8卫星遥感在生态监测与农业中的应用

8卫星遥感在生态与农业气象中的应用8.1目的与意义卫星遥感集中了空间、电子、光学、计算机、通讯和地球科学等学科的最新成就，在地球系统科学、资源与环境科学以及农业、林业、地质、水文、城市与区域开发、海洋、气象、测绘等科学和国民经济的重大领域发挥着越来越大的作用。随着社会的发展，我国正面临着日益严重的环境与资源问题，这个问题将关系到国民经济的持续发展。因此，遥感技术已被列为国家90年代国民经济发展的35项关键技术之一。遥感技术在解决我国资源与环境问题、促进国民经济持续发展的作用是：(1)为制定国民经济发展计划提供资源与环境动态基础数据；(2)为国家重大的资源、环境突发性事件提供及时准确的监测评估数据，保证国家对这些重大问题作出正确、快速的反应；(3)生物量估测（包括农牧业产量、初级生产力估计）；(4)为国家的重要经济领域提供信息服务。自1961年美国第1颗气象卫星问世以来，已有4800多颗各类卫星被送入轨道。按运行轨道区分为低轨道卫星、中高轨道卫星、地球同步卫星、地球静止卫星、太阳同步卫星、大椭圆轨道卫星和极轨道卫星。按用途一般分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。其中，应用卫星直接为国民经济和军事服务的卫星，按用途可细分为通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、截击卫星和多用途卫星等。在应用卫星中，对地观测卫星有气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星。这些卫星可以直接服务于气象、农林、地质、水利、测绘、海洋、环境污染和军事侦察等方面。它们许多采用太阳同步轨道（如中巴一号资源卫星、风云1系列卫星），也有使用静止轨道（如风云2系列卫星）和其他轨道。接收、处理卫星遥感信息，实时制作各类应用服务产品，向政府和有关部门提供服务。学习国内外卫星遥感应用的先进技术，研究解决监测应用中的有关技术问题，将卫星遥感技术应用在广东省自然资源监测和农业生产服务中，对于研究生态和农业，扩展对它的认识，明确自然界与人类的相互影响，了解我们赖以生存的自然环境。不断提高卫星遥感应用服务水平，提供更准确的信息及提供对未来气候变化和指导农业生产有着重要的意义。8.2极轨卫星遥感应用现状及发展趋势8.2.1应用现状1960年以来，美国、俄罗斯/前苏联、欧空局、日本、印度和中国相继发展了自己的气象卫星，在20世纪70年代后期形成了由极轨气象卫星、静止气象卫星组成的全球业务监测网和由大型计算机构成的地面资料接收处理系统，从而使气象卫星进入业务应用阶段。80年代，陆地卫星的上天，遥感研究及应用技术进入发展高潮。遥感理论的深入研究促进了遥感应用技术的实践和应用，为遥感技术的进一步发展准备了足够的技术诸备。90年代以来，随着遥感传感器、小卫星技术的发展，人类生存环境的恶化以及全球一体化的需求，遥感技术再次得到高速发展。美国是最早研制和发射气象卫星的国家。美国业务应用极轨气象卫星至今已发展到第四代，共70多颗。最新一代的卫星是1998年发射成功的“诺阿”15卫星，它装有“先进甚高分辨率辐射计”和由“先进的微波探测器”及“高分辨率红外辐射探测器”3分光计组成的业务虫之探测器等遥感仪器，同时有两颗星在轨运行，一颗是上午星，一颗是下午星，每天可对全球进行四次探测，经过存储回放获取全球资料。1999年12月18日，美国成功地发射了地球观测系统（EOS）的第一颗先进的极地轨道环境遥感卫星Terra（EOS-AM1），这颗卫星是美国国家宇航局地球星星使命计划中总数15颗卫星的第一颗，目前，已经有2个星（另一个颗AQUA）每天在下传全球资料。俄罗斯/前苏联的“流星”极轨气象卫星系列从1966年开始发射，至今发展了三代，发射了50多颗卫星。“流星”3是第三代业务气象卫星，星上配置的探测仪器有电视摄像机、红外辐射计、地球辐射收支仪、紫外探测器等我国的风云系列气象卫星分为静止卫星和极轨卫星两类，FY-奇数为极轨卫星、偶数为静止卫星。