基于FY-3的冬小麥晚霜凍遙感監(jiān)測技術(shù)

王福州 魏慶偉 常江 陳道培 張青

摘要 利用FY-3衛(wèi)星VIRR數(shù)據(jù)和覃志豪分裂窗算法反演地表溫度，并與氣象臺(tái)站實(shí)測地面最低溫度建立回歸分析，利用變分技術(shù)訂正得到較為準(zhǔn)確的遙感地面最低溫度，再結(jié)合晚霜凍災(zāi)害指標(biāo)和冬小麥發(fā)育期，實(shí)現(xiàn)晚霜凍遙感監(jiān)測。通過2018年4月7日一次晚霜凍過程的監(jiān)測和實(shí)地調(diào)查，對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證明在反映大范圍凍害分布和凍害面積程度等方面，選感監(jiān)測具有明顯優(yōu)勢(shì)和實(shí)際服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 FY-3;晚霜凍;選感監(jiān)測

中圖分類號(hào)：S423

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-3305（2021）02-0192-03

霜凍是指植株附近氣溫突然降到0℃或以下，造成植株體內(nèi)水分凍結(jié)，導(dǎo)致植株受害或死亡的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。霜凍和凍害對(duì)作物生長發(fā)育危害嚴(yán)重，對(duì)拔節(jié)后抗寒能力明顯減弱的冬小麥而言，晚霜凍影響尤甚。

目前冬小麥晚霜凍監(jiān)測方法常用調(diào)査分析法、統(tǒng)計(jì)法。上述方法實(shí)施起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力、主觀性強(qiáng)、覆蓋面積小。并且霜凍對(duì)作物造成的損害還具有隱蔽性和延遲性，田間調(diào)查常會(huì)低估受災(zāi)面積及受災(zāi)程度。遙感具有客觀、宏觀、快速、及時(shí)的特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測方面得到廣泛應(yīng)用。楊邦杰等提出用氣象衛(wèi)星遙感資料得到的歸一化植被指數(shù)的變化情況來監(jiān)測霜凍，王連喜等叫用遙感反演地面最低溫度法來監(jiān)測冬小麥凍害。這些算法大部分適用于MODIS、ASTER等衛(wèi)星的。少數(shù)學(xué)者已探索用FY-3MERSI單紅外通道數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演，但適用于FY-3衛(wèi)星精度較高的地表溫度反演算法較少，特別是適用于FY-3衛(wèi)星VIRR這種具有兩個(gè)以上紅外通道傳感器的反演算法尤為匱乏。針對(duì)上述問題，通過建立遙感地表溫度和實(shí)測地面最低溫度回歸模型，利用變分訂正遙感地面最低溫度，結(jié)合冬小麥晚霜凍災(zāi)害指標(biāo)和發(fā)育期，實(shí)現(xiàn)晚霜凍遙感監(jiān)測。

1技術(shù)與方法

1.1分裂窗算法

FY-3衛(wèi)星是中國第2代極軌衛(wèi)星，衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率較高，且具有多光譜特性，不僅有熱紅外數(shù)據(jù)，還可直接從可見光波段反演出地表狀況、大氣水汽含量，以及由此換算出對(duì)地表溫度反演精度有較大影響的地表輻射率大氣透過率等重要參數(shù)。通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)分析，覃志豪的分裂窗算法比較適用遙感反演地表溫度。這是一種相對(duì)簡單、中間參數(shù)少而反演精度較高的分裂窗算法。這種算法消除了大氣平均溫度的影響，所需參數(shù)都可以從FY-3的其它波段數(shù)據(jù)中反演出來，不需要其他額外的信息就可以進(jìn)行地表溫度的反演，是一種適合于FY-3數(shù)據(jù)的分裂窗算法。

該分裂窗算法表達(dá)式如下：

式中，Ts為地表溫度，T4、T是FY-3第4、第5通道的亮度溫度，單位K，可用普朗克輻射方程獲取，A。、A1和A2是系數(shù)，由大氣透過率和地表比輻射率等因子確定，可用下式計(jì)算：

