衛(wèi)星遙感技術(shù)在氣象災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用實(shí)踐

徐立強(qiáng)

（內(nèi)蒙古自治區(qū)寧城縣氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰024200）

氣象災(zāi)害是由各種天氣原因引起的事故或?yàn)?zāi)難。由于氣象災(zāi)害頻發(fā)，給日常生活帶來(lái)諸多影響。隨著科技進(jìn)步發(fā)展，氣象災(zāi)害調(diào)查越來(lái)越先進(jìn)，各種監(jiān)控及預(yù)防手段降低了氣象災(zāi)害的影響。在氣象災(zāi)害調(diào)查中，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有重要作用，提升衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用水平及應(yīng)用效率，對(duì)于促進(jìn)氣象災(zāi)害工作的合理實(shí)施與發(fā)展具有重要意義。

1 衛(wèi)星遙感技術(shù)簡(jiǎn)介

衛(wèi)星遙感技術(shù)作為一門科學(xué)技術(shù)具有綜合性，集合了電子、光學(xué)、地學(xué)、計(jì)算機(jī)通信和空間等學(xué)科特點(diǎn)。衛(wèi)星遙感的平臺(tái)是人造衛(wèi)星，衛(wèi)星遙感技術(shù)在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展，使對(duì)地觀測(cè)進(jìn)入了全方位、全天候、多角度、多層、立體的新時(shí)代。全球?qū)Φ赜^測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)形成了各種軌道相結(jié)合、各種衛(wèi)星相協(xié)調(diào)、各種分辨率彌補(bǔ)的綜合系統(tǒng)。

20 世紀(jì)70 年代末，中國(guó)的衛(wèi)星遙感技術(shù)起步，目前發(fā)射的衛(wèi)星主要有高分系列陸地衛(wèi)星、風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星、海洋系列海洋衛(wèi)星；多個(gè)國(guó)家級(jí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收和服務(wù)系統(tǒng)先后建立，為國(guó)家其他各方面的研究提供了多方面的大量的科學(xué)信息支持[1]。

衛(wèi)星遙感技術(shù)主要是通過(guò)遙感儀器接收物體反射的光譜或電磁波信號(hào)，識(shí)別地面物體。物體反射光譜由于物體的物理和化學(xué)特性、入射光波長(zhǎng)的不同而存在差異。目標(biāo)物電磁波是遙感探測(cè)獲取信息的依據(jù)。通過(guò)衛(wèi)星遙感平臺(tái)可以收集并記錄地面物體的電磁波特征，再通過(guò)光學(xué)儀器設(shè)備及計(jì)算機(jī)設(shè)備，對(duì)原始遙感信號(hào)進(jìn)行誤差消除，通過(guò)歸納整理，對(duì)信息進(jìn)行提取。最后，對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取的信息進(jìn)行應(yīng)用，為人們查詢、統(tǒng)計(jì)、分析目標(biāo)物信息提供方便。

遙感是一種遠(yuǎn)距離、非接觸的目標(biāo)探測(cè)方法。遙感技術(shù)能夠通過(guò)云圖進(jìn)行宏觀、直觀的展示，且獲取資料周期短、速度快，對(duì)目標(biāo)的時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)變化提供了持續(xù)變化的數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星遙感技術(shù)高效益、低成本的特點(diǎn)，使其在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在氣象災(zāi)害調(diào)查方面也開(kāi)始運(yùn)用衛(wèi)星遙感技術(shù)。氣象遙感技術(shù)是通過(guò)人造地球衛(wèi)星上配備的多種設(shè)備，來(lái)監(jiān)測(cè)天氣與氣候物理參數(shù)，例如大氣的溫濕度、風(fēng)速與風(fēng)向、云彩的運(yùn)動(dòng)變化等。

中國(guó)地域遼闊、氣候復(fù)雜，受到復(fù)雜地形與多變氣候的影響，氣象災(zāi)害頻發(fā)，而衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)反映氣候變化，降低了氣象災(zāi)害對(duì)人們生活生產(chǎn)的影響。

