菏澤市極軌衛(wèi)星遙感監(jiān)測業(yè)務應用分析

范文鋒　程萌　李巖

摘要 基于山東省極軌氣象衛(wèi)星遙感資料接收處理系統(tǒng)接收的極軌衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用中國氣象局國家衛(wèi)星中心的衛(wèi)星監(jiān)測分析與遙感應用系統(tǒng)（SMART），對極軌衛(wèi)星遙感監(jiān)測菏澤市植被、火情、干旱產品的制作過程進行詳細說明，并對SMART菏澤本地化的結果進行展示，最后提出菏澤市極軌衛(wèi)星遙感監(jiān)測產品在服務過程中存在的問題和未來改進的方向。

關鍵詞 極軌衛(wèi)星；遙感監(jiān)測產品；SMART；山東菏澤

中圖分類號 TP79 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）21-0242-02

遙感監(jiān)測作為傳統(tǒng)氣象監(jiān)測手段的補充，在天氣預報預警、重大自然災害監(jiān)測、農業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測、氣象及環(huán)境監(jiān)測中得到了越來越廣泛的應用，為我國國民經(jīng)濟建設和防災減災發(fā)揮了重要作用，也為區(qū)域乃至全球許多國家的經(jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻[1]。山東省氣象局早在1990年就建成了極軌氣象衛(wèi)星遙感資料接收處理系統(tǒng)[2]，經(jīng)過多年的研究和應用開發(fā)，目前監(jiān)測與服務項目涵蓋農田、生態(tài)環(huán)境、海洋環(huán)境等多方面，并取得大量研究成果。信志紅等[3]基于MODIS數(shù)據(jù)，對黃河口植被覆蓋變化與氣候因子相關性進行分析；李 峰等[4]利用風云FY-3A衛(wèi)星，對山東2010—2011年秋冬季的干旱狀況進行分析。樊景豪等[5]利用MODID衛(wèi)星遙感資料對2013—2014年菏澤市冬小麥增產的農業(yè)氣象條件進行分析。菏澤是農業(yè)和林業(yè)大市，其冬小麥產量和林木蓄積量占全省的1/6左右。遙感是實現(xiàn)林田信息快速獲取的重要手段，利用遙感資料監(jiān)測冬小麥和林木的長勢和受害情況，對冬小麥和林木長勢的動態(tài)監(jiān)測和災害評估和救助具有重要的意義。2014年隨著SMART系統(tǒng)在市級應用推廣，菏澤市開始利用極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作多種遙感監(jiān)測產品，這些遙感監(jiān)測產品也成為菏澤市城市氣象災害監(jiān)測預警服務系統(tǒng)的重要組成部分。

1 監(jiān)測產品的制作

1.1 數(shù)據(jù)預處理

山東省極軌衛(wèi)星遙感接收系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)為1 km、500 m、250 m分辨率的hdf格式1級（1B）數(shù)據(jù)，需要對其進行輻射校正和幾何校正，最終得到可直接應用于SMART監(jiān)測系統(tǒng)的ld3、ldf數(shù)據(jù)格式。

數(shù)據(jù)預處理可以利用SMART監(jiān)測系統(tǒng)中拼接投影部分實現(xiàn)。在SMART監(jiān)測系統(tǒng)中進行預定義分幅設置，對菏澤區(qū)域范圍進行設置，利用拼接投影模塊，選定投影范圍和投影波段后進行投影。由于菏澤市面積范圍較小，投影分辨率在遙感數(shù)據(jù)支持的情況下最好選擇250 m分辨率，如果使用1 km分辨率遙感數(shù)據(jù)，最后生成監(jiān)測產品會因分辨率不足而產生“馬賽克”。在拼接投影完成之后，還要進行幾何校正，在SMART監(jiān)測系統(tǒng)中點擊幾何校正模塊可實現(xiàn)。

預處理完成的數(shù)據(jù)為ld3、ldf格式，二者數(shù)據(jù)格式類似，不同處僅為頭記錄字節(jié)數(shù)，ld3格式頭記錄為4 096個字節(jié)，ldf數(shù)據(jù)頭記錄為128個字節(jié)[6]?，F(xiàn)以ld3數(shù)據(jù)格式為例進行介紹。ld3數(shù)據(jù)包括2個文件，即數(shù)據(jù)說明文件*.hdr和數(shù)據(jù)文件*.ld3。其中數(shù)據(jù)文件由頭記錄和數(shù)據(jù)組成，存儲順序為：頭記錄為4 096個字節(jié)，第1個通道的數(shù)據(jù)（圖像高度×圖像寬度×2），…，第n個通道的數(shù)據(jù)（圖像高度×圖像寬度×2）。其中每一個通道的數(shù)據(jù)按行排列。

