風云衛星在積雪覆蓋監測方面的應用

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一、引言

積雪是冰凍圈中分布最廣泛、年際變化和季節變化最活躍的要素之一，影響著全球范圍內的地球表層輻射平衡、能量交換，以及整個氣候系統和生態系統[1-2]。在區域范圍內，積雪季節性和長時間的變化對農牧業、水資源、災害有著重要的意義，對人類活動和生態環境有著雙重影響[3-4]。積雪特性（積雪面積、積雪深度、反射率等）還是氣候模型、全球能量模型和水文模型的重要參數和算法發展的重要驗證數據。因此，研究積雪信息（積雪覆蓋范圍、雪深或雪水當量）在不同時空尺度上的分布特征有著非常重要的意義。

目前，我國已成功發射17顆風云（FY）系列氣象衛星，包括FY-1（4顆）和FY-3（4顆）兩個極軌系列，以及FY-2（8顆）和FY-4（1顆）兩個靜止系列。近年來，國家衛星氣象中心積雪業務監測應用服務以FY-3系列極軌衛星為主[5]，在衛星積雪覆蓋監測方面開展了大量研究、業務化以及數據庫建設工作，具備了對全國乃至全球積雪進行監測的能力，能為遙感應用服務提供穩定的積雪監測產品和服務資料。

隨著2017年FY-3D的成功發射，FY-3D將代替FY-3B開展下午時間的全球對地綜合觀測，并與FY-3C星形成上下午星組網觀測，實現6h全球覆蓋[6]。我國第二代地球靜止軌道定量遙感氣象衛星FY-4A及地面應用系統于2018年中正式投入數據服務。相比第一代靜止衛星FY-2系列，FY-4A搭載的載荷由2個增加為4個，其中的主載荷掃描輻射計擁有14個光譜通道，可用于獲取地球表面和云的多光譜、高精度、定量觀測數據和圖像[7]。相比FY-3系列極軌衛星，FY-4A對中國及周邊地區兩次區域掃描成像間隔最短只有4min17s，時間分辨率大幅提升，可以較好地捕捉云的動態信息，減少云對積雪監測的影響。極軌與靜止協同觀測，風云系列衛星可憑借其刈幅寬、時間分辨率高、光譜覆蓋完整等優勢，能夠客觀、準確、及時地反映大范圍積雪時空動態變化特征，對監測雪災的發生和發展、分析和評估雪災狀況、區域和全球氣候變化等研究和業務工作提供全面的數據支持。

二、遙感積雪覆蓋監測技術

光學遙感信息在積雪覆蓋提取中具有直觀、時空分辨率高的明顯優勢，而區分云和雪是光學遙感雪蓋判識的難點。雪蓋的判識方法可以分為二值化雪蓋判識算法和基于亞像元分解的積雪覆蓋度反演算法。二值化雪蓋判識算法包括監督分類、閾值法和雪蓋指數方法，基于云、積雪、植被、陸地、水體等不同地物在可見光和紅外波段的光譜反射特性，計算積雪指數（如歸一化雪蓋指數NDSI等），結合紅外波段亮溫區分積雪覆蓋區、云和無雪覆蓋區[8-11]。國家衛星氣象中心雪蓋監測以閾值法為主，常用可見光與近紅外通道反射率、中紅外與遠紅外通道亮溫作為積雪判識的主要依據，通用判識條件為：

其中，R為可見光通道的反射率值，Rth為該通道的判識閾值，積雪和云在可見光波段有較高的反射率可區別于其他暗色地物，如水體、裸地等；NDSI為利用1.6μm通道和可見光通道計算出的歸一化差分積雪指數，NDSIth為判識閾值，積雪的NDSI一般在0.3以上；T為紅外通道的亮溫，TthL為低閾值，TthH為高閾值，積雪在近紅外波段1.6μm附近反射率低而云的反射率依舊很高，結合積雪指數和遠紅外波段的亮溫信息可較好地區別高云、中低云和積雪。為了更好地解決云和下墊面對積雪監測的影響，國家衛星氣象中心雪蓋自動判識方法常常基于大量采樣和閾值法為基礎，結合雪蓋指數、考慮多種因子影響建立多重閾值法、動態空間閾值法等進行雪蓋提取[12]。積雪覆蓋度反演主要涵蓋的方法有混合像元分解法、人工神經網絡、經驗關系雪蓋指數法等，結合土地利用數據、高程信息、降水等數據得到雪蓋產品，在極軌衛星數據上應用廣泛[13-14]。