2 氣象災(zāi)害調(diào)查的主要內(nèi)容

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，氣象災(zāi)害調(diào)查是指通過(guò)科技及人工方式，對(duì)天氣、氣候?yàn)?zāi)害和次生衍生災(zāi)害的成因、過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行定量或定性分析，加強(qiáng)對(duì)氣象災(zāi)害的認(rèn)識(shí)評(píng)估與區(qū)劃，達(dá)到對(duì)氣象災(zāi)害預(yù)防、控制的目的，也可為災(zāi)后恢復(fù)提供方法與建議。

氣象災(zāi)害調(diào)查一般分為4 個(gè)階段：①災(zāi)前預(yù)測(cè)。包括時(shí)間、地點(diǎn)、影響、規(guī)模等。②災(zāi)害監(jiān)控。了解災(zāi)害的實(shí)時(shí)情況，掌握變化趨勢(shì)和特點(diǎn)。③災(zāi)害處理。對(duì)災(zāi)害造成的破壞采取及時(shí)有效的處理手段。④災(zāi)后重建。關(guān)注人們的健康狀況、社會(huì)穩(wěn)定狀況、經(jīng)濟(jì)恢復(fù)狀況等。衛(wèi)星遙感技術(shù)由于其反饋速度快、監(jiān)控范圍廣，而被廣泛應(yīng)用于氣象災(zāi)害調(diào)查中[2]。

衛(wèi)星遙感技術(shù)被廣泛運(yùn)用于氣象監(jiān)測(cè)中，例如監(jiān)測(cè)荒漠化、城市化、土地利用，監(jiān)測(cè)評(píng)估農(nóng)作物、森林等可再生資源，環(huán)境監(jiān)測(cè)以及災(zāi)害監(jiān)測(cè)等，在氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)中同樣被廣泛應(yīng)用。

3 氣象災(zāi)害調(diào)查衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用于天氣與氣候監(jiān)測(cè)

衛(wèi)星遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于氣象災(zāi)害調(diào)查中的天氣與氣候監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星上配備光線識(shí)別設(shè)備，能夠?qū)Υ箨?、海水、冰雪等形成不同顏色的監(jiān)測(cè)云圖，例如海水是黑色的，大陸是灰色的，冰雪是白色的。紅外線設(shè)備還能反映空氣中溫度與溫度的變化，通過(guò)云圖反映的宏觀情況，能夠畫出大氣中的水量分布圖，同時(shí)描繪出降雨分布圖。例如，高光譜觀測(cè)衛(wèi)星能夠?qū)Υ髿馕廴緺顩r進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為貫徹落實(shí)大氣污染防治攻堅(jiān)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)提供支撐。高光譜觀測(cè)衛(wèi)星通過(guò)對(duì)大氣成分的濃度和分布進(jìn)行量化反饋，對(duì)溫室氣體、顆粒物、氣態(tài)污染物進(jìn)行遙感定量化監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣污染的精細(xì)化遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

3.2 應(yīng)用于空氣污染監(jiān)測(cè)調(diào)查評(píng)估

在城市中由于空氣質(zhì)量降差，經(jīng)常會(huì)發(fā)生“霧霾”現(xiàn)象，導(dǎo)致交通事故發(fā)生，城市能見(jiàn)度降低，對(duì)人們的正常出行造成不利影響。而通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠?qū)Α办F霾”進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果空氣中發(fā)生“霧霾”，及時(shí)發(fā)生預(yù)警，讓人們提前做好防備，合理規(guī)劃出行方案，避免出現(xiàn)嚴(yán)重交通事故，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[3]。衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)于“霧霾”的監(jiān)測(cè)也是通過(guò)云圖直觀地展現(xiàn)出來(lái)，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)達(dá)到空氣質(zhì)量的監(jiān)控。例如，2012 年，中國(guó)130 萬(wàn)km2的面積受到了灰霾天的影響，之所以能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出灰霾天的影響范圍，得益于中國(guó)從2012-01-01 起，對(duì)70 多個(gè)地方通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)PM2.5，才能準(zhǔn)確公布了灰霾天的影響范圍。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)在每一平方千米都能收集到一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，是對(duì)地面監(jiān)測(cè)指標(biāo)的豐富與完善。

