航天時(shí)代陸地衛(wèi)星在水資源探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

航天時(shí)代陸地衛(wèi)星在水資源探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

摘要：自1972年第一顆陸地衛(wèi)星發(fā)射以來，陸地衛(wèi)星已成為很多土地經(jīng)營和水資源管理活動(dòng)不可或缺的部分，它們?yōu)闆Q策者提供關(guān)于地球重要資源的關(guān)鍵信息。目前，最新設(shè)計(jì)的陸地衛(wèi)星9號(hào)已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)射。介紹了陸地衛(wèi)星在美國水資源分配、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及其他科學(xué)研究活動(dòng)中的應(yīng)用，表明了實(shí)施陸地衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃的重要性和必要性。

關(guān)鍵詞：水資源管理；水資源分配；環(huán)境監(jiān)測(cè)；陸地衛(wèi)星；應(yīng)用；美國

1美國陸地衛(wèi)星9號(hào)計(jì)劃

美國航空航天局聯(lián)合美國地質(zhì)調(diào)查局的下一個(gè)太空任務(wù)計(jì)劃將于2023年開始實(shí)施。陸地衛(wèi)星9號(hào)作為最新的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，將在記錄地表影像方面繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，為水資源管理決策提供寶貴資料。

美國航空航天局局長(zhǎng)查爾斯·博爾登(Charles Bolden)指出，陸地衛(wèi)星是人們對(duì)地觀測(cè)能力的基石，全世界科研人員都依靠它們對(duì)地表覆蓋、土地利用變化、生態(tài)系統(tǒng)健康及水資源利用等進(jìn)行觀測(cè)。自1972年起，陸地衛(wèi)星計(jì)劃就一直為地球地表覆蓋研究提供準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。地球資源技術(shù)衛(wèi)星(后更名為陸地衛(wèi)星)的發(fā)射，開啟了一個(gè)衛(wèi)星群的時(shí)代，人類通過衛(wèi)星不斷獲取基于航空的地表遙感數(shù)據(jù)。美國航空航天局稱，陸地衛(wèi)星利用太空優(yōu)勢(shì)，通過長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)來觀察和研究地球上相互聯(lián)系的自然系統(tǒng)，并以此增強(qiáng)對(duì)地球的了解和認(rèn)識(shí)。美國航空航天局將此項(xiàng)獨(dú)有技術(shù)無償與全球相關(guān)機(jī)構(gòu)共享，共同探知地球發(fā)生的變化。

2陸地衛(wèi)星的特點(diǎn)、應(yīng)用及前景

根據(jù)陸地衛(wèi)星提供的資料，人們對(duì)有限的水資源管理做出決策，這些決策將影響全世界數(shù)百萬人。可以利用陸地衛(wèi)星提供的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行水源地定位、水污染評(píng)估、流域管理和水資源配置等。如今，陸地衛(wèi)星已被視為人類在太空中的眼睛，用于監(jiān)測(cè)地球表面變化。

美國航空航天局華盛頓總部的副署長(zhǎng)約翰·格倫斯菲爾德(John Grunsfeld)指出，目前的陸地衛(wèi)星計(jì)劃已經(jīng)服役了幾十年，作為可持續(xù)的土地成像計(jì)劃的一部分，用以在未來繼續(xù)為國家服務(wù)，美國航空航天局和美國地質(zhì)調(diào)查局十分重視陸地衛(wèi)星9號(hào)項(xiàng)目。鑒于地球長(zhǎng)期的環(huán)境變化，陸地衛(wèi)星在現(xiàn)在和將來都十分重要，而且其價(jià)值將與日俱增。

由于陸地成像計(jì)劃的一個(gè)重要部分就是為用戶提供長(zhǎng)期且持續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)支持，所以陸地衛(wèi)星9號(hào)的設(shè)計(jì)將會(huì)在很大程度上與陸地衛(wèi)星8號(hào)相似。9號(hào)衛(wèi)星將攜帶兩臺(tái)儀器：一臺(tái)用于在可見光、近紅外和短波紅外波段對(duì)地球進(jìn)行成像；另一臺(tái)則用于測(cè)量地球表面的熱紅外輻射。這兩臺(tái)儀器帶有中等分辨率的傳感器，與陸地衛(wèi)星計(jì)劃中的前7顆衛(wèi)星相比，陸地衛(wèi)星9號(hào)能夠探測(cè)更多的強(qiáng)度變化。

