高分遙感技術(shù)在甘肅氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

賀海燕，魏 瑋，廖倩倩，楊春芽，袁淑杰

（1.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610000；2.甘南州藏族自治州卓尼縣氣象局，甘肅 甘南 747600；3.甘南州藏族自治州瑪曲縣氣象局，甘肅 甘南 747600）

甘肅地處我國(guó)的西北地區(qū)，境內(nèi)為黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原三大高原交匯地帶，氣候類型多樣，主要有亞熱帶季風(fēng)氣候、溫帶季風(fēng)氣候以及溫帶大陸性氣候等。近年來(lái)，我國(guó)的地面氣象觀測(cè)站數(shù)量雖有所增加，但是觀測(cè)站覆蓋范圍卻比較小。為獲得甘肅的完整遙感資料，有必要使用高分遙感技術(shù)加強(qiáng)對(duì)該省氣象的監(jiān)測(cè)。

1 高分遙感監(jiān)測(cè)的特征

將高分遙感技術(shù)應(yīng)用到氣象監(jiān)測(cè)中后，有效推動(dòng)了氣象監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)下的高分遙感監(jiān)測(cè)具有三個(gè)特征，分別是高空間分辨率特征、高光譜分辨率特征以及高時(shí)間分辨率特征。1）高空間分辨率是指高分遙感技術(shù)能夠準(zhǔn)確識(shí)別兩個(gè)相鄰地物之間的最小距離。學(xué)術(shù)界規(guī)定空間分辨率優(yōu)于1m 的光學(xué)成像衛(wèi)星所獲取的數(shù)據(jù)為高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)。2）高光譜分辨率遙感技術(shù)是指在可見光、近紅外波、熱紅外波以及中紅外波的波段范圍內(nèi)，獲取大量窄光譜連續(xù)影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。高分五號(hào)為全球第一顆高光譜觀測(cè)衛(wèi)星，也為國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)能夠?qū)Υ箨懸约按髿膺M(jìn)行綜合觀測(cè)的全譜段高光觀測(cè)衛(wèi)星。3）高時(shí)間分辨率是指重復(fù)觀測(cè)同一地區(qū)所需要的時(shí)間，作為遙感系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)在高分遙感技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的作用重大。

2 氣象監(jiān)測(cè)概述

氣象監(jiān)測(cè)是氣象事業(yè)中的重要內(nèi)容，氣象事業(yè)在人類發(fā)展過(guò)程中的意義重大，是一種通過(guò)氣象監(jiān)測(cè)，氣象工作人員能夠?qū)Υ髿庑畔⑦M(jìn)行采集、加工、儲(chǔ)存與傳輸，根據(jù)社會(huì)、生態(tài)、軍事、政治以及經(jīng)濟(jì)各方面的不同需求，可向政府、各生產(chǎn)部門以及社會(huì)公眾等提供氣象方面相關(guān)的技術(shù)和信息的活動(dòng)。氣象監(jiān)測(cè)為氣象服務(wù)中的一種，氣象服務(wù)包括決策氣象服務(wù)、專業(yè)氣象服務(wù)、專項(xiàng)氣象服務(wù)以及公共氣象服務(wù)。傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測(cè)技術(shù)工作效率低，無(wú)法滿足社會(huì)快速發(fā)展的要求，新一代的高分遙感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在氣象服務(wù)中的作用越來(lái)越大，使用該技術(shù)監(jiān)測(cè)到的氣象數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、可靠性高[1]。

3 高分遙感技術(shù)在甘肅氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

高分遙感技術(shù)的快速發(fā)展與完善在氣象監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，如今該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域并取得了良好的應(yīng)用效果。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，甘肅省的高分遙感技術(shù)已經(jīng)與多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了良好的合作，主要包括水體監(jiān)測(cè)、沙漠邊界監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)以及霧霾監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

3.1 水體監(jiān)測(cè)方面

水資源是我國(guó)的重要資源，在人們的生產(chǎn)生活中非常重要，人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展離不開對(duì)水資源保護(hù)與節(jié)約。近幾年，甘肅省每年都會(huì)有氣象監(jiān)測(cè)團(tuán)隊(duì)使用高分遙感技術(shù)對(duì)省內(nèi)大量湖泊河流進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估，例如黃河、大夏河、渭河以及涇河等。將高分遙感技術(shù)應(yīng)用到水體監(jiān)測(cè)中，能夠有效監(jiān)測(cè)出各水體的不同變化特征，比如水域面積變化情況等。

3.2 林業(yè)氣象方面

森林是人類的重要資源，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。森林植被是聯(lián)結(jié)土壤、水源以及大氣的重要紐帶，當(dāng)森林發(fā)生變化時(shí)，即可表示陸地生態(tài)系統(tǒng)遭到了破壞。地表植被中包含著氣候模型中的各種參數(shù)，在生態(tài)變化中的指示意義重大。使用高分遙感技術(shù)對(duì)甘肅森林植被進(jìn)行監(jiān)測(cè)，長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)結(jié)果可用于研究不同氣候背景下的植被變化以及生長(zhǎng)規(guī)律，同時(shí)還能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的變化過(guò)程進(jìn)行探索分析。使用高分遙感技術(shù)能夠?qū)χ脖灰约傲只饍煞矫孢M(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。

