菏澤市極軌衛(wèi)星遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用分析

范文鋒　程萌　李巖

摘要 基于山東省極軌氣象衛(wèi)星遙感資料接收處理系統(tǒng)接收的極軌衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用中國氣象局國家衛(wèi)星中心的衛(wèi)星監(jiān)測分析與遙感應(yīng)用系統(tǒng)（SMART），對極軌衛(wèi)星遙感監(jiān)測菏澤市植被、火情、干旱產(chǎn)品的制作過程進(jìn)行詳細(xì)說明，并對SMART菏澤本地化的結(jié)果進(jìn)行展示，最后提出菏澤市極軌衛(wèi)星遙感監(jiān)測產(chǎn)品在服務(wù)過程中存在的問題和未來改進(jìn)的方向。

關(guān)鍵詞 極軌衛(wèi)星；遙感監(jiān)測產(chǎn)品；SMART；山東菏澤

中圖分類號 TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）21-0242-02

遙感監(jiān)測作為傳統(tǒng)氣象監(jiān)測手段的補(bǔ)充，在天氣預(yù)報(bào)預(yù)警、重大自然災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境監(jiān)測、氣象及環(huán)境監(jiān)測中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，為我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)發(fā)揮了重要作用，也為區(qū)域乃至全球許多國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)[1]。山東省氣象局早在1990年就建成了極軌氣象衛(wèi)星遙感資料接收處理系統(tǒng)[2]，經(jīng)過多年的研究和應(yīng)用開發(fā)，目前監(jiān)測與服務(wù)項(xiàng)目涵蓋農(nóng)田、生態(tài)環(huán)境、海洋環(huán)境等多方面，并取得大量研究成果。信志紅等[3]基于MODIS數(shù)據(jù)，對黃河口植被覆蓋變化與氣候因子相關(guān)性進(jìn)行分析；李 峰等[4]利用風(fēng)云FY-3A衛(wèi)星，對山東2010—2011年秋冬季的干旱狀況進(jìn)行分析。樊景豪等[5]利用MODID衛(wèi)星遙感資料對2013—2014年菏澤市冬小麥增產(chǎn)的農(nóng)業(yè)氣象條件進(jìn)行分析。菏澤是農(nóng)業(yè)和林業(yè)大市，其冬小麥產(chǎn)量和林木蓄積量占全省的1/6左右。遙感是實(shí)現(xiàn)林田信息快速獲取的重要手段，利用遙感資料監(jiān)測冬小麥和林木的長勢和受害情況，對冬小麥和林木長勢的動態(tài)監(jiān)測和災(zāi)害評估和救助具有重要的意義。2014年隨著SMART系統(tǒng)在市級應(yīng)用推廣，菏澤市開始利用極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作多種遙感監(jiān)測產(chǎn)品，這些遙感監(jiān)測產(chǎn)品也成為菏澤市城市氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分。

1 監(jiān)測產(chǎn)品的制作

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

山東省極軌衛(wèi)星遙感接收系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)為1 km、500 m、250 m分辨率的hdf格式1級（1B）數(shù)據(jù)，需要對其進(jìn)行輻射校正和幾何校正，最終得到可直接應(yīng)用于SMART監(jiān)測系統(tǒng)的ld3、ldf數(shù)據(jù)格式。

數(shù)據(jù)預(yù)處理可以利用SMART監(jiān)測系統(tǒng)中拼接投影部分實(shí)現(xiàn)。在SMART監(jiān)測系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)定義分幅設(shè)置，對菏澤區(qū)域范圍進(jìn)行設(shè)置，利用拼接投影模塊，選定投影范圍和投影波段后進(jìn)行投影。由于菏澤市面積范圍較小，投影分辨率在遙感數(shù)據(jù)支持的情況下最好選擇250 m分辨率，如果使用1 km分辨率遙感數(shù)據(jù)，最后生成監(jiān)測產(chǎn)品會因分辨率不足而產(chǎn)生“馬賽克”。在拼接投影完成之后，還要進(jìn)行幾何校正，在SMART監(jiān)測系統(tǒng)中點(diǎn)擊幾何校正模塊可實(shí)現(xiàn)。

