風(fēng)云衛(wèi)星在積雪覆蓋監(jiān)測方面的應(yīng)用

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一、引言

積雪是冰凍圈中分布最廣泛、年際變化和季節(jié)變化最活躍的要素之一，影響著全球范圍內(nèi)的地球表層輻射平衡、能量交換，以及整個氣候系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。在區(qū)域范圍內(nèi)，積雪季節(jié)性和長時間的變化對農(nóng)牧業(yè)、水資源、災(zāi)害有著重要的意義，對人類活動和生態(tài)環(huán)境有著雙重影響[3-4]。積雪特性（積雪面積、積雪深度、反射率等）還是氣候模型、全球能量模型和水文模型的重要參數(shù)和算法發(fā)展的重要驗證數(shù)據(jù)。因此，研究積雪信息（積雪覆蓋范圍、雪深或雪水當(dāng)量）在不同時空尺度上的分布特征有著非常重要的意義。

目前，我國已成功發(fā)射17顆風(fēng)云（FY）系列氣象衛(wèi)星，包括FY-1（4顆）和FY-3（4顆）兩個極軌系列，以及FY-2（8顆）和FY-4（1顆）兩個靜止系列。近年來，國家衛(wèi)星氣象中心積雪業(yè)務(wù)監(jiān)測應(yīng)用服務(wù)以FY-3系列極軌衛(wèi)星為主[5]，在衛(wèi)星積雪覆蓋監(jiān)測方面開展了大量研究、業(yè)務(wù)化以及數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作，具備了對全國乃至全球積雪進(jìn)行監(jiān)測的能力，能為遙感應(yīng)用服務(wù)提供穩(wěn)定的積雪監(jiān)測產(chǎn)品和服務(wù)資料。

隨著2017年FY-3D的成功發(fā)射，F(xiàn)Y-3D將代替FY-3B開展下午時間的全球?qū)Φ鼐C合觀測，并與FY-3C星形成上下午星組網(wǎng)觀測，實現(xiàn)6h全球覆蓋[6]。我國第二代地球靜止軌道定量遙感氣象衛(wèi)星FY-4A及地面應(yīng)用系統(tǒng)于2018年中正式投入數(shù)據(jù)服務(wù)。相比第一代靜止衛(wèi)星FY-2系列，F(xiàn)Y-4A搭載的載荷由2個增加為4個，其中的主載荷掃描輻射計擁有14個光譜通道，可用于獲取地球表面和云的多光譜、高精度、定量觀測數(shù)據(jù)和圖像[7]。相比FY-3系列極軌衛(wèi)星，F(xiàn)Y-4A對中國及周邊地區(qū)兩次區(qū)域掃描成像間隔最短只有4min17s，時間分辨率大幅提升，可以較好地捕捉云的動態(tài)信息，減少云對積雪監(jiān)測的影響。極軌與靜止協(xié)同觀測，風(fēng)云系列衛(wèi)星可憑借其刈幅寬、時間分辨率高、光譜覆蓋完整等優(yōu)勢，能夠客觀、準(zhǔn)確、及時地反映大范圍積雪時空動態(tài)變化特征，對監(jiān)測雪災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展、分析和評估雪災(zāi)狀況、區(qū)域和全球氣候變化等研究和業(yè)務(wù)工作提供全面的數(shù)據(jù)支持。

二、遙感積雪覆蓋監(jiān)測技術(shù)

光學(xué)遙感信息在積雪覆蓋提取中具有直觀、時空分辨率高的明顯優(yōu)勢，而區(qū)分云和雪是光學(xué)遙感雪蓋判識的難點。雪蓋的判識方法可以分為二值化雪蓋判識算法和基于亞像元分解的積雪覆蓋度反演算法。二值化雪蓋判識算法包括監(jiān)督分類、閾值法和雪蓋指數(shù)方法，基于云、積雪、植被、陸地、水體等不同地物在可見光和紅外波段的光譜反射特性，計算積雪指數(shù)（如歸一化雪蓋指數(shù)NDSI等），結(jié)合紅外波段亮溫區(qū)分積雪覆蓋區(qū)、云和無雪覆蓋區(qū)[8-11]。國家衛(wèi)星氣象中心雪蓋監(jiān)測以閾值法為主，常用可見光與近紅外通道反射率、中紅外與遠(yuǎn)紅外通道亮溫作為積雪判識的主要依據(jù)，通用判識條件為：