美國航空航天局將負(fù)責(zé)衛(wèi)星的建造、發(fā)射，初始檢查和試運(yùn)行工作；美國地質(zhì)調(diào)查局將負(fù)責(zé)陸地衛(wèi)星9號(hào)的運(yùn)行，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、歸檔及無償共享。

美國地調(diào)局氣候和土地使用變化副主任沙拉·萊克(Sarah Ryker) 表示，陸地衛(wèi)星是一項(xiàng)非常成功的合作項(xiàng)目。由于被很多經(jīng)濟(jì)部門和研究領(lǐng)域廣泛使用，白宮已將全球定位系統(tǒng)、氣象衛(wèi)星和陸地衛(wèi)星確定為3種非常重要的民用繞地衛(wèi)星。對(duì)于自然科學(xué)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)行業(yè)來說，開發(fā)陸地衛(wèi)星9號(hào)并長(zhǎng)期致力于可持續(xù)陸地成像工作非常重要。

美國航空航天局位于馬里蘭州戈達(dá)德太空飛行中心陸地衛(wèi)星9號(hào)項(xiàng)目的科學(xué)家杰佛里·馬泰克(Jeffrey Masek)表示，陸地衛(wèi)星9號(hào)將在2023年發(fā)射，并將與過去50 a一樣，繼續(xù)收集全球土地覆蓋數(shù)據(jù)。陸地衛(wèi)星的特點(diǎn)是：衛(wèi)星觀測(cè)地球的時(shí)間越長(zhǎng)，能觀察到并了解的現(xiàn)象便越多。在過去的幾十年，人類活動(dòng)和自然環(huán)境改變產(chǎn)生的壓力使土地利用發(fā)生了變化。 馬泰克同時(shí)補(bǔ)充道，僅僅增加一個(gè)衛(wèi)星遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，陸地衛(wèi)星應(yīng)該是一個(gè)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，就像氣象衛(wèi)星那樣，甚至應(yīng)該是永久的計(jì)劃。

3在水資源研究和管理方面的應(yīng)用

事實(shí)證明，陸地衛(wèi)星是一種用途廣泛的寶貴工具。比如，它的數(shù)據(jù)可以幫助環(huán)境管理人員限制污染物從集水區(qū)排向航道。

美國地質(zhì)調(diào)查局的地理學(xué)家皮特·克拉格特(Peter Claggett)負(fù)責(zé)觀測(cè)土地利用狀況和流經(jīng)美國6個(gè)州的切薩皮克灣(Chesapeake Bay)流域水污染狀況, 他進(jìn)一步解釋道，陸地衛(wèi)星是一個(gè)重要而寶貴的工具，可用于探測(cè)地形表觀特征，并對(duì)其隨時(shí)間變化的趨勢(shì)進(jìn)行測(cè)繪。如果沒有陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)信息，就無法真正搞清楚切薩皮克灣營養(yǎng)物質(zhì)和沉積物的來源變化及其具體位置。

同時(shí)，可以利用這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)并預(yù)報(bào)藻類爆發(fā)。在美國，每年用于治理藻類污染的淡水費(fèi)用約為6 400萬美元。2014年8月，作為飲用水源地的伊利湖發(fā)生水華事件，導(dǎo)致俄亥俄州40萬居民無法從此處獲得飲用水。

對(duì)于稀缺水資源日益增加的使用需求，迫使水資源管理模式發(fā)生轉(zhuǎn)換，從增加水源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為在可持續(xù)利用的水平上，對(duì)水資源利用進(jìn)行創(chuàng)新性管理。在美國，灌溉用水占到淡水使用量的80%，利用陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可以具體量化灌溉用水的消耗。

同時(shí)，在美國航空航天局2015年3月發(fā)布的一項(xiàng)研究中，陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)被用來分析懷俄明州西北部某流域。研究表明，該地區(qū)融雪季節(jié)的結(jié)束時(shí)間比20世紀(jì)70年代至90年代平均提早了16 d。融雪是懷俄州明的重要水源之一，融雪時(shí)間的改變將會(huì)影響農(nóng)業(yè)，使森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)間更早、發(fā)生次數(shù)更頻繁，引起生態(tài)系統(tǒng)變化并產(chǎn)生其他影響。

