华泰期货邓绍瑞：乌克兰春耕卫星遥感监测

　　作者：华泰期货邓绍瑞

　　摘要：俄乌战事对全球重要粮食产区乌克兰影响深远，乌克兰粮食供需变化直接刺激着农产品的价格神经。冲突发生以来，市场普遍预期乌克兰粮食产量会受到较大冲击，但究竟其程度有多深，影响有多大？研究团队采用更加客观的遥感大数据，以卫星视角对乌克兰的春耕情况进行了量化分析。

　　一、卫星遥感农情监测介绍

　　卫星遥感技术是利用卫星平台搭载各种传感器以非接触的、远距离的探测和信息获取的技术手段。该技术广泛的应用于城市研究、生态环境监测以及农业等方面，尤其是在农业领域可有效实现农作物长势监测、产量估算、突发病虫害预警等工作。

　　卫星遥感农作物监测活动始于西方国家，主要有美国农业部（USDA）、国家海洋大气管理局（NOAA）、美国宇航局（NASA）和商业部合作的“大面积农作物估产实验（LACIE）”,欧盟实施的“遥感农业监测”项目（MARS计划）和由20国集团发起旨在提高全球主要谷类作物和大豆生产及贸易信息的透明度的GeoGLAM计划等。我国中科院空天信息研究院研究团队也在该领域造诣颇丰。

　　该技术凭借及时、客观和高精度的特点已经为全球各国实施农业补贴、农民申报核查以及农产品产量测算等工作创造了巨大的经济效益。

　　二、主要监测方法

　　卫星遥感农作物监测方法多样，常有卫星数据反演指数监测、影像分类监测、作物物候信息和时序监测、生长理化模型模拟监测等。联合国粮农组织“全球粮食和农业信息及早期预警系统”（GIEWS）、美国USDA以及其他主要农业监测体系均将归一化植被指数（NDVI）作为重要监测指标，该指标主要利用农作物在不同生长和发育阶段，进行光合作用时叶片的叶绿素含量和内部结构差异，对不同光谱波段的吸收反射程度不同，从而光谱反映曲线也不同的原理，该信息最终被卫星传感器捕捉记录，最终用数理方法构建出的有效反应植被生长状况的模型指数。

　　增强型植被指数（EVI）是归一化植被指数（NDVI）改善而来，综合考虑了大气分子、气溶胶、薄云、水汽和臭氧等因素进行全面的大气校正，最新研究表明，EVI对比NDVI可以更好的反应农作物生长状况，因此该指标也被广泛的应用于最新的农情监测体系之中。

　　NASA的Modis中分辨率卫星遥感数据具有重访周期短、光谱范围广、时间序列长的特点，是农业卫星遥感研究的重要数据源，华泰期货研究院农产品组，以该遥感数据为基础，反演EVI指标，并结合卫星数据分类解译耕地范围，对乌克兰截止2022年4月7日（可获取最新影像数据）的春耕状况进行多方位解读。

　　三、乌克兰耕地遥感识别解译

　　农作物监测的前提是要精准的识别农田的范围，做到只对田块中的作物统计分析，才能避免森林、草原、公园等内部的绿色植物对统计结果产生干扰。结合欧空局（ESA）Sentinel系列卫星数据以及其深度学习土地分类结果，其可以在10m分辨率上精准提取乌克兰全国耕地，并将土地分为耕地（绿色）和非耕地（红色）两类，研究以耕地范围作为基础展开详细分析。

　　基于Modis卫星影像，研究小组合成了乌克兰全境的多时相去云、矫正影像，该影像空间分辨率为250m，即每个遥感像元代表地面长宽250m的空间范围，以此影像为基础，计算时间间隔为16天的EVI遥感指数。

　　四、时间维度看乌克兰春耕

　　依据Modis数据特点，研究可以得到时间间隔为16天的EVI观测结果，将耕地范围内作物的EVI按时间顺序排列起来，便直观的体现了作物生长的动态迹线，反映了作物从播种、出苗、抽穗到成熟收割EVI的变化过程。不同区域和植被的生长信息虽然不同，但就全国而言，其变化遵循一定的大规律，因此研究计算并统计了从2014年1月1日到2022年4月7日卫星影像的EVI均值、中值、最大值、最小值和方差变化情况，由均值时间序列曲线可以看出，乌克兰每年11月到次年2月为休耕或冬眠期，耕地内部植被稀少EVI值最低，3-5月EVI开始逐渐增大，对应为乌克兰春耕期，该时期植被指数的变化斜率基本可以反应乌克兰春耕播种进展，纵观自2014年以来，3-5月EVI均值曲线斜率均呈现先增大后减少的态势，2022年截止4月7日其斜率一直较为缓慢，说明全国春耕进程较往年迟缓。

　　为量化对比乌克兰全国2022年春耕进度，抽取各年间4月7日同期历史卫星影像分析比对，发现2022年植被指数均值为0.175，比2014-2021年均值0.211下降17.10%，全国范围截止4月7日春耕进度仅相当于往年八成左右，如考虑农田杂草等因素，该值会更低。

　　空间维度看乌克兰春耕

　　全国均值仅体现全国性的总体趋势，但各个区域乃至每一个田块的耕作状况如何？因此研究小组从空间维度深入探究，为对比今年春耕在空间上与往年的差异，选取2021年4月7日和2022年4月7日两年同时期的卫星影像对比分析农作物的即时空间变化。

　　全国来看，如图4和图5所示，EVI往年空间分布通常呈现随纬度增加而减小，西高东低的空间特征，这主要因为南部气候先暖播种期较早，东部、北部部较晚；但2022年南北差异较小，北部区域因为在研究节点不论2021年还是2022年播种工作尚未完全开展，故而播种情况较往年差异不大，存在小幅波动，以待后续观察。但南部区域两年对比差异悬殊，2022年EVI值显着下降，种植率较低。

　　通过计算对比2021年与2022年乌克兰全境EVI指数的空间分布情况（如图6），并按州为行政单位分区统计各变化等级的变化总量（图7），乌克兰农作物“极大减少（红色区域）”和“减少（橙色区域）”保有量最多的主要有赫尔松州（Kherson）、扎波罗热（Zaporizhia）等南部州域，指数总量减少均超过10000，与俄乌冲突边界高度吻合，该区域存在大面的弃耕或晚耕现象，春耕开展状况迟缓。该区域也是乌克兰重要的粮食产区，如5月前底无法播种，将会带来不可逆的减产风险，尤其对于大麦、小米等春耕作物。

　　具体按州分区统计从2021年到2022年的同期总变化百分比如图8所示，赫尔松州（Kherson）减少最为显着，达到29.29%左,北部的切尔尼戈夫州（Chernihiv）耕作状况也减少超过10%，该区域为玉米主产区，因而对玉米产量也会产生一定影响。

　　随着战争的持续，影响乌克兰粮食产量的因素也从播种状况，扩展到农作物生长，以及后续的收割工作。正如乌克兰农业政策与粮食部长索利斯基在联合国全球饥饿问题部长级会议上讲话“今年的作物，我们将只能收获一半”。华泰期货研究院农产品组将会持续使用卫星大数据追踪监测乌克兰农作物后续播种、生长状况以及收割状况。