其中，R為可見光通道的反射率值，Rth為該通道的判識閾值，積雪和云在可見光波段有較高的反射率可區(qū)別于其他暗色地物，如水體、裸地等；NDSI為利用1.6μm通道和可見光通道計算出的歸一化差分積雪指數(shù)，NDSIth為判識閾值，積雪的NDSI一般在0.3以上；T為紅外通道的亮溫，TthL為低閾值，TthH為高閾值，積雪在近紅外波段1.6μm附近反射率低而云的反射率依舊很高，結(jié)合積雪指數(shù)和遠(yuǎn)紅外波段的亮溫信息可較好地區(qū)別高云、中低云和積雪。為了更好地解決云和下墊面對積雪監(jiān)測的影響，國家衛(wèi)星氣象中心雪蓋自動判識方法常?；诖罅坎蓸雍烷撝捣榛A(chǔ)，結(jié)合雪蓋指數(shù)、考慮多種因子影響建立多重閾值法、動態(tài)空間閾值法等進(jìn)行雪蓋提取[12]。積雪覆蓋度反演主要涵蓋的方法有混合像元分解法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)驗關(guān)系雪蓋指數(shù)法等，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)、高程信息、降水等數(shù)據(jù)得到雪蓋產(chǎn)品，在極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)上應(yīng)用廣泛[13-14]。

在全球多數(shù)區(qū)域，一顆極軌衛(wèi)星每日僅可獲取晝夜兩次觀測數(shù)據(jù)，由于夜間數(shù)據(jù)很難使用，加上云對積雪判識的影響，難以完整準(zhǔn)確地提供每日積雪覆蓋信息。針對積雪覆蓋產(chǎn)品受云影響比較嚴(yán)重的問題，有些學(xué)者基于積雪覆蓋在短期（兩三天）內(nèi)變化不大、高海拔區(qū)域尤為穩(wěn)定的假設(shè)，提出了多種去云方法，目前常用的去云技術(shù)包括時間濾波法、空間濾波法、多傳感器融合法和基于多源數(shù)據(jù)的去云方法等，并結(jié)合輔助信息去除云對積雪的影響，如地形信息、地面觀測數(shù)據(jù)、雪線數(shù)據(jù)等[15-16]。靜止衛(wèi)星具有高時間分辨率、觀測范圍廣等優(yōu)勢，可以提供每天同一地區(qū)多時相的觀測信息，有利于減小云對雪蓋信息的影響，并且可以通過多個時次數(shù)據(jù)合成而獲取更為準(zhǔn)確的積雪覆蓋范圍[17-18]。

積雪覆蓋通常依賴光學(xué)儀器實現(xiàn)監(jiān)測，在多云天氣環(huán)境下監(jiān)測積雪范圍時常采用被動微波遙感。相對于光學(xué)遙感，被動微波遙感有全天時、全天候監(jiān)測積雪的能力，但其空間分辨率相對較粗，被動微波信號對濕雪和淺雪不夠敏感，無法提供精度較高的雪蓋信息[19-21]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，多波段、多平臺遙感系統(tǒng)為積雪監(jiān)測提供了多源數(shù)據(jù)融合的可能，采用多源數(shù)據(jù)融合的方式，可以有效避免單一數(shù)據(jù)源的局限性，通過優(yōu)勢互補提供更為精確的積雪覆蓋信息[22-26]。