3.3 應(yīng)用于海洋結(jié)冰及河流的凌汛監(jiān)測(cè)調(diào)查評(píng)估

寒冷的冬季，海洋會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，而結(jié)冰的范圍與狀況會(huì)對(duì)海上經(jīng)濟(jì)造成影響，例如海上船舶的運(yùn)輸會(huì)因?yàn)榻Y(jié)冰而擱置，油田的采集也會(huì)因?yàn)榻Y(jié)冰而被迫暫停，船舶?？亢０毒€港口的計(jì)劃也會(huì)受到影響。因此，通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)加強(qiáng)對(duì)海洋結(jié)冰情況的監(jiān)控，對(duì)海上作業(yè)發(fā)出預(yù)警，避免危害的發(fā)生。由于冰與水的特征不同，對(duì)于可識(shí)別光及紅外光的光譜性質(zhì)不一樣。通過(guò)對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)數(shù)據(jù)的提取，分析哪些區(qū)域是冰、哪些區(qū)域是水，并對(duì)結(jié)冰的范圍進(jìn)行劃分，對(duì)結(jié)冰的程度進(jìn)行分析。衛(wèi)星遙感技術(shù)還被運(yùn)用于南北極考察中，為制定考察技術(shù)提供依據(jù)。

冬季河水下段結(jié)冰，上游河水受到冰壩的阻力影響，導(dǎo)致水位上升，如果不及時(shí)采取措施，將會(huì)造成河水決堤，導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)害事故。通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控河面的結(jié)冰情況，提前發(fā)出預(yù)警，提醒相關(guān)部分采取快速有效的措施，防止凌汛的發(fā)生。

3.4 應(yīng)用于干旱與沙塵暴的監(jiān)測(cè)調(diào)查評(píng)估

衛(wèi)星遙感技術(shù)還能夠監(jiān)控土地表面的水分，對(duì)地表植物的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這對(duì)于中國(guó)干旱與沙塵暴的治理非常有效。在中國(guó)西部，經(jīng)常發(fā)生風(fēng)沙、沙塵暴，給人們帶來(lái)了很多困擾。正常地面與沙塵對(duì)與紅外與可識(shí)別光的反光率不同，通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠有效識(shí)別沙塵暴，但是僅限于白天，晚上難以識(shí)別。炎熱的夏季，中國(guó)部分地區(qū)還會(huì)出現(xiàn)大范圍干旱，不僅對(duì)農(nóng)作物造成嚴(yán)重?fù)p害，同時(shí)還會(huì)引發(fā)自然火災(zāi)，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成危害。通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)干旱區(qū)域的溫度監(jiān)測(cè)，能夠促使相關(guān)部門及早采取措施，防止災(zāi)害發(fā)生。

3.5 應(yīng)用于火災(zāi)與臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測(cè)評(píng)估

火災(zāi)與臺(tái)風(fēng)是常見(jiàn)的氣象災(zāi)害?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，溫度會(huì)急劇升高，衛(wèi)星傳感器能夠探測(cè)到輻射熱量波長(zhǎng)的變化，形成云圖展示火災(zāi)的面積、火災(zāi)燃燒的程度等。而通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，臺(tái)風(fēng)的中心位置能夠通過(guò)云圖識(shí)別，從而預(yù)估臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度、變化趨勢(shì)等，降低臺(tái)風(fēng)對(duì)人們生產(chǎn)生活的影響，降低臺(tái)風(fēng)的破壞程度。

3.6 應(yīng)用于農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)

氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)主要運(yùn)用的是氣象衛(wèi)星，農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)、凍害及病蟲害都能通過(guò)氣象衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要運(yùn)用的原理是植物的光合作用與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量正相關(guān)，衛(wèi)星通過(guò)分析綠葉反射光譜的不同波段，捕捉作物生長(zhǎng)情況，對(duì)災(zāi)害產(chǎn)生的不良影響進(jìn)行分析。

氣象衛(wèi)星的高空間分辨率圖像數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確估計(jì)農(nóng)作物的災(zāi)害面積，估算出農(nóng)作物的收成。例如，1991 年江淮特大洪水，江蘇省氣象局農(nóng)業(yè)氣象中心運(yùn)用氣象衛(wèi)星資料，估算出受災(zāi)農(nóng)田面積，結(jié)合氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，合理分發(fā)救災(zāi)物資，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)救援。對(duì)于漁業(yè)資源，衛(wèi)星遙感技術(shù)也能發(fā)揮獨(dú)特作用。

4 衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用未來(lái)發(fā)展前景及發(fā)展舉措

4.1 發(fā)展前景

衛(wèi)星遙感技術(shù)在氣象災(zāi)害調(diào)查中已經(jīng)形成了多源遙感監(jiān)測(cè)模式，結(jié)合多種監(jiān)測(cè)方式，分析氣象災(zāi)害變化情況，預(yù)測(cè)氣象的特點(diǎn)。通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)，形成氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，預(yù)判氣象災(zāi)害是否會(huì)發(fā)生以及發(fā)生程度如何，從而盡早采取預(yù)防措施，促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展。未來(lái)，衛(wèi)星遙感技術(shù)將更加即時(shí)化、個(gè)性化、多樣化、網(wǎng)絡(luò)化。遙感衛(wèi)星平臺(tái)和載荷將會(huì)實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)、多角度、多傳感器；分辨率將會(huì)實(shí)現(xiàn)高空間、高光譜、高時(shí)間；在時(shí)間和空間上，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候和全球觀測(cè)。未來(lái)，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的處理將會(huì)更加智能化。信息網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)了遙感觀測(cè)的層次、角度、譜段、維度等，數(shù)據(jù)體量巨大、種類繁多、動(dòng)態(tài)多變，是具有高價(jià)值的大數(shù)據(jù)。以深度學(xué)習(xí)為代表的智能算法進(jìn)一步推進(jìn)了衛(wèi)星遙感技術(shù)的智能化發(fā)展。

風(fēng)云、高分系列衛(wèi)星等國(guó)之重器在氣象災(zāi)害調(diào)查中發(fā)揮了重要作用，但是在未來(lái)衛(wèi)星遙感更多的細(xì)分項(xiàng)需要商業(yè)衛(wèi)星公司。衛(wèi)星遙感能夠獲得海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取后需要進(jìn)行有效的分析、處理，需要專業(yè)用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，最終形成數(shù)據(jù)產(chǎn)品和應(yīng)用，從而為各項(xiàng)工作和生活提供服務(wù)。衛(wèi)星遙感獲得的數(shù)據(jù)就像食材，商業(yè)衛(wèi)星用戶將這些“食材”做成“菜”，才能體現(xiàn)“食材”的價(jià)值。商業(yè)衛(wèi)星公司在國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行細(xì)分項(xiàng)的應(yīng)用分析。但商業(yè)衛(wèi)星公司發(fā)展存在部分問(wèn)題，一是衛(wèi)星資源的獲取要依據(jù)衛(wèi)星所處的位置及地面資源；二是在與前端人員溝通的過(guò)程中，很難保證溝通的有效性，因?yàn)樯婕暗降膮^(qū)域、單位、人員較多，需要后續(xù)采取有效措施解決這些問(wèn)題。

