風(fēng)云衛(wèi)星在積雪覆蓋監(jiān)測(cè)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(gè)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(zhǎng)時(shí)間的變化對(duì)農(nóng)牧業(yè)、水資源、災(zāi)害有著重要的意義，對(duì)人類活動(dòng)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(yàn)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(shí)空尺度上的分布特征有著非常重要的意義。

目前，我國(guó)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(gè)極軌系列，以及FY-2（8顆）和FY-4（1顆）兩個(gè)靜止系列。近年來(lái)，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心積雪業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)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(cè)方面開(kāi)展了大量研究、業(yè)務(wù)化以及數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)工作，具備了對(duì)全國(guó)乃至全球積雪進(jìn)行監(jiān)測(cè)的能力，能為遙感應(yīng)用服務(wù)提供穩(wěn)定的積雪監(jiān)測(cè)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(kāi)展下午時(shí)間的全球?qū)Φ鼐C合觀測(cè)，并與FY-3C星形成上下午星組網(wǎng)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)6h全球覆蓋[6]。我國(guó)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(gè)增加為4個(gè)，其中的主載荷掃描輻射計(jì)擁有14個(gè)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(cè)數(shù)據(jù)和圖像[7]。相比FY-3系列極軌衛(wèi)星，F(xiàn)Y-4A對(duì)中國(guó)及周邊地區(qū)兩次區(qū)域掃描成像間隔最短只有4min17s，時(shí)間分辨率大幅提升，可以較好地捕捉云的動(dòng)態(tài)信息，減少云對(duì)積雪監(jiān)測(cè)的影響。極軌與靜止協(xié)同觀測(cè)，風(fēng)云系列衛(wèi)星可憑借其刈幅寬、時(shí)間分辨率高、光譜覆蓋完整等優(yōu)勢(shì)，能夠客觀、準(zhǔn)確、及時(shí)地反映大范圍積雪時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，對(duì)監(jiān)測(cè)雪災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展、分析和評(píng)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(cè)技術(shù)

光學(xué)遙感信息在積雪覆蓋提取中具有直觀、時(shí)空分辨率高的明顯優(yōu)勢(shì)，而區(qū)分云和雪是光學(xué)遙感雪蓋判識(shí)的難點(diǎn)。雪蓋的判識(shí)方法可以分為二值化雪蓋判識(shí)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(shí)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(jiàn)光和紅外波段的光譜反射特性，計(jì)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(wú)雪覆蓋區(qū)[8-11]。國(guó)家衛(wèi)星氣象中心雪蓋監(jiān)測(cè)以閾值法為主，常用可見(jiàn)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(shí)的主要依據(jù)，通用判識(shí)條件為：

其中，R為可見(jiàn)光通道的反射率值，Rth為該通道的判識(shí)閾值，積雪和云在可見(jiàn)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(jiàn)光通道計(jì)算出的歸一化差分積雪指數(shù)，NDSIth為判識(shí)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(duì)積雪監(jiān)測(cè)的影響，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心雪蓋自動(dòng)判識(shí)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(dòng)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(yàn)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(cè)數(shù)據(jù)，由于夜間數(shù)據(jù)很難使用，加上云對(duì)積雪判識(shí)的影響，難以完整準(zhǔn)確地提供每日積雪覆蓋信息。針對(duì)積雪覆蓋產(chǎn)品受云影響比較嚴(yán)重的問(wèn)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(shí)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(duì)積雪的影響，如地形信息、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、雪線數(shù)據(jù)等[15-16]。靜止衛(wèi)星具有高時(shí)間分辨率、觀測(cè)范圍廣等優(yōu)勢(shì)，可以提供每天同一地區(qū)多時(shí)相的觀測(cè)信息，有利于減小云對(duì)雪蓋信息的影響，并且可以通過(guò)多個(gè)時(shí)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(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，在多云天氣環(huán)境下監(jiān)測(cè)積雪范圍時(shí)常采用被動(dòng)微波遙感。相對(duì)于光學(xué)遙感，被動(dòng)微波遙感有全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)積雪的能力，但其空間分辨率相對(duì)較粗，被動(dòng)微波信號(hào)對(duì)濕雪和淺雪不夠敏感，無(wú)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(tái)遙感系統(tǒng)為積雪監(jiān)測(cè)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(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)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(cè)產(chǎn)品及應(yīng)用