預(yù)處理完成的數(shù)據(jù)為ld3、ldf格式，二者數(shù)據(jù)格式類似，不同處僅為頭記錄字節(jié)數(shù)，ld3格式頭記錄為4 096個(gè)字節(jié)，ldf數(shù)據(jù)頭記錄為128個(gè)字節(jié)[6]。現(xiàn)以ld3數(shù)據(jù)格式為例進(jìn)行介紹。ld3數(shù)據(jù)包括2個(gè)文件，即數(shù)據(jù)說明文件*.hdr和數(shù)據(jù)文件*.ld3。其中數(shù)據(jù)文件由頭記錄和數(shù)據(jù)組成，存儲順序?yàn)椋侯^記錄為4 096個(gè)字節(jié)，第1個(gè)通道的數(shù)據(jù)（圖像高度×圖像寬度×2），…，第n個(gè)通道的數(shù)據(jù)（圖像高度×圖像寬度×2）。其中每一個(gè)通道的數(shù)據(jù)按行排列。

1.2 植被遙感產(chǎn)品制作

在植被指數(shù)中，通常選用對綠色植物（葉綠素引起的）強(qiáng)吸收的可見光波段（0.6～0.7 μm）及對綠色植物（葉內(nèi)組織引起的）高反射和高投射的近紅外波段（0.7～1.1 μm），這2個(gè)波段對統(tǒng)一生物物理現(xiàn)象的光譜相應(yīng)截然相反，因而可以對其使用比值、差分、線性組合燈多種組合來增強(qiáng)或揭示隱含的植被信息[7]。目前，業(yè)務(wù)上面最常用的植被指數(shù)為NDVI植被指數(shù)，其計(jì)算公式如下：

NDVI=■（1）

針對NDVI植被指數(shù)的計(jì)算，MODIS衛(wèi)星主要采用1、2通道數(shù)據(jù)，F(xiàn)Y-3B MERSI 衛(wèi)星主要采用3、4 通道數(shù)據(jù)。NDVI植被指數(shù)計(jì)算可在SMART監(jiān)測系統(tǒng)氣候監(jiān)測分析板塊植被監(jiān)測專題里面實(shí)現(xiàn)，植被指數(shù)完成之后在SMART的工作空間里面生成NDVI柵格數(shù)據(jù)文件。利用該柵格數(shù)據(jù)文件，在產(chǎn)品專題圖模塊里即可生成NDVI植被指數(shù)遙感監(jiān)測專題圖。值得注意的是，計(jì)算NDVI植被指數(shù)的時(shí)候，考慮到云等的影響，最好使用多天的NDVI指數(shù)最大值合成的數(shù)據(jù)，該項(xiàng)在數(shù)據(jù)合成模塊可以實(shí)現(xiàn)。

1.3 火情遙感產(chǎn)品制作

菏澤是林業(yè)大市，是全國4個(gè)平原綠化達(dá)標(biāo)市之一和全國平原綠化先進(jìn)單位。全市林業(yè)用地面積254 669 hm2，森林面積236 409 hm2，活立木總蓄積26 539 161 m3，占山東省的1/6左右，林業(yè)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到748億元。每年9月在菏澤市舉辦的中國林產(chǎn)品交易會，也是我國唯一經(jīng)國家林業(yè)局正式批準(zhǔn)的具有行業(yè)代表意義的交易會。森林火災(zāi)不只是燒毀成片的森林造成經(jīng)濟(jì)損失，而且還降低森林的更新能力破壞生態(tài)環(huán)境，引起土壤貧瘠，破壞森林涵養(yǎng)水源的能力，甚而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境失去平衡。因此，各級政府部門和林業(yè)部門高度重視森林防火和森林火災(zāi)的監(jiān)測。運(yùn)用衛(wèi)星監(jiān)測林火的手段是森林火災(zāi)監(jiān)測的重要方法之一。當(dāng)前極軌衛(wèi)星監(jiān)測菏澤火情主要使用FY-3B VIRR（可見光紅衛(wèi)掃描輻射計(jì)）的衛(wèi)星遙感資料，其3、4、5通道的波長范圍分別為3.55～3.95、10.30～11.30、11.50～12.50 μm。根據(jù)普朗克黑體輻射公式，計(jì)算不同溫度黑體分譜輻射率與波長的關(guān)系，可知地表常溫輻射峰值波長在通道4及通道5波長范圍，當(dāng)溫度升高時(shí)，輻射波峰波長將向左移動，尤其高于500 K后，迅速靠近通道3波長范圍[8]。因此，F(xiàn)Y-3B VIRR第3通道，即中紅外通道為其特色通道，在日常業(yè)務(wù)中選擇VIRR第3、2、1通道數(shù)據(jù)對火情進(jìn)行監(jiān)測。

