀斯特山区复杂的地形地貌及气候条件,能够为贵州山区的烟草种植面积提供及时、准确、有效的监测,能够为我国西南烟区乃至全国烟草行业实现监测实时化、种植精准化提供技术支持。下一步工作需要深入研究和准确掌握贵州山区烟草的生长机制,以及其在特殊山地环境下的光谱特征,做好遥感监测与估产的基础工作;同时建立基于遥感数据和烟草生长模拟模型相结合的同化估产模型,其能充分发挥遥感与作物生长模型二者的优势,并具有合理的作物产量形成生理生态机制的解释。

[1]林文鹏,王长耀.大尺度作物遥感监测方法与应用[M].北京:科学出版社,2010:2-18.

[2]王彦亭,谢剑平,李志宏.中国烟草种植区划[M].北京:科学出版社,2010.

[3]舒士畏.雷达图像及其应用[M].北京:中国铁道出版社,1989.

[4]王纪华,赵春江,王文江,等.农业定量遥感基础与应用[M].北京:科学出版社,2010.

[5]刘梦琦,周忠发.喀斯特高原山区IRS-P6影像最佳融合方法选择研究[J].2009,28(4):419-425.

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