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

國(guó)家衛(wèi)星氣象中心對(duì)積雪覆蓋監(jiān)測(cè)提供基于分類樹(shù)閾值判識(shí)法的全球積雪覆蓋自動(dòng)判識(shí)產(chǎn)品，以及針對(duì)降雪事件利用FY-3系列衛(wèi)星可見(jiàn)光—紅外傳感器對(duì)冬季全國(guó)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(jī)交互和自動(dòng)判識(shí)結(jié)合產(chǎn)品，根據(jù)氣候變化提供每個(gè)年度雪季（11月至次年2月）的全國(guó)積雪覆蓋產(chǎn)品?？梢詫?duì)多次雪災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)評(píng)估，提供雪災(zāi)覆蓋圖和積雪覆蓋的空間和時(shí)間相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)服務(wù)。在多云天氣下，國(guó)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(duì)大范圍降雪事件開(kāi)展積雪覆蓋監(jiān)測(cè)服務(wù)。

圖1 FY-3C/VIRR積雪監(jiān)測(cè)多通道合成圖

圖2 FY-3C/VIRR積雪監(jiān)測(cè)專題圖

2. FY-4A氣象衛(wèi)星積雪覆蓋監(jiān)測(cè)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(jì)擁有14個(gè)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(shí)難度。國(guó)家衛(wèi)星氣象中心新一代靜止衛(wèi)星積雪覆蓋監(jiān)測(cè)以閾值法自動(dòng)判識(shí)為主，提供全圓盤(pán)積雪自動(dòng)判識(shí)產(chǎn)品（圖3）和中國(guó)區(qū)積雪自動(dòng)判識(shí)產(chǎn)品，針對(duì)降雪事件結(jié)合人機(jī)交互判識(shí)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(duì)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(cè)數(shù)據(jù)，F(xiàn)Y-4A靜止衛(wèi)星每天可以提供多時(shí)次觀測(cè)數(shù)據(jù)，不僅能夠更為有效地捕捉云團(tuán)流動(dòng)的變化特性，較好地減少云對(duì)積雪判識(shí)的影響，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)積雪范圍變化及其消融的過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，快速和高頻次獲取雪災(zāi)最新信息。此外，利用多時(shí)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(pán)積雪自動(dòng)判識(shí)產(chǎn)品

圖4 FY-4A/AGRI 2018年1月5日08時(shí)至16時(shí)單時(shí)次積雪覆蓋判識(shí)結(jié)果

圖5 FY-4A/AGRI 2018年1月5日08時(shí)至16時(shí)多時(shí)次積雪判識(shí)結(jié)果合成圖

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

3. 長(zhǎng)時(shí)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、氣候變化等領(lǐng)域有重要影響。國(guó)家衛(wèi)星氣象中心對(duì)全國(guó)積雪覆蓋進(jìn)行了近三十年的長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)，包括長(zhǎng)時(shí)間序列各旬/月/年的全國(guó)積雪覆蓋分布產(chǎn)品、積雪覆蓋日數(shù)（距平）產(chǎn)品以及對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品，圖6為氣象衛(wèi)星1990年至2017年冬季中國(guó)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(duì)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(guó)氣候變化藍(lán)皮書(shū)》和《中國(guó)氣候變化監(jiān)測(cè)公報(bào)》），為評(píng)估全國(guó)積雪覆蓋變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響及中國(guó)氣候變化分析提供最新監(jiān)測(cè)信息、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和影響評(píng)估分析。

圖6 氣象衛(wèi)星1990年至2017年冬季中國(guó)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(yǔ)

國(guó)家衛(wèi)星氣象中心利用風(fēng)云三號(hào)可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)、中分辨率光譜成像儀等傳感器資料，以人機(jī)交互和自動(dòng)判識(shí)結(jié)合的方式，對(duì)中國(guó)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(jì)等各類時(shí)空分布產(chǎn)品。針對(duì)全球、災(zāi)區(qū)等事件性積雪監(jiān)測(cè)，同樣采用該方法處理，并結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(lái)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(shí)空分辨率在雪災(zāi)監(jiān)測(cè)和突發(fā)事件監(jiān)測(cè)方面有著十分重要的作用和顯著優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取的需求?；贔Y-4A/AGRI多光譜通道，利用多時(shí)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(guó)地區(qū)雪蓋自動(dòng)判識(shí)算法結(jié)合人機(jī)交互判識(shí)修正，是業(yè)務(wù)工作積雪災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(tái)（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(duì)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(shì)，但每日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量有限，積雪覆蓋監(jiān)測(cè)受云影響較大。靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以有效彌補(bǔ)極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)每日雪蓋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不足的缺點(diǎn)，并通過(guò)多時(shí)相觀測(cè)數(shù)據(jù)的使用減少云對(duì)雪蓋信息的影響。被動(dòng)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(cè)，彌補(bǔ)光學(xué)遙感數(shù)據(jù)在極端天氣下的數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題。發(fā)展可見(jiàn)光—紅外遙感與被動(dòng)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(tái)、各類型數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，研究多元雪蓋產(chǎn)品融合方法，可以更準(zhǔn)確、更及時(shí)提供雪蓋監(jiān)測(cè)服務(wù)。