火情監(jiān)測主要基于SMART監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測分析板塊火情監(jiān)測專題實(shí)現(xiàn)。火情監(jiān)測專題有自動判識和交互判識等模塊，其中交互判識模塊還有日粗判等選項(xiàng)，利用以上模塊可進(jìn)行菏澤市遙感火情判識并制作遙感火情監(jiān)測圖。值得注意的是，利用SMART進(jìn)行火情遙感監(jiān)測判識，因?yàn)榛鹎榕凶R選項(xiàng)復(fù)雜進(jìn)程緩慢，出現(xiàn)判識結(jié)果經(jīng)實(shí)際操作驗(yàn)證至少要等待5 min以上，經(jīng)常會因此誤認(rèn)為SMART進(jìn)程出現(xiàn)問題，此時(shí)打開Windows任務(wù)管理器，查看進(jìn)程CPU使用率即可知SMART火情判識進(jìn)程是否結(jié)束。endprint

1.4 干旱遙感產(chǎn)品制作

菏澤市屬暖溫帶季風(fēng)大陸性氣候，四季分明，光熱資源豐富。降水多發(fā)生在夏季，水熱同季，適合大多數(shù)作物的生長。同時(shí)，菏澤市也是氣象災(zāi)害天氣的多發(fā)地區(qū)。旱澇是主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，尤其是干旱發(fā)生頻繁且影響范圍大，危害最為嚴(yán)重。利用遙感手段對干旱進(jìn)行監(jiān)測，具有大范圍、宏觀、動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，以便于有關(guān)部門采取預(yù)防措施從而減輕損失。

由于水體對紅光（0.62～0.72 μm）和近紅外（0.76～3.00 μm）波段吸收極強(qiáng)，土壤含水量越多（濕地表）反射率越低，土壤含水量越少（干地表）反射率越高，所以可以利用垂直干旱指數(shù)和改進(jìn)型垂直干旱指數(shù)對干旱進(jìn)行監(jiān)測。垂直干旱指數(shù)（PDI）是利用NIR-Red三角形特征空間中任意一點(diǎn)E（Rred，Rnir）到L的距離EF作為表征區(qū)域干旱狀況。PDI模型主要針對低植被覆蓋時(shí)土壤水分的遙感監(jiān)測，地表覆蓋類型差異較大的區(qū)域之間，不具有可比性。針對其局限性提出改進(jìn)型垂直干旱指數(shù)（MPDI）。PDI主要是應(yīng)用于低植被覆蓋情況下遙感干旱監(jiān)測，MPDI主要是應(yīng)用于高植被覆蓋下遙感干旱監(jiān)測。遙感干旱監(jiān)測可以在SMART監(jiān)測系統(tǒng)氣候監(jiān)測分析板塊干旱監(jiān)測專題里面實(shí)現(xiàn)。

2 SMART本地化

SMART監(jiān)測平臺主要是以國家為層面而開發(fā)，在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)將其應(yīng)用到地市級別的時(shí)候會出現(xiàn)“水土不服”的情況。目前發(fā)現(xiàn)的問題主要集中在以下2個(gè)方面：一是基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)過于陳舊，尚未根據(jù)新的行政區(qū)劃和行政邊界進(jìn)行調(diào)整和改變；二是專題制圖里面的大部分專題圖模板對地市級不適用，每次制圖均需逐一修改，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。針對這2個(gè)方面的問題，在使用過程中主要進(jìn)行了以下本地化工作。

2.1 矢量數(shù)據(jù)本地化

SMART安裝軟件里面提供的基礎(chǔ)行政區(qū)域數(shù)據(jù)文件，在應(yīng)用于菏澤本地的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，其標(biāo)注的地理信息名稱和菏澤市其他業(yè)務(wù)產(chǎn)品所標(biāo)注的地理信息名稱不同，例如SMART基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：市級行政區(qū)域_面.shp文件中存在“菏澤市市轄區(qū)”這個(gè)名稱，而目前其他業(yè)務(wù)產(chǎn)品中僅將其標(biāo)注為“菏澤”，需要對其修改。