3.2.1 植被監(jiān)測(cè)

國(guó)外對(duì)植被監(jiān)測(cè)的研究比我國(guó)早，如今已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。歷時(shí)十六年的由Lewis 等人參與研究的植被監(jiān)測(cè)研究結(jié)果顯示各植被類型的NDVI 變化和降雨量的變化有很好的相關(guān)性。我國(guó)對(duì)植被監(jiān)測(cè)的研究起步比較晚，但是近幾年各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展使得我國(guó)的植被監(jiān)測(cè)研究水平有了一定程度的提升。例如，信忠保等人選用GIMMS 和SPOT/GT 兩種植被指數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)甘肅境內(nèi)黃土高原地區(qū)的植被覆蓋的時(shí)空變化進(jìn)行了細(xì)致研究，研究結(jié)果顯示黃土高原的植被變化經(jīng)歷了四個(gè)階段，四個(gè)階段的植被覆蓋變化都和降雨量的多少有著直接的關(guān)系，因此得出降雨變化是造成植被覆蓋變化的主要原因。此后，馬明國(guó)等人的植被監(jiān)測(cè)研究結(jié)果顯示氣溫變化和降雨變化是影響植被覆蓋變化的主要因素。

3.2.2 林火監(jiān)測(cè)

發(fā)生森林火災(zāi)會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成巨大的損害，造成的損失不計(jì)其數(shù)，因此我國(guó)非常重視對(duì)森林火災(zāi)的防范。傳統(tǒng)的森林防火信息采集和上傳效率低，林火監(jiān)測(cè)技術(shù)難以被大范圍應(yīng)用。信息時(shí)代到來(lái)后，將高分遙感技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來(lái)能夠有效解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的不足，同時(shí)取得了較好的應(yīng)用效果。例如，許東蓓等人利用MODIS 遙感數(shù)據(jù)對(duì)甘肅境內(nèi)的重大火災(zāi)、土壤水分以及火災(zāi)前期植被干旱程度等進(jìn)行了仔細(xì)分析，最后結(jié)果表明，使用MODIS 能夠有效監(jiān)測(cè)火災(zāi)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，同時(shí)還能提供準(zhǔn)確的火災(zāi)位置、火災(zāi)面積等數(shù)據(jù)信息，遙感的使用能避免傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的不足，提高林火監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度和可信度。此后，王一凱等人提出了一種基于地表溫度、風(fēng)速、蒸發(fā)量空間模擬數(shù)據(jù)以及濕度遙感數(shù)據(jù)的林火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)法，形成了地表溫度與濕度分析模型，最終生產(chǎn)成了甘肅省森林火險(xiǎn)等級(jí)分布圖。研究結(jié)果顯示，使用該方法研究的森林火險(xiǎn)等級(jí)在空間上是連續(xù)的，能夠很好的反映甘肅的森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度，可為地方森林防火部門的制度制定提供建議，推動(dòng)森林防火工作的順利開展。

3.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣象信息密切相關(guān)，合適的氣象條件是促進(jìn)農(nóng)作物快速生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。我國(guó)屬于農(nóng)業(yè)大國(guó)，因此加強(qiáng)農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)研究能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)的發(fā)展提供建議。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，低溫、大風(fēng)以及干旱等災(zāi)害性天氣會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)造成不可逆的影響，例如，2015 年江南、西南地區(qū)的一次持續(xù)性降雨導(dǎo)致地區(qū)農(nóng)作物受災(zāi)近60 千公頃，損失近6.4 千公頃農(nóng)作物。因此，為保證甘肅境內(nèi)農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)，有必要使用高分遙感技術(shù)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)氣象的監(jiān)測(cè)[3]。

3.3.1 農(nóng)作物監(jiān)測(cè)

農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況直接關(guān)系到農(nóng)作物產(chǎn)量的多少，從而直接決定了種植人員的收益，因此農(nóng)作物的監(jiān)測(cè)和估產(chǎn)屬于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。Dalezios 等人利用NOAA提供的高分辨率AVHRR 數(shù)據(jù)，研究計(jì)算得出了甘肅近幾年的NDVI 數(shù)值，完成了對(duì)甘肅境內(nèi)玉米等農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)的連續(xù)監(jiān)測(cè)研究。結(jié)論顯示，使用NDVI 計(jì)算的玉米等農(nóng)作物的產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量基本吻合，由此可知使用遙感技術(shù)能夠有效監(jiān)測(cè)計(jì)算農(nóng)作物的產(chǎn)量。因此，為提升農(nóng)作物產(chǎn)量，可使用高分遙感技術(shù)對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)估，同時(shí)采取具體措施有效提升農(nóng)作物產(chǎn)量，最大化種植人員的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3.2 自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)