从1988年9月7日成功发射的第一个颗风云一号气象卫星以来，我国共发射了4颗极轨气象卫星。目前稳定运行的极轨气象卫星是FY-1C、FY-1D两颗。在临近天气预报、水灾、火灾、积雪灾害、强对流云体识别、农业应用等方面发挥了显著的作用。极轨气象卫星主要为中长期的天气预报和中长期的气候监测和环境监测服务。中国是继美国和俄罗斯(苏联)之后第三个具有自行研制和运行地球同步轨道和极轨卫星这两种气象卫星的国家。迄今为止，欧洲尚没有发射过极轨气象卫星，日本也没有这方面的计划。美国与风云3号属同一水平的NPOESS极轨卫星，预计将在2008年发射。欧洲研制的同一水平的“METOP”极轨卫星计划将在2006年发射，与中国风云3号01星的发射时间较为接近。风云3号极轨卫星的设计工作寿命初定为3年，力争能提高到5年。由于它是全新的型号，所以风云3号01星仍为试验星。风云3号与风云1号相比，遥感仪器大大多于风云1号。它的对地观测最高几何分辨率为250米，而目前使用的FY-1D对地观测分辨率为1.1千米。因此，其观测精度提高了4倍，而发送回地面的观测信息量则提高了16倍。1997年6月，我国成功地发射了FY-2A、2B两颗卫星。2004年10月19日FY-2C业务气象卫星发射成功，并投入业务运行。可对台风、降水、森林和草原火灾、海温、干旱、雾、雪等进行监测。卫星遥感在广东省的应用范围已经涉及到作物、植物生长状况、病虫害、鱼汛、海雾、城市热岛、森林火灾、洪涝灾害、寒冷灾害、海温、干旱、地震的预测等方面的应用。所用卫星资料主要为NOVAA、MODIS、FY-1C/D、FY-2C等卫星资料，关于卫星遥感在气象中的应用参见《广东省天气预报技术手册》，本手册主要阐述卫星遥感在生态环境与农业生产中的应用。8.2.2发展趋势由于高光谱数据能以足够的光谱分辨率区分出那些具有诊断性光谱特征的地表物质，这是传统宽波段遥感数据所不能探测的，使得成像光谱仪的波谱分辨率得到不断提高。除了常规遥感技术迅猛发展外，开拓性的成像光谱仪的研制已在80年代开始，并逐渐形成了高光谱分辨率的新遥感时代。从20世纪80年代初研制的第一代成像光谱仪——航空成像光谱仪（AIS）的32个连续波段，到第二代高光谱成像仪——航空可见光/红外光成像光谱仪（AVIRIS），AVIRIS是首次测量全部太阳辐射覆盖的波长范围（0.4~2.5μm）的成像光谱仪。低空间高时相频率的AVHRR（气象卫星NOAA系统系列，星下点分辨率为1.1km）以及EOS系列多光谱传感器亦相继投入运行，形成现代遥感技术高速发展的盛期。美国宇航局于1999年底发射了地球观测系统（EOS）的第一颗极地轨道环境遥感卫星Terra。星上搭载了中等分辨率成像光谱仪（MODIS）。MODIS用于观测全球生物和物理过程的仪器，每天可完成一次全球观测。MODIS提供0.4~2.5μm之间的36个离散波段的图像，星下点空间分辨率可为250m、500m、1km。MODIS每两天可连续提供地球上任何地方的白天反射图像和白天/昼夜的发射光谱图像。目前广州地面卫星站每天接受TERRA、AQUA两颗卫星下发的数据。在卫星遥感应用方面，空间技术、信息技术和计算机技术的发展，推动了遥感技术的进步。遥感影像的空间分辩力和光谱分辩力的明显提高，扩展了它的应用领域；计算机运算速度和容量成数量级的增加、数据库技术和网络技术的发展和人工智能的应用为分析处理大数据量的遥感和地理数据创造了条件。所有这些都为遥感信息系统的实用化奠定了技术基础。数学模型作为联系遥感、地理信息系统与实际应用之间的纽带，处于十分重要的位置，发挥了极为重要的作用。遥感、地理信息系统技术和全球定位（3S）的结合应用为地球科学提供了全新的研究手段，导致了地球科学的研究范围、内容、性质和方法的巨大变化。