全球變化背景下的ALOS對地觀測計(jì)劃

馬龍，石敬

(1.大連海事大學(xué)航海學(xué)院，大連116026;2.大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，大連116026)

全球變化背景下的ALOS對地觀測計(jì)劃

馬龍1，石敬2

(1.大連海事大學(xué)航海學(xué)院，大連116026;2.大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，大連116026)

全球變化是一個(gè)跨界、多尺度問題。有必要執(zhí)行系統(tǒng)性數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃，以滿足全球變化問題的研究。本文介紹了全球變化對遙感數(shù)據(jù)的需求和日本ALOS衛(wèi)星的系統(tǒng)性數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃，并指出隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及衛(wèi)星資源的日益豐富，有必要開展系統(tǒng)性數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃，以提高我國在全球變化和環(huán)境保護(hù)方面的話語權(quán)。

全球變化;系統(tǒng)性數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃;ALOS

0 引言

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人類對地球環(huán)境的影響已步入全球環(huán)境的時(shí)代。當(dāng)前，人類正面臨著一系列重大而緊迫的全球環(huán)境問題，如溫室氣體增加與全球變暖、植被破壞與生物滅絕、土地退化、淡水資源短缺等。全球變化已引起人類的廣泛關(guān)注，特別是在土地利用和土地覆被變化(LUCC［1］)、生物多樣性全球范圍的減少、大氣成分的變化、氣候變化這4個(gè)方面［2］。各國政府和科學(xué)家紛紛呼吁采取全球性的合作。目前，正在進(jìn)行全球變化研究的4個(gè)國際科學(xué)計(jì)劃，即世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)、國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)、國際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃(IHDP)和國際生物多樣性計(jì)劃(DIVERSITAS)，正是國際科學(xué)界努力的結(jié)果［3］。在過去的近40 a中，各國政府間簽署了多項(xiàng)多邊環(huán)境協(xié)議，以保護(hù)人類的生存和居住的環(huán)境［4］。譬如，1971年通過的《拉姆薩爾公約》，1992年通過的《生物多樣性公約》。為了控制溫室氣體排放和氣候變化危害，聯(lián)合國于1992年通過了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，提出到20世紀(jì)90年代末使發(fā)達(dá)國家溫室氣體的年排放量控制在1990年的水平;1997年，在日本京都召開的該公約締約國第二次大會(huì)，通過了《京都議定書》，規(guī)定了6種受控溫室氣體以及相關(guān)國家的減排指標(biāo)。全球變化問題已不僅僅是科學(xué)研究的問題，而且已經(jīng)涉及經(jīng)濟(jì)和政治領(lǐng)域，關(guān)乎人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

全球變化的空間尺度范圍從局部一直到全球，而在時(shí)間上的頻率從幾天一直到幾千年。隨著全球變化研究的不斷深入，人們更加重視將低空間分辨率與高空間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行全球尺度和區(qū)域尺度的研究［5］。然而，在具體實(shí)施過程中人們認(rèn)識(shí)到，在局部范圍內(nèi)基于高空間分辨率遙感影像開發(fā)的各種信息提取算法難以應(yīng)用于較大區(qū)域尺度，原因在于各種遙感數(shù)據(jù)源在空間、時(shí)間上的不一致性，不能滿足全球變化研究的多尺度要求。迄今，國際地圈生物圈計(jì)劃、聯(lián)合國氣候變化框架公約、京都議定書、生物多樣性公約、全球氣候觀測系統(tǒng)以及其他國際性的政策機(jī)構(gòu)都闡述過全球環(huán)境問題［5］，對局部到全球尺度的變化信息提出了新的要求。然而大部分多邊的合作和協(xié)議沒有將遙感數(shù)據(jù)觀測的需求或計(jì)劃納入到合作和協(xié)議之中。而對于全球變化研究的多尺度這一特點(diǎn)，在制定數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃時(shí)，往往忽略數(shù)據(jù)一致性的要求，特別是高空間分辨率數(shù)據(jù)的一致性。