4.2 發(fā)展舉措

加大對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)的創(chuàng)新投入，進(jìn)一步提高接收數(shù)據(jù)的及時(shí)性，提高數(shù)據(jù)的可靠性，通過(guò)政府更多的資金支持，提高氣象災(zāi)害調(diào)查水平。加強(qiáng)各研發(fā)部門之間的合作，共同開(kāi)發(fā)衛(wèi)星遙感技術(shù)。將衛(wèi)星遙感技術(shù)與無(wú)人機(jī)相結(jié)合，提高探測(cè)的全面性。自主創(chuàng)新仍然是關(guān)鍵，要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)遙感技術(shù)的彎道超車，自立自強(qiáng)、自主創(chuàng)新，將云計(jì)算、人工智能能新興技術(shù)融入到遙感技術(shù)中，通過(guò)原始創(chuàng)新開(kāi)創(chuàng)新的應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用模式，在整套技術(shù)體系上爭(zhēng)取能夠成為行業(yè)標(biāo)桿。加大對(duì)專業(yè)系統(tǒng)的建設(shè)，包括地面系統(tǒng)與網(wǎng)站系統(tǒng)，推動(dòng)衛(wèi)星遙感技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，提高氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高措施的有效性，降低損失。

加大遙感應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化、大眾化，推動(dòng)遙感產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的加速構(gòu)建，促進(jìn)遙感與應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用端的融合發(fā)展。構(gòu)建“開(kāi)放+共建+共享”的遙感云生態(tài)，促使功能體系完善、應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展，打破應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)壁壘，進(jìn)一步支持涵蓋極端天氣監(jiān)測(cè)分析在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域與行業(yè)的應(yīng)用。

加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)。加強(qiáng)與科研院所的人才合作，為人才提供發(fā)展平臺(tái)。在日常工作中，加強(qiáng)對(duì)工作人員的專業(yè)培訓(xùn)，提高衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用水平。大力組織技術(shù)培訓(xùn)，加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)理論、數(shù)據(jù)處理、云圖分析、遙感技術(shù)預(yù)服務(wù)、參數(shù)反饋等方面應(yīng)用的學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)技術(shù)人員自覺(jué)加強(qiáng)自我提升。各部門結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新需求，以科技創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，加強(qiáng)骨干人才的培養(yǎng)。通過(guò)多方面的資金籌措，設(shè)立青年基金專項(xiàng)課題等，激勵(lì)人才埋頭苦干實(shí)干。同時(shí)，要建立一支年輕的干部隊(duì)伍，通過(guò)掛職鍛煉、選拔培養(yǎng)等措施，提高年輕干部的綜合素養(yǎng)。建立科研導(dǎo)師制度，與衛(wèi)星遙感技術(shù)業(yè)內(nèi)頂尖院校合作，并制定相應(yīng)的政策配套，進(jìn)行人才定向培養(yǎng)。還可以加強(qiáng)與科研院所的人才交流。以業(yè)務(wù)服務(wù)為牽引，以資金投入、制度建設(shè)為2 個(gè)支撐點(diǎn)，將導(dǎo)師制與創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)相結(jié)合，形成體系完備、效果顯著的人才培養(yǎng)機(jī)制。

5 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)地域廣闊，氣象災(zāi)害較多，情況較復(fù)雜，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)氣象災(zāi)害開(kāi)展調(diào)查，有利于提高數(shù)據(jù)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)加強(qiáng)對(duì)氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)分析評(píng)估，可提前預(yù)防或降低減輕氣象災(zāi)害損失。例如，提前監(jiān)測(cè)“霧霾”的情況，提醒人們減少不必要的出行；及時(shí)發(fā)現(xiàn)海水結(jié)冰現(xiàn)象，通過(guò)船舶改變航向；提前預(yù)測(cè)干旱與沙塵暴，采取有效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，降低對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的損害等。借助衛(wèi)星遙感技術(shù)，構(gòu)建“天、空、地”一體化的氣象災(zāi)害調(diào)查體系，這是時(shí)代發(fā)展的必然要求，也是加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)抗災(zāi)能力的重要途徑。