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基于GF-1与Landsat-8多光谱遥感影像的玉米LAI反演比较

2016-09-13 11:36:32来源:《农业工程学报》2015年第31卷第9期 编辑:浏览:

为了进一步检验回归模型的反演精度,采用图4中指数模型反演GF-1影像NDVI和Landsat-8影像BRNDVI的LAI,用地面实测LAI验证模型反演效果,见图5。2类遥感影像对玉米LAI反演预测值与地面实测值之间存在一致的线性关系,RMSE分别为0.105和0.107,说明2类数据能够成功运用于玉米LAI的遥感反演。

图5 遥感反演LAI与地面实测LAI回归分析

2.3 玉米LAI空间一致性分析

根据以上反演方法,对2013年GF-1影像和Landsat-8影像进行许昌区域玉米LAI的反演。由于2类影像空间分辨率的差异,在相同成像条件下像元内部组分重构对LAI反演产品有复杂的尺度效应,但尺度转换非本文研究重点,仅为进一步准确对比反演LAI的空间一致性,对GF-1影像反演结果进行了升尺度处理。据已有研究,高分辨率影像与地面测量LAI真值之间尺度误差更小,采用“先反演后平均”的升尺度方法评价低分辨率产品更有说服力[32]。因此,对GF-1反演LAI产品重采样为与Landsat-8相同的30 m空间尺度。对LAI的值域统一划分为<3.0、≥3.0~4.0、≥4.0~5.0、≥5.0这4段区间进行直观显示,结果见图6。GF-1反演LAI产品与Landsat-8反演LAI产品总体趋势一致,均呈现由西向东的过渡变化。大于5.0的高值区集中在许昌县、鄢陵县及长葛市的东半部,二者分布较为一致;<3.0的低值在两者中均很少出现。在禹州市、长葛市西部、襄城县西部LAI的分布出现分化,≥4.0~5.0区间在Landsat-8产品中分布更广,而≥3.0~4.0这一低值区间在GF-1分布显著。这些区域有其地形的起伏和玉米种植零散的复杂性,较低分辨率的Landsat-8卫星的30 m像元尺度对地表信息进行了综合概括,难以突出作物生长细节。即使是进行过升尺度处理的GF-1影像产品,仍然保持着高分辨率时的细部信息,高分辨率影像减少了混合像元出现的频率,较高的像元纯度使其在表现玉米长势差异上更有优势,与地面调查保持高度一致。

图6 许昌地区玉米LAI空间分布图

3 结论与讨论

新型遥感数据源在各行各业应用潜力的测评,直接有效的方法是将其与已经相对成熟使用的遥感数据在实际应用中进行对比。针对高分一号在农业定量遥感监测中应用潜力的评价,本文利用许昌地区GF-1影像与相对成熟使用的Landsat-8卫星影像在区域尺度,对玉米LAI估测一致性进行对比分析。

1)从光谱响应和成像性能等传感器自身特点进行比较,通过对比2类影像的波谱响应能力,发现GF-1在近红外波段、红波段以及蓝波段的波谱敏感性较Landsat-8偏弱,在绿光波段两者波谱响应能力接近。虽然与Landsat-8波谱反射率之间存在差异,但各波段仍存在显著线性关系。同时,GF-1影像中玉米像元反射率的波动性与Landsat-8尺度下像元反射率波动变化一致,说明GF-1影像可以用于反演玉米LAI,进行玉米长势的监测。

2)从7类归一化植被指数反演LAI的经验回归模型精度以及LAI空间分布一致性方面进行应用评价。在GF-1影像的7种植被指数中,强吸收红光参与的NDVI、GRNDVI、BRNDVI以及PNDVI均有相对较高的拟合精度,与Landsat-8的7种植被指数规律一致,其中GF-1的NDVI指数模型拟合精度在所有模型中最高。基于GF-1影像NDVI和Landsat-8影像BRNDVI的最佳模型反演的LAI,与地面实测值之间均存在非常吻合的线性关系,且GF-1影像反演精度更为突出,为GF-1影像进行玉米LAI遥感反演提供了有力证明。

3)通过许昌地区玉米LAI空间分布图发现,GF-1反演LAI产品与Landsat-8反演的LAI产品有较高的一致性,在种植结构复杂地区,GF-1的高空间分辨率优势更能表现玉米长势差异。另外,GF-1的高时间分辨率使其能够获得作物生长期内的连续影像,并且在夏季获得无云影像的机会增加。因此,GF-1卫星影像将是作物长势研究中数据不足的重要弥补和替代。

虽然本文研究中GF-1影像在许昌地区玉米LAI的监测中总体上要比Landsat-8更有优势,这种优势在其他研究区是否存在则需要GF-1数据在更多的实际应用当中进行验证。同时,对GF-1影像的全面测评和应用仍存在很多问题。首先,该数据在作物生长其他参数如生物量、叶片氮含量等农业遥感监测中是否适用。其次,其16 m的空间尺度与其他常规遥感数据的尺度之间如何转换。在本文研究中,为了增加2种产品的可比性,虽然采用“先反演后平均”的方法对其进行了30 m的升尺度转换,但定量分析尺度差异的成因是一个复杂的过程,仍需要进行大量的研究。再次,本文采用的经验统计模型对作物生长的物理描述不足,该数据在作物生长的物理模型比如遥感同化模型中是否适用也需要进一步的应用分析。

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