2006年1月24日，日本宇航局發(fā)射了ALOS衛(wèi)星，并對該衛(wèi)星執(zhí)行了全新的數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃，以支持全球變化研究的需要。文本介紹了全球變化研究對遙感數(shù)據(jù)的需求，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了ALOS衛(wèi)星執(zhí)行的對地觀測計(jì)劃。在全球變化背景下，我國同樣需要獲取局部、區(qū)域和全球尺度上的全球變化信息，以提高我國在相關(guān)國際事務(wù)中的話語權(quán)。通過本文的工作以期對我國衛(wèi)星的對地觀測計(jì)劃有一定的借鑒。

1 全球變化對遙感數(shù)據(jù)的需求

全球變化是一個(gè)跨界、多尺度問題，要求獲取局部、區(qū)域和全球尺度上的具有空間和時(shí)間一致性的對地觀測數(shù)據(jù)，并且執(zhí)行系統(tǒng)性觀測計(jì)劃。

實(shí)際上，關(guān)于系統(tǒng)性地獲取一致性對地觀測數(shù)據(jù)，已經(jīng)在低空間分辨率傳感器上得到了很好的實(shí)踐。許多國際組織和機(jī)構(gòu)都制定了全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、處理和生成數(shù)據(jù)集的計(jì)劃［6］。例如:①存儲(chǔ)在地球資源觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心(Earth Resources Observation Systems(EROS)Data Center)的10 d覆蓋全球的1 km分辨率AVHRR數(shù)據(jù)集，起止時(shí)間為1992年4月～1993年9月和1995年2月～1996年1月以及1996年5月;②由歐洲聯(lián)盟委員會(huì)贊助的VEGETATION傳感器從1998年4月開始接收用于全球植被覆蓋觀測的SPOT VGT數(shù)據(jù)，可以免費(fèi)申請10 d覆蓋全球的1 km分辨率影像數(shù)據(jù)。

然而，低空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)無法滿足全球變化多尺度研究的需求。大部分地表參數(shù)提取算法及研究尺度是基于局部范圍建立的，無法直接應(yīng)用于大尺度低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)。目前，對于高空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)，其用戶多為商業(yè)和科研人員，其數(shù)據(jù)獲取策略缺乏系統(tǒng)計(jì)劃，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在空間、時(shí)間上的不一致性。因而，影響了各國在局部、區(qū)域和全球尺度上全球變化的研究與合作。

需要強(qiáng)調(diào)的是，有必要降低對地觀測數(shù)據(jù)的獲取費(fèi)用，甚至能夠免費(fèi)獲取。全球變化研究的有效開展必須借助于世界各國的合作。對于發(fā)展中國家及貧困落后地區(qū)，其經(jīng)濟(jì)和科研實(shí)力較弱，沒有條件和能力擁有自己的衛(wèi)星平臺(tái);而這些地區(qū)往往面臨著更大的生存和環(huán)境壓力，是全球變化研究的重點(diǎn)區(qū)域。

2 ALOS對地觀測計(jì)劃

在JERS－1衛(wèi)星運(yùn)行的最后3 a中，日本宇航局對其搭載的SAR傳感器執(zhí)行系統(tǒng)性觀測計(jì)劃，獲取了整個(gè)熱帶和北方地區(qū)的遙感影像［7，8］。日本宇航局認(rèn)識(shí)到大范圍研究對系統(tǒng)性、一致性觀測數(shù)據(jù)的迫切需求，于2000年發(fā)起京都及碳倡議書(the Kyoto＆Carbon Initiative)，相信對地觀測技術(shù)在支持國際協(xié)議、碳循環(huán)研究和環(huán)境保護(hù)等方面將扮演更重要的角色，可以提供其他手段無法獲取的信息。2006年1月24日，日本宇航局發(fā)射了ALOS(Advanced Land Observation Satellite)衛(wèi)星，并根據(jù)JERS－1的經(jīng)驗(yàn)，針對區(qū)域尺度，實(shí)施一種全新的數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃，以建立長期的、覆蓋全球的、時(shí)間序列一致的地球觀測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對地球上任何地點(diǎn)和范圍的研究，支持京都及碳倡議書［9］。