1.2 植被遙感產品制作

在植被指數(shù)中，通常選用對綠色植物（葉綠素引起的）強吸收的可見光波段（0.6～0.7 μm）及對綠色植物（葉內組織引起的）高反射和高投射的近紅外波段（0.7～1.1 μm），這2個波段對統(tǒng)一生物物理現(xiàn)象的光譜相應截然相反，因而可以對其使用比值、差分、線性組合燈多種組合來增強或揭示隱含的植被信息[7]。目前，業(yè)務上面最常用的植被指數(shù)為NDVI植被指數(shù)，其計算公式如下：

NDVI=■（1）

針對NDVI植被指數(shù)的計算，MODIS衛(wèi)星主要采用1、2通道數(shù)據(jù)，F(xiàn)Y-3B MERSI 衛(wèi)星主要采用3、4 通道數(shù)據(jù)。NDVI植被指數(shù)計算可在SMART監(jiān)測系統(tǒng)氣候監(jiān)測分析板塊植被監(jiān)測專題里面實現(xiàn)，植被指數(shù)完成之后在SMART的工作空間里面生成NDVI柵格數(shù)據(jù)文件。利用該柵格數(shù)據(jù)文件，在產品專題圖模塊里即可生成NDVI植被指數(shù)遙感監(jiān)測專題圖。值得注意的是，計算NDVI植被指數(shù)的時候，考慮到云等的影響，最好使用多天的NDVI指數(shù)最大值合成的數(shù)據(jù)，該項在數(shù)據(jù)合成模塊可以實現(xiàn)。

1.3 火情遙感產品制作

菏澤是林業(yè)大市，是全國4個平原綠化達標市之一和全國平原綠化先進單位。全市林業(yè)用地面積254 669 hm2，森林面積236 409 hm2，活立木總蓄積26 539 161 m3，占山東省的1/6左右，林業(yè)產業(yè)總產值達到748億元。每年9月在菏澤市舉辦的中國林產品交易會，也是我國唯一經(jīng)國家林業(yè)局正式批準的具有行業(yè)代表意義的交易會。森林火災不只是燒毀成片的森林造成經(jīng)濟損失，而且還降低森林的更新能力破壞生態(tài)環(huán)境，引起土壤貧瘠，破壞森林涵養(yǎng)水源的能力，甚而導致生態(tài)環(huán)境失去平衡。因此，各級政府部門和林業(yè)部門高度重視森林防火和森林火災的監(jiān)測。運用衛(wèi)星監(jiān)測林火的手段是森林火災監(jiān)測的重要方法之一。當前極軌衛(wèi)星監(jiān)測菏澤火情主要使用FY-3B VIRR（可見光紅衛(wèi)掃描輻射計）的衛(wèi)星遙感資料，其3、4、5通道的波長范圍分別為3.55～3.95、10.30～11.30、11.50～12.50 μm。根據(jù)普朗克黑體輻射公式，計算不同溫度黑體分譜輻射率與波長的關系，可知地表常溫輻射峰值波長在通道4及通道5波長范圍，當溫度升高時，輻射波峰波長將向左移動，尤其高于500 K后，迅速靠近通道3波長范圍[8]。因此，F(xiàn)Y-3B VIRR第3通道，即中紅外通道為其特色通道，在日常業(yè)務中選擇VIRR第3、2、1通道數(shù)據(jù)對火情進行監(jiān)測。

火情監(jiān)測主要基于SMART監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測分析板塊火情監(jiān)測專題實現(xiàn)?；鹎楸O(jiān)測專題有自動判識和交互判識等模塊，其中交互判識模塊還有日粗判等選項，利用以上模塊可進行菏澤市遙感火情判識并制作遙感火情監(jiān)測圖。值得注意的是，利用SMART進行火情遙感監(jiān)測判識，因為火情判識選項復雜進程緩慢，出現(xiàn)判識結果經(jīng)實際操作驗證至少要等待5 min以上，經(jīng)常會因此誤認為SMART進程出現(xiàn)問題，此時打開Windows任務管理器，查看進程CPU使用率即可知SMART火情判識進程是否結束。endprint

1.4 干旱遙感產品制作

菏澤市屬暖溫帶季風大陸性氣候，四季分明，光熱資源豐富。降水多發(fā)生在夏季，水熱同季，適合大多數(shù)作物的生長。同時，菏澤市也是氣象災害天氣的多發(fā)地區(qū)。旱澇是主要氣象災害之一，尤其是干旱發(fā)生頻繁且影響范圍大，危害最為嚴重。利用遙感手段對干旱進行監(jiān)測，具有大范圍、宏觀、動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，以便于有關部門采取預防措施從而減輕損失。

