基于FY-3的冬小麥晚霜凍遙感監(jiān)測技術(shù)

王福州 魏慶偉 常江 陳道培 張青

摘要 利用FY-3衛(wèi)星VIRR數(shù)據(jù)和覃志豪分裂窗算法反演地表溫度，并與氣象臺站實測地面最低溫度建立回歸分析，利用變分技術(shù)訂正得到較為準(zhǔn)確的遙感地面最低溫度，再結(jié)合晚霜凍災(zāi)害指標(biāo)和冬小麥發(fā)育期，實現(xiàn)晚霜凍遙感監(jiān)測。通過2018年4月7日一次晚霜凍過程的監(jiān)測和實地調(diào)查，對監(jiān)測結(jié)果進行驗證，證明在反映大范圍凍害分布和凍害面積程度等方面，選感監(jiān)測具有明顯優(yōu)勢和實際服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞 FY-3;晚霜凍;選感監(jiān)測

中圖分類號：S423

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-3305（2021）02-0192-03

霜凍是指植株附近氣溫突然降到0℃或以下，造成植株體內(nèi)水分凍結(jié)，導(dǎo)致植株受害或死亡的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。霜凍和凍害對作物生長發(fā)育危害嚴重，對拔節(jié)后抗寒能力明顯減弱的冬小麥而言，晚霜凍影響尤甚。

目前冬小麥晚霜凍監(jiān)測方法常用調(diào)査分析法、統(tǒng)計法。上述方法實施起來費時費力、主觀性強、覆蓋面積小。并且霜凍對作物造成的損害還具有隱蔽性和延遲性，田間調(diào)查常會低估受災(zāi)面積及受災(zāi)程度。遙感具有客觀、宏觀、快速、及時的特點，在農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測方面得到廣泛應(yīng)用。楊邦杰等提出用氣象衛(wèi)星遙感資料得到的歸一化植被指數(shù)的變化情況來監(jiān)測霜凍，王連喜等叫用遙感反演地面最低溫度法來監(jiān)測冬小麥凍害。這些算法大部分適用于MODIS、ASTER等衛(wèi)星的。少數(shù)學(xué)者已探索用FY-3MERSI單紅外通道數(shù)據(jù)進行地表溫度反演，但適用于FY-3衛(wèi)星精度較高的地表溫度反演算法較少，特別是適用于FY-3衛(wèi)星VIRR這種具有兩個以上紅外通道傳感器的反演算法尤為匱乏。針對上述問題，通過建立遙感地表溫度和實測地面最低溫度回歸模型，利用變分訂正遙感地面最低溫度，結(jié)合冬小麥晚霜凍災(zāi)害指標(biāo)和發(fā)育期，實現(xiàn)晚霜凍遙感監(jiān)測。

1技術(shù)與方法

1.1分裂窗算法

FY-3衛(wèi)星是中國第2代極軌衛(wèi)星，衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率較高，且具有多光譜特性，不僅有熱紅外數(shù)據(jù)，還可直接從可見光波段反演出地表狀況、大氣水汽含量，以及由此換算出對地表溫度反演精度有較大影響的地表輻射率大氣透過率等重要參數(shù)。通過查閱有關(guān)文獻分析，覃志豪的分裂窗算法比較適用遙感反演地表溫度。這是一種相對簡單、中間參數(shù)少而反演精度較高的分裂窗算法。這種算法消除了大氣平均溫度的影響，所需參數(shù)都可以從FY-3的其它波段數(shù)據(jù)中反演出來，不需要其他額外的信息就可以進行地表溫度的反演，是一種適合于FY-3數(shù)據(jù)的分裂窗算法。

該分裂窗算法表達式如下：

式中，Ts為地表溫度，T4、T是FY-3第4、第5通道的亮度溫度，單位K，可用普朗克輻射方程獲取，A。、A1和A2是系數(shù)，由大氣透過率和地表比輻射率等因子確定，可用下式計算：

式中，3為地表溫度，74、Z是FY-3第4、第5通道的亮度溫度，單位K，可用普朗克輻射方程獲取，A0、A1和A2是系數(shù)，由大氣透過率和地表比輻射率等因子確定，可用下式計算：

式中，a4、b2、a3、b、是常量，取a64.60363，b4-0.440817，a3-68.72575，b0.473453，其余中間參數(shù)分別計算如下：

式中，て（り）是（-4，5）波段視角為0的大氣透過率，是（4，5）波段的地表比輻射率。

在用分裂窗算法進行地表溫度反演中，用FY-3的VIRR通道來計算比輻射率及水汽含量，而夜間數(shù)據(jù)無法直接用于計算地表溫度，可直接用白天的NDVI計算比輻射率。在此未考慮由露水原因造成的白天與夜晚比輻射率差異。夜間計算模式中的水汽含量用白天計算的水汽含量的平均值代替。