2.1 ALOS衛(wèi)星概述

ALOS衛(wèi)星［10］是日本繼1992年2月發(fā)射的地球資源衛(wèi)星1號(JERS－1)和1996年8月發(fā)射的改進(jìn)型地球觀測衛(wèi)星(ADEOS)之后的又一顆陸地觀測衛(wèi)星。其采用了更加先進(jìn)的陸地觀測技術(shù)，旨在獲得更加靈活、更高分辨率的對地觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)用于測圖、區(qū)域性觀測、災(zāi)害監(jiān)測、資源調(diào)查和技術(shù)發(fā)展等領(lǐng)域。ALOS衛(wèi)星載有3個(gè)傳感器:①全色遙感立體測繪儀(PRISM)，主要用于數(shù)字高程測繪;②先進(jìn)可見光與近紅外輻射計(jì)－2(AVNIR－2)，用于精確陸地觀測;③相控陣型L波段合成孔徑雷達(dá)(PALSAR)，由日本經(jīng)濟(jì)貿(mào)易工業(yè)部(Japanese Ministry of Economy，Trade and Industry，METI)和日本國家航天局(Japan Aerospace Exploration Agency，JAEA)聯(lián)合研制，用于全天時(shí)全天候?qū)Φ赜^測。有關(guān)ALOS衛(wèi)星的基本參數(shù)詳見表1。

表1 ALOS衛(wèi)星的基本參數(shù)Tab.1ALOS characteristics

2.2 ALOS衛(wèi)星系統(tǒng)性數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃特點(diǎn)［11］

(1)區(qū)域一致性。這里的區(qū)域一致性是指在局部、區(qū)域和全球尺度上保持空間一致性和時(shí)間一致性。這對于將局部范圍開發(fā)的算法擴(kuò)展并應(yīng)用于區(qū)域和全球尺度具有重要意義?？臻g一致性將保證無縫的大尺度區(qū)域范圍覆蓋，而時(shí)間一致性將對大尺度范圍數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間窗口進(jìn)行限制，以盡可能地減小相鄰掃描帶間的時(shí)間變化。

(2)觀測頻率。全球變化強(qiáng)調(diào)對目標(biāo)物變化信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。遙感觀測獲取的是目標(biāo)物瞬間的快照，一次觀測無法反映其動(dòng)態(tài)信息。因此，有必要根據(jù)目標(biāo)物的特征和衛(wèi)星的重訪周期確定觀測頻率。

(3)觀測時(shí)間選擇。針對不同地區(qū)及不同地物，應(yīng)選擇不同的數(shù)據(jù)獲取時(shí)間，并保持在每年同一時(shí)間對目標(biāo)地物進(jìn)行重復(fù)觀測，從而減小時(shí)間不一致性的影響，保證數(shù)據(jù)具有可比性。

(4)傳感器一致性。跟光學(xué)傳感器利用探測波段與空間分辨率定義不同的傳感器觀測模式一樣，SAR利用極化方式、入射角和空間分辨率定義不同的傳感器觀測模式。在進(jìn)行觀測時(shí)，通過選取有限的觀測模式，以減少用戶需求的沖突，保證數(shù)據(jù)的一致性。

(5)長期連續(xù)觀測。保證長期的、數(shù)十年的連續(xù)觀測，這要求傳感器具有一定的連續(xù)性。長期的連續(xù)觀測對全球變化研究是十分必要的。

