在新聞聯(lián)播中,，我們經(jīng)常聽到這樣的報(bào)道：某年某月某日,，我國成功發(fā)射某某衛(wèi)星…… 那么什么是衛(wèi)星,？衛(wèi)星有什么用,？衛(wèi)星是指圍繞行星并按閉合軌道做周期性運(yùn)行的天體,，月球就是地球的天然衛(wèi)星,。人類自己建造并發(fā)射到太空中，像天然衛(wèi)星一樣環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的無人航天器亦稱為衛(wèi)星,。迄今為止,，人類已向太空發(fā)射了四千多顆衛(wèi)星，除了應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域的衛(wèi)星,，用來執(zhí)行業(yè)務(wù)的衛(wèi)星又可分為通信衛(wèi)星,、導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星。通信衛(wèi)星主要作為無線電通訊中繼站，用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號(hào),；而導(dǎo)航衛(wèi)星主要用于定位和導(dǎo)航,，如我國的北斗；遙感衛(wèi)星主要用于對(duì)地球系統(tǒng)或物體進(jìn)行觀測(cè),，基于觀測(cè)對(duì)象的不同其又可進(jìn)一步分為氣象衛(wèi)星,、陸地衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星。這里,，我們解析如何用陸地衛(wèi)星從太空識(shí)別作物類別,。
1、數(shù)碼相片與衛(wèi)星影像
數(shù)碼相片與衛(wèi)星影像拍照是現(xiàn)在手機(jī)的主要功能之一,。然而,，你可能難以想象它也是陸地衛(wèi)星的主要數(shù)據(jù)獲取方式。如何更清晰,、更快速地對(duì)地球進(jìn)行拍照,，一直是陸地衛(wèi)星的主要研究方向之一。手機(jī)攜帶攝像頭,，而衛(wèi)星也搭載著傳感器,。按固定軌道運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星通過傳感器不斷對(duì)地面掃描，可以周期性地獲取地球的相片,，即衛(wèi)星影像,。衛(wèi)星影像一般覆蓋范圍廣，一景衛(wèi)星影像的幅寬可以達(dá)到幾十甚至幾千公里,。光的本質(zhì)是電磁波,，手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)獲取的相片一般只包含紅綠藍(lán)三個(gè)電磁波譜區(qū)間的能量，而衛(wèi)星傳感器還能進(jìn)一步獲取地球表面物體（地物）在近紅外,、短波紅外,、微波等波譜區(qū)間的反射能量。因此,，衛(wèi)星影像包含更多可用信息,。
2、作物識(shí)別原理
哪里有田,？田里種了什么,？種了多少？這是關(guān)系糧食安全的大事,，備受社會(huì)矚目,。如何用衛(wèi)星回答這一問題？關(guān)鍵在于怎樣從衛(wèi)星影像上精確識(shí)別各類地物和作物,。本質(zhì)上,，手機(jī)相片和衛(wèi)星影像并無明顯差異,。在相片上，我們一般根據(jù)顏色,、形狀,、粗糙度等特征來區(qū)分不同的物體。如圖1所示的相片上,，我們可以根據(jù)顏色以及粗糙度的差異,，來區(qū)分稻田、道路和水體等地物,。實(shí)際上,，衛(wèi)星影像上的各類地物或作物的識(shí)別也是主要依據(jù)“顏色”等特征的差異。要想根據(jù)“顏色”等特征區(qū)分不同地物,，首先要明白為什么不同的地物會(huì)有“顏色”等特征差異,，其次是不同的地物各有什么樣的特征。在相片中,，健康植被如森林,、草地以及作物的葉片一般呈綠色，這主要是由于葉片細(xì)胞中的葉綠素具有吸收紅光和藍(lán)紫光,、反射綠光的特性，因此在紅綠藍(lán)三通道中的相片中綠色占據(jù)了主導(dǎo)地位,，從而使得植被葉片呈現(xiàn)綠色,。
圖1 稻田照片
在遙感影像中，由于不同地物與電磁波的相互作用不同,，衛(wèi)星所能接收到的地物反射能量不盡一致,，這就導(dǎo)致了遙感影像中不同地物在各光譜區(qū)間“顏色”的差異，也就是反射率差異（圖2）,。這種差異直接體現(xiàn)了不同地物的光譜特性,，我們可以依據(jù)反射率差異或由反射率衍生的其他特征差異從遙感影像上區(qū)分各類地物。當(dāng)然,，除了反射率差異,，不同地物粗糙度（紋理）等特征也有差異，一般而言,，綜合多維特征可以更好地識(shí)別不同地物,。
圖2 基于紅綠藍(lán)波段合成的遙感影像（左）及主要地物的反射率（右）
3、作物識(shí)別方法與種植面積測(cè)算
在大范圍區(qū)域,，不同地物可能會(huì)有相同或相似的特征,。理論上，不同地物反射率各異,，但是在不同地區(qū),，某些地物的反射率差異并不明顯,，尤其是對(duì)作物而言，受品種,、氣候以及耕作措施等因素的影響,，不同作物的反射率差異可能極其微弱。因此,，高精度作物識(shí)別并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作?，F(xiàn)階段，常用的作物識(shí)別方法主要包含機(jī)器學(xué)習(xí)法和物候閾值法,。機(jī)器學(xué)習(xí)法主要是預(yù)先獲得一定量的包含有真實(shí)作物信息的標(biāo)簽樣本,，然后用標(biāo)簽樣本訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型，讓模型“明白”什么樣的特征對(duì)應(yīng)什么樣的作物,。將模型應(yīng)用在遙感影像上,，判斷遙感影像上每個(gè)像素的類別，最終達(dá)到作物識(shí)別的目的,。物候閾值法的基本思想是不同作物隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),，其特征發(fā)生一定的變化，這些變化具有一定的規(guī)律性,，不同作物的變化規(guī)律呈現(xiàn)一定差異,，通過區(qū)分不同作物的變化規(guī)律，從而達(dá)到識(shí)別作物的目的,。
圖3 基于衛(wèi)星遙感影像的作物識(shí)別（左）和種植面積測(cè)算（右）
無論是機(jī)器學(xué)習(xí)法還是物候閾值法,，最終都可以基于衛(wèi)星影像獲得不同作物的空間分布（圖4）。根據(jù)空間分布圖,，我們可以計(jì)算不同作物在空間分布圖中對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)量,，然后計(jì)算相應(yīng)作物的面積，從而實(shí)現(xiàn)作物種植面積準(zhǔn)確測(cè)算,。
由于衛(wèi)星影像覆蓋范圍廣,，理論上，作物種植面積測(cè)算可以在國家乃至全球尺度進(jìn)行,。與傳統(tǒng)的通過逐戶調(diào)查,、逐級(jí)上報(bào)統(tǒng)計(jì)作物種植面積的方法相比，基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的作物種植面積測(cè)算不僅省時(shí)省力,，還可明確各種作物的空間分布,，客觀性更強(qiáng)，可信度更高,。衛(wèi)星遙感技術(shù)在農(nóng)情監(jiān)測(cè)領(lǐng)域大有可為,。