美國航空航天局戈達(dá)德飛行研究中心的一高級(jí)研究員蘿西·霍爾(Dorothy Hall)指出，風(fēng)河(Wind River)流經(jīng)區(qū)域海拔非常高，且冰雪覆蓋面較大，融雪季節(jié)結(jié)束時(shí)間的提前影響懷俄明州大部分地區(qū)水資源，而該地區(qū)自1999年起一直處于干旱狀態(tài)。

霍爾和她的同事通過對(duì)1972～2013年間1 000多幅陸地衛(wèi)星影像進(jìn)行分類，制作了227幅降雪圖?；谶@些衛(wèi)星數(shù)據(jù)，科學(xué)家們能夠?qū)Ψe雪覆蓋變化進(jìn)行直接測(cè)量。

最近，陸地衛(wèi)星追蹤了美國與墨西哥邊境的莫雷洛斯(Morelos)壩人造洪水試驗(yàn)。基于美國-墨西哥的“319分鐘”協(xié)議對(duì)科羅拉多河的水資源分配進(jìn)行管理。作為該協(xié)議的一部分，2014年3月，莫雷羅斯大壩向科羅拉多河下游下泄人造洪水。陸地衛(wèi)星8號(hào)觀測(cè)到，這次人造洪水使科羅拉多河周圍的植被增加了40%。在“319分鐘”協(xié)議之前，也曾利用遙感數(shù)據(jù)研究較小流量人造洪水對(duì)科羅拉多河周邊的影響，而研究人員目前正使用陸地衛(wèi)星8號(hào)和其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)繼續(xù)研究2014年人造洪水產(chǎn)生的影響。

4在生態(tài)系統(tǒng)及其他方面的應(yīng)用

美國航空航天局陸地衛(wèi)星8號(hào)項(xiàng)目科學(xué)家吉姆·艾恩思(Jim Irons)表示，陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)非常適合用于協(xié)助人們?cè)谏鷳B(tài)系統(tǒng)健康、水管理和其他更多方面做出明智政策。他還補(bǔ)充道，類似的項(xiàng)目表明，研究人員需要有高質(zhì)量的前期對(duì)地觀測(cè)資料作為參考，同時(shí)也需要與未來具有可對(duì)比性的數(shù)據(jù)，以研究一項(xiàng)政策是如何改變地表形態(tài)的，他表示，具有連續(xù)性的數(shù)據(jù)非常重要，這樣一來，一旦做出泄洪決策，就能有一個(gè)系統(tǒng)來評(píng)估其影響。

研究水文和生物效應(yīng)的“319分鐘”科學(xué)團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合首席科學(xué)家，卡爾·付雷莎(Karl Flessa)補(bǔ)充道，通過遙感衛(wèi)星，如陸地衛(wèi)星，科學(xué)家能夠進(jìn)行一系列的研究，而這些研究不可能通過其他方式進(jìn)行。付雷莎還表示，科學(xué)家將繼續(xù)監(jiān)測(cè)科羅拉多三角洲下游的植被和脈沖流產(chǎn)生的水文效應(yīng)。通過使用收集來自地面和衛(wèi)星的最新數(shù)據(jù)，研究人員調(diào)查了植被和脈沖流對(duì)地下水的長(zhǎng)期影響，并將繼續(xù)研究地下水流動(dòng)情況下，新栽種樹木和灌木是否會(huì)生根，以及新出現(xiàn)植被如何影響鳥類沿太平洋的遷徙。

在美國西部，歷史上水資源的使用情況是水權(quán)談判的關(guān)鍵，而對(duì)于水資源管理者來說，陸地衛(wèi)星不可或缺。陸地衛(wèi)星豐富的歷史影像資料對(duì)于解決水權(quán)糾紛十分重要。正如來自愛達(dá)荷州水資源部的前地理空間技術(shù)主管托尼·莫爾斯(Tony Morse)所說：人們都依賴于公開的、非專有的陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這意味著對(duì)于糾紛中的各方來說，每一方獲取的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過了相同的處理，且供各方平等獲取。

汪朝輝譯

(編輯：李慧)

收稿日期：2015-12-30

文章編號(hào)：1006-0081(2016)04-0022-02

中圖法分類號(hào)：TV213.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A