2.3 數(shù)據(jù)定制沖突的解決方案

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃的關(guān)鍵在于解決數(shù)據(jù)定制沖突的問題。對于ALOS衛(wèi)星，主要考慮:①綜合分析各方的需求，選擇有限的工作模式獲取觀測數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)定制沖突;②分別制定上升軌道和下降軌道的數(shù)據(jù)獲取計(jì)劃，通常光學(xué)傳感器工作在下降軌道，雷達(dá)傳感器則根據(jù)工作模式分別選擇上升軌道和下降軌道;③制定觀測區(qū)域和時(shí)間;④對觀測區(qū)域進(jìn)行長期、重復(fù)觀測［12］。以PALSAR為例，具體方案如下:

(1)限制運(yùn)行模式的數(shù)量。PALSAR有多達(dá)132種可選觀測模式，為避免沖突和冗余，有必要限制其運(yùn)行模式。綜合考慮科研需要、用戶需求和衛(wèi)星編程與運(yùn)行限制，最初選取了5種模式作為默認(rèn)模式。但根據(jù)校驗(yàn)/驗(yàn)證階段的結(jié)果，最后確定4種默認(rèn)模式:①34.3°高分辨率單極化模式FBS(HH);②34.3°高分辨率雙極化模式FBD(HH/HV);③21.5°全極化模式;④掃描模式(HH)。

(2)分別制定上升軌道和下降軌道的數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃。為了減小與光學(xué)傳感器沖突并避免PALSAR運(yùn)行模式間的沖突，在上升軌道時(shí)，PALSAR以高數(shù)據(jù)傳輸率模式運(yùn)行(高分辨率單極化模式、高分辨率雙極化模式和全極化模式);在下降軌道時(shí)，PALSAR觀測僅限于寬帶、低數(shù)據(jù)率的ScanSAR模式。同時(shí)，為了進(jìn)一步減少對光學(xué)傳感器的影響，每隔兩個(gè)掃描帶獲取一次數(shù)據(jù)。

(3)每個(gè)周期采取一種運(yùn)行模式。數(shù)據(jù)獲取被設(shè)定在一個(gè)重復(fù)周期(46 d)內(nèi)進(jìn)行。為清除運(yùn)行模式間的沖突并確?？臻g一致性，在一個(gè)整周期中PALSAR只在一種模式下運(yùn)行(表2):在下降軌道，總是以掃描模式工作;而在上升軌道，交替使用其他默認(rèn)模式。需要說明的是，每個(gè)周期采用哪種運(yùn)行模式是事先設(shè)定好的。為滿足用戶對除默認(rèn)模式外其他模式的需求，規(guī)定每年上升軌道運(yùn)行中的一個(gè)周期保持開放，即不指定任何默認(rèn)模式。

表2 PALSAR前30個(gè)周期的數(shù)據(jù)觀測模式Tab.2PALSAR default acquisition modes assigned for the first 30 cycles

(4)區(qū)域觀測。實(shí)際上，PALSAR不可能在一個(gè)周期內(nèi)完成全球覆蓋。對于上升軌道，地球表面被劃分成80個(gè)相互鄰接、但不重疊的地理區(qū)域，每個(gè)重復(fù)周期完成部分區(qū)域的數(shù)據(jù)獲取。通過若干個(gè)周期，最終完成全球數(shù)據(jù)的獲取，并保證了各個(gè)區(qū)域內(nèi)獲取數(shù)據(jù)的一致性(圖1)。

圖1 上升軌道時(shí)全球地理區(qū)域劃分示意圖Fig.1Geographical division used for ALOS ascending passes

對于下降軌道，則采用不同的劃分方法(圖2)。

圖2 下降軌道時(shí)全球地理區(qū)域劃分示意圖Fig.2Geographical division used for ALOS descending passes

(5)重復(fù)觀測。為了保證重復(fù)觀測的時(shí)間一致性，PALSAR系統(tǒng)性數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃以8個(gè)重復(fù)周期為一組，每年重復(fù)執(zhí)行這一組觀測。

2.4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)京都及碳倡議書，ALOS衛(wèi)星通過執(zhí)行系統(tǒng)性觀測計(jì)劃，獲取區(qū)域、大陸尺度的PALSAR科學(xué)數(shù)據(jù)鑲嵌產(chǎn)品(表3)，以實(shí)現(xiàn)對全球森林、濕地和沙漠的監(jiān)測。