修改shp文件地理信息名稱主要是利用ArcGIS進(jìn)行。打開ArcCatalog連接到所需要修改的shp文件，然后打開ArcMap，將shp文件拖動到ArcMap中，點(diǎn)擊編輯器，對shp文件屬性里面的地理信息名稱進(jìn)行編輯。

2.2 制圖模板本地化

SMART可以提供豐富的制圖模板，但具體使用還是要對其進(jìn)行修改，才能滿足本地化的需求。菏澤自定義模板修改主要集中在矢量層、圖例等內(nèi)容。首先是矢量層，包括中國邊界、縣級行政區(qū)劃、市級行政區(qū)劃、湖泊、河流信息等。SMART可以提供基礎(chǔ)矢量圖層，但是為滿足本地化的需求，還需要添加一些本地的矢量信息，而這部分矢量信息的制作和加載是模板本地化的關(guān)鍵。此外，還需要對圖例中的圖標(biāo)、制作單位、矢量圖例等內(nèi)容進(jìn)行修改。對模板修改完成之后點(diǎn)擊專題圖模板點(diǎn)擊“保存”“另存為”，新的制圖模板最好存放在LayoutTemplate文件夾下的自定義文件夾下面。值得注意的是加載自定義模板方式，要點(diǎn)擊加載自定義模板，再點(diǎn)擊專題圖數(shù)據(jù)文件，才能將自定義模板加載成功。

3 存在的問題及改進(jìn)措施

利用SMART系統(tǒng)生成的監(jiān)測產(chǎn)品在實(shí)際服務(wù)過程中還存在一定問題，并不能完全滿足服務(wù)需求，有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善，其中需要改進(jìn)的方面主要有以下幾點(diǎn)。

3.1 矢量圖層的完善

SMART安裝文件僅能提供基礎(chǔ)的矢量圖層，制作相關(guān)遙感監(jiān)測產(chǎn)品需要相應(yīng)的矢量圖層。比如說監(jiān)測農(nóng)田植被指數(shù)需要菏澤市耕地的矢量圖層；監(jiān)測森林火情需要菏澤市森林植被的矢量圖層；監(jiān)測冬小麥苗情需要冬小麥播種面積矢量圖層；監(jiān)測夏玉米長勢需要夏玉米播種面積矢量圖層。這些精專的矢量圖層是制作相關(guān)遙感監(jiān)測產(chǎn)品所必需的。

3.2 監(jiān)測產(chǎn)品的描述

極軌衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖制作出來之后，在服務(wù)過程中必須配一段文字對其進(jìn)行解釋和說明，如何對極軌衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖進(jìn)行恰當(dāng)?shù)慕忉尯驼f明，如何處理火情和干旱面積等敏感信息，還有待在實(shí)際工作中進(jìn)一步總結(jié)。

3.3 監(jiān)測模型參數(shù)和分級標(biāo)準(zhǔn)精讀的驗(yàn)證

為了確保遙感監(jiān)測平臺中自帶的監(jiān)測模型參數(shù)對菏澤市的適用性，還必須結(jié)合地面觀測數(shù)據(jù)等，開展精度驗(yàn)證和對比分析工作。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 宏觀，張文建.我國氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用發(fā)展與展望[J].氣象，2008，34（9）：1-9.

[2] 趙玉金，趙紅.山東省氣象衛(wèi)星遙感應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)[J].山東氣象，2003，23（1）：25-26.

[3] 信志紅，李剛，李峰. 基于MODIS數(shù)據(jù)的黃河口植被覆蓋變化與氣候因子相關(guān)性進(jìn)行分析[J].貴州氣象，2017，41（3）：24-29.

[4] 李峰，趙玉金，趙紅，等.FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)在山東省農(nóng)田干旱監(jiān)測中的應(yīng)用[J].干旱氣象，2014，32（1）：17-22.

[5] 樊景豪，張翠英，張斌.2013—2014年菏澤市冬小麥增產(chǎn)的農(nóng)業(yè)氣象條件分析[J].農(nóng)業(yè)科技通訊，2015（12）：179-185.

[6] 極軌衛(wèi)星遙感生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（RSAP）說明文檔[Z].北京：北京華云星地通科技有限公司，2007.

[7] 趙英時(shí).遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2013：368.

[8] 徐擁軍.基于FY3A/VIRR數(shù)據(jù)火情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2007：23.endprint