三、風(fēng)云系列衛(wèi)星雪蓋監(jiān)測產(chǎn)品及應(yīng)用

1. FY-3氣象衛(wèi)星雪災(zāi)遙感監(jiān)測產(chǎn)品及服務(wù)

國家衛(wèi)星氣象中心對積雪覆蓋監(jiān)測提供基于分類樹閾值判識法的全球積雪覆蓋自動判識產(chǎn)品，以及針對降雪事件利用FY-3系列衛(wèi)星可見光—紅外傳感器對冬季全國或者特定區(qū)域（地理地區(qū)或者行政區(qū)域）的雪情提供積雪覆蓋分布產(chǎn)品（圖1）、積雪覆蓋專題產(chǎn)品（圖2）、積雪覆蓋多天合成等人機交互和自動判識結(jié)合產(chǎn)品，根據(jù)氣候變化提供每個年度雪季（11月至次年2月）的全國積雪覆蓋產(chǎn)品?？梢詫Χ啻窝?zāi)的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行及時的監(jiān)測評估，提供雪災(zāi)覆蓋圖和積雪覆蓋的空間和時間相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)監(jiān)測服務(wù)。在多云天氣下，國家衛(wèi)星氣象中心利用FY-3衛(wèi)星微波成像儀（MWRI）數(shù)據(jù)針對大范圍降雪事件開展積雪覆蓋監(jiān)測服務(wù)。

圖1 FY-3C/VIRR積雪監(jiān)測多通道合成圖

圖2 FY-3C/VIRR積雪監(jiān)測專題圖

2. FY-4A氣象衛(wèi)星積雪覆蓋監(jiān)測情況

相比第一代靜止衛(wèi)星FY-2系列，F(xiàn)Y-4A搭載的主載荷掃描輻射計擁有14個光譜通道，增加的近紅外波段1.61μm可大大降低積雪覆蓋判識難度。國家衛(wèi)星氣象中心新一代靜止衛(wèi)星積雪覆蓋監(jiān)測以閾值法自動判識為主，提供全圓盤積雪自動判識產(chǎn)品（圖3）和中國區(qū)積雪自動判識產(chǎn)品，針對降雪事件結(jié)合人機交互判識修訂提供特定區(qū)域（地理地區(qū)或者行政區(qū)域）的積雪覆蓋業(yè)務(wù)產(chǎn)品（圖4）。相對于FY-3系列極軌衛(wèi)星，一顆極軌衛(wèi)星每日僅可獲取晝夜兩次觀測數(shù)據(jù)，F(xiàn)Y-4A靜止衛(wèi)星每天可以提供多時次觀測數(shù)據(jù)，不僅能夠更為有效地捕捉云團流動的變化特性，較好地減少云對積雪判識的影響，還可以實現(xiàn)對積雪范圍變化及其消融的過程的動態(tài)監(jiān)測，快速和高頻次獲取雪災(zāi)最新信息。此外，利用多時次數(shù)據(jù)合成可以提供更為準(zhǔn)確的日積雪覆蓋產(chǎn)品（圖5）。

圖3 FY-4A全圓盤積雪自動判識產(chǎn)品

圖4 FY-4A/AGRI 2018年1月5日08時至16時單時次積雪覆蓋判識結(jié)果

圖5 FY-4A/AGRI 2018年1月5日08時至16時多時次積雪判識結(jié)果合成圖

以2018年我國中東部積雪覆蓋監(jiān)測為例，2018年1月5日共接收到FY-4A多時相影像39幅。1月5日08時至16時，山東省境內(nèi)積雪面積變化率約為4576.82 km2/h，11時至12時減少的積雪覆蓋面積最大，約為9351 km2（圖4）。1月5日08時至16時，多時相積雪判識合成結(jié)果顯示，我國中東部晴空區(qū)日積雪覆蓋最大范圍為32萬km2，相對于極軌氣象衛(wèi)星日積雪覆蓋監(jiān)測結(jié)果22萬km2，靜止衛(wèi)星的有效監(jiān)測數(shù)值增加了近50%（圖5）。

3. 長時間序列積雪覆蓋遙感服務(wù)