表3 PALSAR鑲嵌產(chǎn)品特征Tab.3PALSAR mosaic product characteristics

2.4.1 高分辨率鑲嵌圖像(Fine resolution mosaics)

通過選擇有限的工作模式和重點(diǎn)觀測區(qū)域，在每個(gè)周期只采取一種運(yùn)行模式，保證了觀測區(qū)域數(shù)據(jù)的一致性，并實(shí)現(xiàn)重復(fù)觀測，大大提高了全球變化信息的獲取能力。圖3為東南亞群島的ALOS PALSAR雙極化鑲嵌影像［13］，像元重采樣間隔為50 m。根據(jù)假彩色合成的鑲嵌圖像，可以清楚了解東南亞群島的森林覆蓋情況(綠色區(qū)域?yàn)樯?紫色區(qū)域?yàn)榉橇謪^(qū)，包括森林砍伐地區(qū))。

圖3 東南亞群島ALOS PALSAR雙極化假彩色合成鑲嵌圖像(HH(R)/HV(G)/HH/HV(B)，像元重采樣間隔50 m)Fig.3Mosaic of ALOS PALSAR Dual－polarization imagery over insular Southeast Asia(HH(R)/HV(G)/HH/HV(B)，pixel resampling space 50 m)

2.4.2 瀏覽鑲嵌圖像(Browse image mosaics)

瀏覽鑲嵌圖像［13］分辨率低(圖4)，不能進(jìn)行科學(xué)量化分析，主要用于快速評價(jià)系統(tǒng)性觀測計(jì)劃。

圖4 亞洲地區(qū)瀏覽鑲嵌圖像Fig.4Low resolution browse image mosaic of Asia

3 結(jié)論

(1)隨著極端天氣、各種災(zāi)害的頻繁出現(xiàn)，人類對全球變化問題日益關(guān)注。解決全球變化問題，不僅需要政府間的多邊合作，而且需要執(zhí)行系統(tǒng)性觀測計(jì)劃，獲取局部、區(qū)域和全球尺度上的具有空間和時(shí)間一致性的對地觀測數(shù)據(jù)，以解決具有跨界、多尺度特征的全球變化問題。日本宇航局利用ALOS衛(wèi)星較好地實(shí)踐了系統(tǒng)性數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃，并積累了豐富的數(shù)據(jù)資源，有效地支持了全球變化研究。

(2)隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國力增強(qiáng)，必將在全球變化問題中扮演更重要的角色，有必要對全球的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行定性、定量研究，認(rèn)識(shí)全球變化同各種生態(tài)系統(tǒng)的互饋機(jī)理。另一方面，在“十一五”和“十二五”，我國已將“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”納入國家科技重大專項(xiàng)，我國將有能力利用自主的衛(wèi)星資源開展系統(tǒng)性數(shù)據(jù)觀測計(jì)劃，這對于提高我國在國際事務(wù)中的地位和話語權(quán)具有重要意義。

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ALOS Earth Observation Program in the Context of Global Change

MA Long1，SHI Jing2
(1.Navigation College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China;2.Environmental Science and Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China)

Global change has cross－border and multi－scale characteristics and needs the development of systematic data observation program to acquire consistent data so as to meet the requirements of global change research.Requirements of global change for remote sensing data and systematic data observation program of ALOS are dealt with in this paper.Studies show that，with the development of China’s economy and the enrichment of China’s satellite data，it is necessary to implement systematic data observation program so as to lift China’s voice in the aspect of global change and environmental protection.

Global change;Systematic data observation program;ALOS

TP 79

A

1001－070X(2011)02－0009－06

馬龍(1977－)，男，博士，講師，主要從事遙感應(yīng)用研究。

(責(zé)任編輯:劉心季)

2010－08－17;

2010－10－02

教育部新教師基金項(xiàng)目“海上溢油極化SAR監(jiān)測方法研究”(編號:20092125120007)資助。