1.2地表反演溫度與日最低氣溫關(guān)系

采用覃志豪分裂窗算法，反演得到地表溫度，為減少誤差，把反演得到的地表最低溫度與實測值進行變分運算，得到變分訂正后的遙感地表最低溫度山。地表溫度在時間和空間上變率較大，大范圍觀測比較困難，而統(tǒng)計反演常減少變幅，存在一定誤差，故再次用變分法對訂正后的反演地表最低溫度進行再訂正，得到新的更為客觀的地表最低溫度，其可信度比原有的反演資料更高。

在利用地面實測資料與遙感資料建立回歸反演地表溫度時，實測資料的時間與衛(wèi)星過境時間越接近，反演的誤差越小。在遙感監(jiān)測小麥晚霜凍時，由于受凍程度與地表最低溫度密切相關(guān)，而地表最低溫度一般出現(xiàn)在日出前，在實際應(yīng)用時，為了減少誤差，最好選擇接近地表最低溫度出現(xiàn)時的遙感資料。

FY-3B的衛(wèi)星資料反演的是衛(wèi)星過境時（04：00左右）的地表溫度，而晚霜凍的監(jiān)測指標(biāo)是日最低氣溫，為了彌補衛(wèi)星過境時間和最低氣溫出現(xiàn)時間的差異，建立04：00左右溫度和日最低氣溫之間的關(guān)系（圖1）。利用2018年3月11日ー4月20日的逐日氣象資料，建立二者之間的線性回歸方程為：

0.8766x+1.2763，R2-=0.8274。

2晚霜凍害遙感監(jiān)測

開發(fā)出基于GIS支持下的冬小麥晚霜凍遙感監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)冬小麥拔節(jié)后各時段凍害指標(biāo)（表1），對發(fā)生的晚霜凍害進行遙感監(jiān)測，制作出冬小麥凍害發(fā)生空間分布圖，并統(tǒng)計出不同地區(qū)不同凍害等級的受災(zāi)面積，實現(xiàn)冬小麥凍害的遙感監(jiān)測評估。

2.1近年鶴壁市小麥晚霜凍發(fā)生情況

鶴壁市的冬小麥晚霜凍害一般發(fā)生在每年的3月中旬至4月中旬，常給小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)造成較大影響。鶴壁市近9年有5年發(fā)生了晚霜凍，發(fā)生頻率為55.6%6;共出現(xiàn)晚霜凍9d，拔節(jié)期以后出現(xiàn)5d，占55.6%，拔節(jié)前共出現(xiàn)4d，占44.4%。從晚霜凍發(fā)生程度看，輕霜凍出現(xiàn)天數(shù)多于重霜凍，分別占總天數(shù)的667%和33.3%。

2.2晚霜凍監(jiān)測應(yīng)用事例

選取2018年4月7日發(fā)生在河南省的一次低溫過程，利用分裂窗方法和變分技術(shù)反演得到地表最低溫度，再根據(jù)冬小麥晚霜凍指標(biāo)，結(jié)合小麥拔節(jié)期制作了河南省冬小麥晚霜凍分布情況（圖2）。分別統(tǒng)計了各地市不同程度晚霜凍害的面積（表2）。根據(jù)鶴壁市晚霜凍遙感監(jiān)測分布圖（圖3）和不同程度凍害的面積，經(jīng)與鶴壁市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局調(diào)査統(tǒng)計的冬小麥晚霜凍害資料對比分析，鶴壁市遙感監(jiān)測的晚霜凍區(qū)域分布、發(fā)生程度及發(fā)生面積情況與實際調(diào)查的基本吻合（表3）。

3結(jié)果與討論

（1）基于FY-3數(shù)據(jù)地表溫度反演算法還需要進一步改進，遙感反演精度驗證仍然是個難點。另外，由于晚霜凍指標(biāo)是利用日極端最低氣溫，而與遙感資料時間不匹配。雖然建立了FY-3B衛(wèi)星過境時的地表溫度與日極端最低氣溫的線性關(guān)系并對反演的溫度進行了訂正，但其它衛(wèi)星過境時反演的地表溫度與日極端最低氣溫的關(guān)系需要重新建立。一般距最低氣溫出現(xiàn)時間越接近線性關(guān)系越顯著，但仍將不可避免地存在一定誤差。

（2）用夜晚地表溫度計算比輻射率和水汽含量雖然存在一定誤差，但從結(jié)果看精度可基本滿足業(yè)務(wù)服務(wù)要求。

（3）目前普遍應(yīng)用NDV計算比輻射率的方法，雖然簡單，但存在的誤差對地表溫度反演的結(jié)果影響也較大。

（4）分裂窗算法本身對水汽含量的影響并不很敏感，因此水汽反演雖然存在誤差，但還可以應(yīng)用于該算法中。

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責(zé)任編輯：黃艷飛