在全球多數區域，一顆極軌衛星每日僅可獲取晝夜兩次觀測數據，由于夜間數據很難使用，加上云對積雪判識的影響，難以完整準確地提供每日積雪覆蓋信息。針對積雪覆蓋產品受云影響比較嚴重的問題，有些學者基于積雪覆蓋在短期（兩三天）內變化不大、高海拔區域尤為穩定的假設，提出了多種去云方法，目前常用的去云技術包括時間濾波法、空間濾波法、多傳感器融合法和基于多源數據的去云方法等，并結合輔助信息去除云對積雪的影響，如地形信息、地面觀測數據、雪線數據等[15-16]。靜止衛星具有高時間分辨率、觀測范圍廣等優勢，可以提供每天同一地區多時相的觀測信息，有利于減小云對雪蓋信息的影響，并且可以通過多個時次數據合成而獲取更為準確的積雪覆蓋范圍[17-18]。

積雪覆蓋通常依賴光學儀器實現監測，在多云天氣環境下監測積雪范圍時常采用被動微波遙感。相對于光學遙感，被動微波遙感有全天時、全天候監測積雪的能力，但其空間分辨率相對較粗，被動微波信號對濕雪和淺雪不夠敏感，無法提供精度較高的雪蓋信息[19-21]。隨著遙感技術的發展，多波段、多平臺遙感系統為積雪監測提供了多源數據融合的可能，采用多源數據融合的方式，可以有效避免單一數據源的局限性，通過優勢互補提供更為精確的積雪覆蓋信息[22-26]。

三、風云系列衛星雪蓋監測產品及應用

1. FY-3氣象衛星雪災遙感監測產品及服務

國家衛星氣象中心對積雪覆蓋監測提供基于分類樹閾值判識法的全球積雪覆蓋自動判識產品，以及針對降雪事件利用FY-3系列衛星可見光—紅外傳感器對冬季全國或者特定區域（地理地區或者行政區域）的雪情提供積雪覆蓋分布產品（圖1）、積雪覆蓋專題產品（圖2）、積雪覆蓋多天合成等人機交互和自動判識結合產品，根據氣候變化提供每個年度雪季（11月至次年2月）的全國積雪覆蓋產品。可以對多次雪災的發生、發展進行及時的監測評估，提供雪災覆蓋圖和積雪覆蓋的空間和時間相關統計數據監測服務。在多云天氣下，國家衛星氣象中心利用FY-3衛星微波成像儀（MWRI）數據針對大范圍降雪事件開展積雪覆蓋監測服務。

圖1 FY-3C/VIRR積雪監測多通道合成圖

圖2 FY-3C/VIRR積雪監測專題圖

2. FY-4A氣象衛星積雪覆蓋監測情況

相比第一代靜止衛星FY-2系列，FY-4A搭載的主載荷掃描輻射計擁有14個光譜通道，增加的近紅外波段1.61μm可大大降低積雪覆蓋判識難度。國家衛星氣象中心新一代靜止衛星積雪覆蓋監測以閾值法自動判識為主，提供全圓盤積雪自動判識產品（圖3）和中國區積雪自動判識產品，針對降雪事件結合人機交互判識修訂提供特定區域（地理地區或者行政區域）的積雪覆蓋業務產品（圖4）。相對于FY-3系列極軌衛星，一顆極軌衛星每日僅可獲取晝夜兩次觀測數據，FY-4A靜止衛星每天可以提供多時次觀測數據，不僅能夠更為有效地捕捉云團流動的變化特性，較好地減少云對積雪判識的影響，還可以實現對積雪范圍變化及其消融的過程的動態監測，快速和高頻次獲取雪災最新信息。此外，利用多時次數據合成可以提供更為準確的日積雪覆蓋產品（圖5）。