使用高分遙感技術(shù)能夠有效監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的受災(zāi)信息，方便種植人員采取有針對(duì)性的措施防治農(nóng)作物常見的災(zāi)害。將高分遙感技術(shù)應(yīng)用到對(duì)農(nóng)作物受災(zāi)信息的監(jiān)測(cè)中還能彌補(bǔ)因氣象站點(diǎn)缺少、氣象站點(diǎn)分布不均勻造成監(jiān)測(cè)誤差等方面的不足。例如，張佳華等人總結(jié)了國(guó)內(nèi)外利用遙感監(jiān)測(cè)農(nóng)作物受災(zāi)信息的研究，得出結(jié)論為我國(guó)的FY-2、FY-3 和MODIS 等數(shù)據(jù)都能夠滿足使用遙感器進(jìn)行農(nóng)作物受災(zāi)損失的時(shí)間分辨率要求。與此同時(shí)，何燕等人使用MODIS 數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)地調(diào)查的方法，得出低溫是造成農(nóng)作物凍害的主要因素，使用遙感數(shù)據(jù)能夠開展農(nóng)作物凍害監(jiān)測(cè)研究工作，有利于提高氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)的準(zhǔn)時(shí)性。因此，為推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的快速提升，有必要將高分遙感技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來(lái)，加強(qiáng)對(duì)農(nóng)作物受災(zāi)信息的監(jiān)測(cè)研究[4]。

3.4 環(huán)境氣象方面

近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重，霧、霾以及沙塵暴等災(zāi)害性天氣的發(fā)生對(duì)人們的生活生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的負(fù)面影響，因此加強(qiáng)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)實(shí)意義重大。傳統(tǒng)的災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)手段和預(yù)報(bào)方法對(duì)霧、霾等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)效率和監(jiān)測(cè)質(zhì)量不高。將高分遙感技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來(lái)后，能夠有效提升對(duì)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

3.4.1 霧監(jiān)測(cè)

早在20 世紀(jì)70 年代，國(guó)外就已經(jīng)開始使用SMS-1氣象衛(wèi)星對(duì)大氣中的輻射霧的產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，如今我國(guó)已經(jīng)能夠使用遙感技術(shù)對(duì)輻射霧的產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。目前應(yīng)用最多的遙感數(shù)據(jù)源為MODIS 數(shù)據(jù)，使用該數(shù)據(jù)能夠很好監(jiān)測(cè)大氣輻射霧的產(chǎn)生過(guò)程，有利于國(guó)家環(huán)境部門采取有針對(duì)性的措施，對(duì)輻射霧進(jìn)行處理。例如，蔣璐璐利用FY-3A 衛(wèi)星的VIRR 數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)東部沿海地區(qū)的日間霧展開了監(jiān)測(cè)研究。監(jiān)測(cè)結(jié)果精確度高達(dá)70%，因此證明使用FY-3A 衛(wèi)星資料研究輻射霧的產(chǎn)生是可行的，具有較大的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)推廣價(jià)值。為提升輻射霧的監(jiān)測(cè)精確度，國(guó)家環(huán)境部門可將該技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來(lái)，同時(shí)呼吁全社會(huì)保護(hù)環(huán)境。

3.4.2 霾監(jiān)測(cè)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得汽車數(shù)量越來(lái)越多，汽車數(shù)量增多后排出的尾氣越來(lái)越多，造成我國(guó)的霾污染越來(lái)越嚴(yán)重。2001 年以后，我國(guó)的霾污染越來(lái)越嚴(yán)重，最近幾年霾污染甚至成為了學(xué)術(shù)界討論的熱門話題。在這個(gè)背景下，為降低霾污染對(duì)人們生活造成的影響，國(guó)家相關(guān)部門有必要使用高分遙感技術(shù)對(duì)霾污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。前幾年，姜杰等人對(duì)霾的遙感監(jiān)測(cè)原理和當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的高分遙感技術(shù)進(jìn)行了介紹，認(rèn)為衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)大尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的污染物的時(shí)空分布特征和變化趨勢(shì)，因此使用衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠有效監(jiān)測(cè)霾污染的具體情況，國(guó)家可使用衛(wèi)星遙感技術(shù)加強(qiáng)對(duì)霾污染的監(jiān)測(cè)研究，采取具體措施有效降低霾污染對(duì)社會(huì)環(huán)境造成的影響。

4 結(jié)論

總而言之，高分遙感技術(shù)在氣象監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用意義重大。隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及社會(huì)生活水平的不斷提升，人們對(duì)高分高頻率遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求越來(lái)越高。如今環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重，國(guó)家也加大了對(duì)高分遙感技術(shù)的應(yīng)用。將該技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來(lái)后，能夠有效提升氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而方便國(guó)家相關(guān)部門采取具體措施解決環(huán)境問(wèn)題。