本文转载自科技大观园，原文为《反演水深、判释水稻田 福卫五号影像多元应用》刘佳俊|泛科学付伟五号帮助科研人员计算海底地形，摸清稻田分布情况。图//fatcat11
「透视」海底，用福五影像逆推东沙环礁水底地形
中央大学空间与遥测中心副教授、副教授、曾副教授选取东沙环礁，测试付伟五号影像反演水下地形的能力。结果表明，在训练数据质量良好的情况下，利用吴宓影像构建水下地形的精度与超高分辨率卫星影像相当，可以帮助内政部制作电子航海图、环境监测、生物栖息地研究等。
传统上，水深是通过船载声纳或机载激光雷达测量的。这两种方法都必须原位测量，精度高但成本高，在浅海和有争议的水域测量会受到限制。多光谱光学卫星图像可以穿透大约20米深的清洁水域，成为广泛调查浅水区的潜在途径。
从卫星光谱图像反演水深，仍然需要收集训练数据(如原位地形测量信息)作为“教材”，让计算机建立正确的模型参数。“人为干扰不多，但需要高质量的训练素材。同时满足这两个条件的人会选择东沙环礁！东沙环礁拥有精确的激光雷达测深数据、洁净的海水和广阔的浅水区。
该技术的训练方法是输入卫星图像各波段(主要是透水性较好的绿带)的数值及其对应的实际水深训练网络。网络模式训练完成后，可以输入目标区域的卫星图像数值，计算出每个像素对应的水深信息。
付伟五号卫星于2018年3月2日拍摄的东沙环礁图像。图/国家航天中心提供为了衡量吴宓图像的性能，该团队还用超高分辨率商业卫星WorldView2的图像反演了水深，并将两种结果进行了对比。五邪的水深性能精度为1.62米，略低于WorldView2的1.26米，但也相差不远。
黄志远解释说，与建筑物、桥梁等地物相比，水下自然地形的局部变化通常更小，因此对卫星图像的空间分辨率要求也更低。在水深反演的应用上，Fu-5和超高分辨率卫星差别不大，只有Fu-5的部分区域比实际地形略深。
谱反演的挑战在于收集训练数据的难度。但是，还有一种方法叫做“立体对测量”，可以从卫星图像中产生水深。付伟-5可以“立体捕捉”地面上——人的视觉，由于左右眼的差异，他们可以感知立体。该数据还可以整合不同角度的卫星影像生成视差，提取目标物体的数值地形模型，然后作为训练数据进行模式训练和水下地形反演。
团队过去与内政部合作，对东海南海多个岛礁进行水深反演，积累了一套决策树，综合考虑目标区域的数据库、数据质量和成本，可以针对不同区域选择和整合不同的水深生产方法。
东沙环礁的水下地形。图/课题组解读
双卫星搭档，提高水稻田判释精度！
水田分布是行政院农业委员会农粮部每年的重要工作项目。在台省立大学理学院空间信息研究中心教授朱子豪、遥测与数据增值组组长张家豪的合作下，付伟五号影像结合SAR卫星影像对水田的解译准确率达到92%，大大提高了探测精度。
由于云林有足够的基础数据来验证和训练模型，研究团队选择云林作为研究区域，以测试吴宓在稻田中的图像能力。
该团队使用了付伟5号图像和欧洲航天局合成孔径雷达卫星哨兵1号的22组公开数据，并对三种方法进行了实验：仅使用付伟(光学
“光学卫星最大的限制是云层！云会遮挡目标，影响判读，而作物判读的影像拍摄时机相当关键，所以拍摄影像时不能有云。合成孔径雷达卫星会主动向地面发射微波，然后接收反射波，可以穿透云层，不受云层和阳光的影响，对不同时期的图像进行增强，获取稻田从移栽、生长到抽穗的时间序列变化信息。
本研究的突破在于，在只用单个分类器进行全自动判别的情况下，检测精度大大提高，并且首次只使用一个时间点和单幅光学图像。团队对此也非常兴奋。“可能是因为吴宓在11月拍摄了图像，正好是水稻抽穗期，图像特征与其他作物的图像特征有很大不同。”张家豪解释道。
猜猜面积，能不能进一步估算一下产量？“一公顷水稻能产1000斤或4000斤，受的因素太多了。”朱子豪说。温度、湿度、施肥、自然灾害、病虫害都会影响收成。这种研究可以大致估算出平整条件下的产量，但仍难以实现精确的产量估算。
伏、绿的自然色彩意象
色标记为水稻；黄色标记为非水稻。图／研究团队提供
掌握物候特徵是判释关键
未来若要扩大範围，判释全国水稻田面积，由于各地农民栽种时序、田间管理多变，如何选择适合的取像时间会是一大挑战；若要扩展到判释其他作物，则得视其生长特徵进行更多的分析比对。
张家豪举例，判别柑橘类的常年果树、叶菜类极困难，果树在光学影像上看起永远是绿色一片，也无足够的栽种方式差异、生长週期特徵和其他特性可区辨；槟榔、椰子、香蕉从空中看都是放射状叶片，虽可参考栽种密度与高度，但影像的空间解析度也得提高至 60 公分才能精确判别；葱、蒜皆属旱作，需要空间解析度优于 60 公分的影像，搭配如地区性栽种时序、田埂排列鲜明的地表特徵，有机会判释成功，「但要是田里混作个青江菜，就分不出来了。」
梅树是另个成功案例，它在 12 月下旬会落叶，隔年 2 月开花长叶结果。团队曾执行判释南投水里梅树的研究，标定几个时间取像，「若有某个区域在十月是绿叶、入冬出现裸露地特徵、然后变得白白的（开花）、四月又出现绿叶，那就很可能是梅树！」但李子与梅树的影像呈现类似，生长期也相近，要是没在生长期重叠前顺利取像，就会混淆两者。
以卫星影像判释作物不光是直白的「看照片」或分析光谱，掌握作物的「物候特徵」才是关键。
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