圖3 FY-4A全圓盤積雪自動判識產品

圖4 FY-4A/AGRI 2018年1月5日08時至16時單時次積雪覆蓋判識結果

圖5 FY-4A/AGRI 2018年1月5日08時至16時多時次積雪判識結果合成圖

以2018年我國中東部積雪覆蓋監測為例，2018年1月5日共接收到FY-4A多時相影像39幅。1月5日08時至16時，山東省境內積雪面積變化率約為4576.82 km2/h，11時至12時減少的積雪覆蓋面積最大，約為9351 km2（圖4）。1月5日08時至16時，多時相積雪判識合成結果顯示，我國中東部晴空區日積雪覆蓋最大范圍為32萬km2，相對于極軌氣象衛星日積雪覆蓋監測結果22萬km2，靜止衛星的有效監測數值增加了近50%（圖5）。

3. 長時間序列積雪覆蓋遙感服務

積雪覆蓋作為生態環境的重要要素之一，對農業生產、交通運輸、氣候變化等領域有重要影響。國家衛星氣象中心對全國積雪覆蓋進行了近三十年的長時間序列監測，包括長時間序列各旬/月/年的全國積雪覆蓋分布產品、積雪覆蓋日數（距平）產品以及對應的統計產品，圖6為氣象衛星1990年至2017年冬季中國主要積雪區東北和內蒙古、新疆及青藏高原積雪持續日數覆蓋度歷年變化。衛星遙感快速獲取指示生態環境的要素，從宏觀上反映生態環境變化及其基本格局，為應對氣候變化、防災減災和生態文明建設的新需求（《中國氣候變化藍皮書》和《中國氣候變化監測公報》），為評估全國積雪覆蓋變化對生態環境的影響及中國氣候變化分析提供最新監測信息、基礎數據和影響評估分析。

圖6 氣象衛星1990年至2017年冬季中國主要積雪區東北和內蒙古、新疆及青藏高原積雪持續日數覆蓋度歷年變化

四、結束語

國家衛星氣象中心利用風云三號可見光紅外掃描輻射計、中分辨率光譜成像儀等傳感器資料，以人機交互和自動判識結合的方式，對中國范圍積雪進行業務化處理，生成積雪覆蓋、積雪統計等各類時空分布產品。針對全球、災區等事件性積雪監測，同樣采用該方法處理，并結合地理信息數據統計積雪面積等信息，生成區域的積雪覆蓋專題產品。

近年來全球氣候異常，各種災害頻發，FY-4A靜止衛星的高時空分辨率在雪災監測和突發事件監測方面有著十分重要的作用和顯著優勢，可以對雪災等突發事件進行快速響應，滿足應急業務服務對數據實時獲取的需求。基于FY-4A/AGRI多光譜通道，利用多時相數據獲取更精確的積雪覆蓋和融化信息，發展中國地區雪蓋自動判識算法結合人機交互判識修正，是業務工作積雪災害監測和積雪氣候分析所迫切需要的。

風云系列衛星有多種平臺（極軌、靜止）和多種類型（光學、微波）的衛星遙感數據以及對應的雪蓋產品。極軌衛星數據具有高空間分辨率的優勢，但每日監測數據量有限，積雪覆蓋監測受云影響較大。靜止衛星數據可以有效彌補極軌衛星數據每日雪蓋監測數據不足的缺點，并通過多時相觀測數據的使用減少云對雪蓋信息的影響。被動微波遙感不受天氣影響可以穿透云霧，進行全天候監測，彌補光學遙感數據在極端天氣下的數據缺失問題。發展可見光—紅外遙感與被動微波遙感融合獲取積雪覆蓋信息的方法，充分發揮各平臺、各類型數據優勢，研究多元雪蓋產品融合方法，可以更準確、更及時提供雪蓋監測服務。