由于水體對紅光（0.62～0.72 μm）和近紅外（0.76～3.00 μm）波段吸收極強，土壤含水量越多（濕地表）反射率越低，土壤含水量越少（干地表）反射率越高，所以可以利用垂直干旱指數(shù)和改進型垂直干旱指數(shù)對干旱進行監(jiān)測。垂直干旱指數(shù)（PDI）是利用NIR-Red三角形特征空間中任意一點E（Rred，Rnir）到L的距離EF作為表征區(qū)域干旱狀況。PDI模型主要針對低植被覆蓋時土壤水分的遙感監(jiān)測，地表覆蓋類型差異較大的區(qū)域之間，不具有可比性。針對其局限性提出改進型垂直干旱指數(shù)（MPDI）。PDI主要是應用于低植被覆蓋情況下遙感干旱監(jiān)測，MPDI主要是應用于高植被覆蓋下遙感干旱監(jiān)測。遙感干旱監(jiān)測可以在SMART監(jiān)測系統(tǒng)氣候監(jiān)測分析板塊干旱監(jiān)測專題里面實現(xiàn)。

2 SMART本地化

SMART監(jiān)測平臺主要是以國家為層面而開發(fā)，在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)將其應用到地市級別的時候會出現(xiàn)“水土不服”的情況。目前發(fā)現(xiàn)的問題主要集中在以下2個方面：一是基礎矢量數(shù)據(jù)過于陳舊，尚未根據(jù)新的行政區(qū)劃和行政邊界進行調整和改變；二是專題制圖里面的大部分專題圖模板對地市級不適用，每次制圖均需逐一修改，費時費力。針對這2個方面的問題，在使用過程中主要進行了以下本地化工作。

2.1 矢量數(shù)據(jù)本地化

SMART安裝軟件里面提供的基礎行政區(qū)域數(shù)據(jù)文件，在應用于菏澤本地的時候發(fā)現(xiàn)，其標注的地理信息名稱和菏澤市其他業(yè)務產品所標注的地理信息名稱不同，例如SMART基礎數(shù)據(jù)：市級行政區(qū)域_面.shp文件中存在“菏澤市市轄區(qū)”這個名稱，而目前其他業(yè)務產品中僅將其標注為“菏澤”，需要對其修改。

修改shp文件地理信息名稱主要是利用ArcGIS進行。打開ArcCatalog連接到所需要修改的shp文件，然后打開ArcMap，將shp文件拖動到ArcMap中，點擊編輯器，對shp文件屬性里面的地理信息名稱進行編輯。

2.2 制圖模板本地化

SMART可以提供豐富的制圖模板，但具體使用還是要對其進行修改，才能滿足本地化的需求。菏澤自定義模板修改主要集中在矢量層、圖例等內容。首先是矢量層，包括中國邊界、縣級行政區(qū)劃、市級行政區(qū)劃、湖泊、河流信息等。SMART可以提供基礎矢量圖層，但是為滿足本地化的需求，還需要添加一些本地的矢量信息，而這部分矢量信息的制作和加載是模板本地化的關鍵。此外，還需要對圖例中的圖標、制作單位、矢量圖例等內容進行修改。對模板修改完成之后點擊專題圖模板點擊“保存”“另存為”，新的制圖模板最好存放在LayoutTemplate文件夾下的自定義文件夾下面。值得注意的是加載自定義模板方式，要點擊加載自定義模板，再點擊專題圖數(shù)據(jù)文件，才能將自定義模板加載成功。

3 存在的問題及改進措施

利用SMART系統(tǒng)生成的監(jiān)測產品在實際服務過程中還存在一定問題，并不能完全滿足服務需求，有待于進一步改進和完善，其中需要改進的方面主要有以下幾點。

3.1 矢量圖層的完善

SMART安裝文件僅能提供基礎的矢量圖層，制作相關遙感監(jiān)測產品需要相應的矢量圖層。比如說監(jiān)測農田植被指數(shù)需要菏澤市耕地的矢量圖層；監(jiān)測森林火情需要菏澤市森林植被的矢量圖層；監(jiān)測冬小麥苗情需要冬小麥播種面積矢量圖層；監(jiān)測夏玉米長勢需要夏玉米播種面積矢量圖層。這些精專的矢量圖層是制作相關遙感監(jiān)測產品所必需的。

3.2 監(jiān)測產品的描述

極軌衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖制作出來之后，在服務過程中必須配一段文字對其進行解釋和說明，如何對極軌衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖進行恰當?shù)慕忉尯驼f明，如何處理火情和干旱面積等敏感信息，還有待在實際工作中進一步總結。

3.3 監(jiān)測模型參數(shù)和分級標準精讀的驗證

為了確保遙感監(jiān)測平臺中自帶的監(jiān)測模型參數(shù)對菏澤市的適用性，還必須結合地面觀測數(shù)據(jù)等，開展精度驗證和對比分析工作。

4 參考文獻

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[3] 信志紅，李剛，李峰. 基于MODIS數(shù)據(jù)的黃河口植被覆蓋變化與氣候因子相關性進行分析[J].貴州氣象，2017，41（3）：24-29.

[4] 李峰，趙玉金，趙紅，等.FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)在山東省農田干旱監(jiān)測中的應用[J].干旱氣象，2014，32（1）：17-22.

[5] 樊景豪，張翠英，張斌.2013—2014年菏澤市冬小麥增產的農業(yè)氣象條件分析[J].農業(yè)科技通訊，2015（12）：179-185.

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