積雪覆蓋作為生態(tài)環(huán)境的重要要素之一，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、氣候變化等領(lǐng)域有重要影響。國家衛(wèi)星氣象中心對全國積雪覆蓋進(jìn)行了近三十年的長時間序列監(jiān)測，包括長時間序列各旬/月/年的全國積雪覆蓋分布產(chǎn)品、積雪覆蓋日數(shù)（距平）產(chǎn)品以及對應(yīng)的統(tǒng)計產(chǎn)品，圖6為氣象衛(wèi)星1990年至2017年冬季中國主要積雪區(qū)東北和內(nèi)蒙古、新疆及青藏高原積雪持續(xù)日數(shù)覆蓋度歷年變化。衛(wèi)星遙感快速獲取指示生態(tài)環(huán)境的要素，從宏觀上反映生態(tài)環(huán)境變化及其基本格局，為應(yīng)對氣候變化、防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)文明建設(shè)的新需求（《中國氣候變化藍(lán)皮書》和《中國氣候變化監(jiān)測公報》），為評估全國積雪覆蓋變化對生態(tài)環(huán)境的影響及中國氣候變化分析提供最新監(jiān)測信息、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和影響評估分析。

圖6 氣象衛(wèi)星1990年至2017年冬季中國主要積雪區(qū)東北和內(nèi)蒙古、新疆及青藏高原積雪持續(xù)日數(shù)覆蓋度歷年變化

四、結(jié)束語

國家衛(wèi)星氣象中心利用風(fēng)云三號可見光紅外掃描輻射計、中分辨率光譜成像儀等傳感器資料，以人機交互和自動判識結(jié)合的方式，對中國范圍積雪進(jìn)行業(yè)務(wù)化處理，生成積雪覆蓋、積雪統(tǒng)計等各類時空分布產(chǎn)品。針對全球、災(zāi)區(qū)等事件性積雪監(jiān)測，同樣采用該方法處理，并結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計積雪面積等信息，生成區(qū)域的積雪覆蓋專題產(chǎn)品。

近年來全球氣候異常，各種災(zāi)害頻發(fā)，F(xiàn)Y-4A靜止衛(wèi)星的高時空分辨率在雪災(zāi)監(jiān)測和突發(fā)事件監(jiān)測方面有著十分重要的作用和顯著優(yōu)勢，可以對雪災(zāi)等突發(fā)事件進(jìn)行快速響應(yīng)，滿足應(yīng)急業(yè)務(wù)服務(wù)對數(shù)據(jù)實時獲取的需求?；贔Y-4A/AGRI多光譜通道，利用多時相數(shù)據(jù)獲取更精確的積雪覆蓋和融化信息，發(fā)展中國地區(qū)雪蓋自動判識算法結(jié)合人機交互判識修正，是業(yè)務(wù)工作積雪災(zāi)害監(jiān)測和積雪氣候分析所迫切需要的。

風(fēng)云系列衛(wèi)星有多種平臺（極軌、靜止）和多種類型（光學(xué)、微波）的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的雪蓋產(chǎn)品。極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有高空間分辨率的優(yōu)勢，但每日監(jiān)測數(shù)據(jù)量有限，積雪覆蓋監(jiān)測受云影響較大。靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以有效彌補極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)每日雪蓋監(jiān)測數(shù)據(jù)不足的缺點，并通過多時相觀測數(shù)據(jù)的使用減少云對雪蓋信息的影響。被動微波遙感不受天氣影響可以穿透云霧，進(jìn)行全天候監(jiān)測，彌補光學(xué)遙感數(shù)據(jù)在極端天氣下的數(shù)據(jù)缺失問題。發(fā)展可見光—紅外遙感與被動微波遙感融合獲取積雪覆蓋信息的方法，充分發(fā)揮各平臺、各類型數(shù)據(jù)優(yōu)勢，研究多元雪蓋產(chǎn)品融合方法，可以更準(zhǔn)確、更及時提供雪蓋監(jiān)測服務(wù)。