和传统的对地观测手段相比，它的优势表现在：提供了全球或大区域精确定位的高频度宏观影像，从而揭示了岩石圈、水圈、气圈和生物圈的相互作用和相互关系，促进了地球系统科学的诞生；扩大了人的视野，从可见光发展到红外、微波等波谱范围，加深了人类对地球的了解；在遥感与地理信息系统基础上建立的数学模型为定量化分析奠定了基础；同时，还实现了空间和时间的转移：空间上野外部分工作转移到实验室；时间上从过去、现在的研究发展到在三维空间上定量地预测未来。与地理信息系统和全球定位系统相结合应用是遥感应用发展的技术特征和技术优势。遥感技术在地质矿产和水资源的勘探，森林，草场资源调查与评价，海洋渔场调查，城市的规划，气象，海洋预报等领域均发挥着重要作用。遥感技术与地理信息系统、全球定位系统相结合综合应用发展趋势主要体现在以下几个方面。综合对地观测系统的建立、遥感、全球定位系统和地理信息系统的一体化、高速大容量遥感数据处理系统建设。当前，急待解决遥感地面应用系统建设较卫星研制和发射投入薄弱、时间滞后的问题。8.3广东省卫星遥感应用存在的技术问题基于遥感应用工作者自己开发的专家系统已在遥感图像识别实验中得到应用，但远远没有达到实用阶段，形成业务系统的则更少。当前一些遥感应用科学工作者开发了一批专家系统软件，但还很不成熟。计算机研究人员已开发了一批专家系统开发工具，从理论完整性和实用性以及人力的投入上都远远超过了应用工作者开发的专家系统。因此，对于遥感和地理信息系统应用科学家来说，正确的途径不是自己独立开发专家系统，而是从众多的已开发的专家系统开发工具中选取适合于生态与农业气象应用的模式，在认真科学地总结专家知识的基础上建立知识库在开发出适合于广东省生态与农业气象实际工作的遥感技术专家系统是我们研究和应用专家系统的正确方向。8.4卫星遥感在生态与农业气象中的应用8.4.1陆地生态与农业气象利用卫星遥感进行生态与农气象监测主要涉及以下几个领域：土地利用状况、地表水资源变化监测与评价、重大自然灾害综合监测和评价、植被覆盖变化、土壤退化、地表温度、作物生长趋势、生物量变化。在基于上述环境变化监测与评估基础上，建立信息库。陆地生态与农业气象卫星遥感应用监测对象包括：气溶胶、植物、土地、水、灾害等几个方面。每个监测项目中都包括不同的监测产品（表8.1）。表8.1卫星遥感在农业中的应用监测项目监测项目植被监测土地监测水体监测灾害监测1植被覆盖度土地利用水质分类干旱2叶面积指数地物覆盖初级生产力寒害3植被长势土壤侵蚀水体面积高温热害4森林面积火灾5洪涝6风灾7病虫害8.4.1.1植被监测通过卫星传感器记录值，计算出能反映植被生长状况的数字或图像产品。在农业气象生态中反映植被生长的植被监测产品主要有以下几种8.4.1.1.1植被覆盖度基本原理：植被覆盖度指植被冠层的垂直投影面积（长度）占对应土地面积（长度）的百分比，即植土比。覆盖度是评估地面植被生长状况、生态环境好坏的一个重要参数。f=(NDVI－NDVImin)/(NDVImax－NDVImin)式中，f为覆盖度；NDVI为所求像元的植被指数；NDVImin、NDVImax分别为区域内NDVI的最小、最大值。8.4.1.1.2叶面积指数单位土地面积上植物绿色面积与土地面积的比值。动态监测叶面积指数，是研究环境气象因子、土壤因子对植株生长影响的基础。LAI={ln[(1－NDVI/A)/B]}/C式中，A、B、C均为经验系数。A、B通常接近于1，对于小麦，叶角为球形分布，C通常为0.5。其中，A值是由植物本身的光谱反射确定；B值与叶倾角、观测角有关；C值取决于叶子对辐射的衰减，这种衰减呈非线性的指数函数变化。8.4.1.1.3植被长势植被长势是一个综合性定量概念，反映植物的生长状况，它包括植被、盖度、高度、季相、植株含水量和干物质数量。植被长势是预测预报植物生物量的重要依据。主要采用卫星遥感方法有如下两种。①比值植被指数（RVI）基本原理：由于可见光红波段（R）与近红外波段（NIR）对绿色植物的光谱响应十分不同，因此两者简单的数值比——比值植被指数（RVI）能充分表达两反射率之间的差异。比值植被指数可提供植被反射的重要信息，是植被长势、丰度的度量方法之一。比值植被指数与叶面积指数、叶干生物量、叶绿素含量相关性高，被广泛用于