式中，3為地表溫度，74、Z是FY-3第4、第5通道的亮度溫度，單位K，可用普朗克輻射方程獲取，A0、A1和A2是系數(shù)，由大氣透過率和地表比輻射率等因子確定，可用下式計(jì)算：

式中，a4、b2、a3、b、是常量，取a64.60363，b4-0.440817，a3-68.72575，b0.473453，其余中間參數(shù)分別計(jì)算如下：

式中，て（り）是（-4，5）波段視角為0的大氣透過率，是（4，5）波段的地表比輻射率。

在用分裂窗算法進(jìn)行地表溫度反演中，用FY-3的VIRR通道來計(jì)算比輻射率及水汽含量，而夜間數(shù)據(jù)無法直接用于計(jì)算地表溫度，可直接用白天的NDVI計(jì)算比輻射率。在此未考慮由露水原因造成的白天與夜晚比輻射率差異。夜間計(jì)算模式中的水汽含量用白天計(jì)算的水汽含量的平均值代替。

1.2地表反演溫度與日最低氣溫關(guān)系

采用覃志豪分裂窗算法，反演得到地表溫度，為減少誤差，把反演得到的地表最低溫度與實(shí)測值進(jìn)行變分運(yùn)算，得到變分訂正后的遙感地表最低溫度山。地表溫度在時(shí)間和空間上變率較大，大范圍觀測比較困難，而統(tǒng)計(jì)反演常減少變幅，存在一定誤差，故再次用變分法對(duì)訂正后的反演地表最低溫度進(jìn)行再訂正，得到新的更為客觀的地表最低溫度，其可信度比原有的反演資料更高。

在利用地面實(shí)測資料與遙感資料建立回歸反演地表溫度時(shí)，實(shí)測資料的時(shí)間與衛(wèi)星過境時(shí)間越接近，反演的誤差越小。在遙感監(jiān)測小麥晚霜凍時(shí)，由于受凍程度與地表最低溫度密切相關(guān)，而地表最低溫度一般出現(xiàn)在日出前，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了減少誤差，最好選擇接近地表最低溫度出現(xiàn)時(shí)的遙感資料。

FY-3B的衛(wèi)星資料反演的是衛(wèi)星過境時(shí)（04：00左右）的地表溫度，而晚霜凍的監(jiān)測指標(biāo)是日最低氣溫，為了彌補(bǔ)衛(wèi)星過境時(shí)間和最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間的差異，建立04：00左右溫度和日最低氣溫之間的關(guān)系（圖1）。利用2018年3月11日ー4月20日的逐日氣象資料，建立二者之間的線性回歸方程為：

0.8766x+1.2763，R2-=0.8274。

2晚霜凍害遙感監(jiān)測

開發(fā)出基于GIS支持下的冬小麥晚霜凍遙感監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)冬小麥拔節(jié)后各時(shí)段凍害指標(biāo)（表1），對(duì)發(fā)生的晚霜凍害進(jìn)行遙感監(jiān)測，制作出冬小麥凍害發(fā)生空間分布圖，并統(tǒng)計(jì)出不同地區(qū)不同凍害等級(jí)的受災(zāi)面積，實(shí)現(xiàn)冬小麥凍害的遙感監(jiān)測評(píng)估。

2.1近年鶴壁市小麥晚霜凍發(fā)生情況

鶴壁市的冬小麥晚霜凍害一般發(fā)生在每年的3月中旬至4月中旬，常給小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)造成較大影響。鶴壁市近9年有5年發(fā)生了晚霜凍，發(fā)生頻率為55.6%6;共出現(xiàn)晚霜凍9d，拔節(jié)期以后出現(xiàn)5d，占55.6%，拔節(jié)前共出現(xiàn)4d，占44.4%。從晚霜凍發(fā)生程度看，輕霜凍出現(xiàn)天數(shù)多于重霜凍，分別占總天數(shù)的667%和33.3%。

2.2晚霜凍監(jiān)測應(yīng)用事例

選取2018年4月7日發(fā)生在河南省的一次低溫過程，利用分裂窗方法和變分技術(shù)反演得到地表最低溫度，再根據(jù)冬小麥晚霜凍指標(biāo)，結(jié)合小麥拔節(jié)期制作了河南省冬小麥晚霜凍分布情況（圖2）。分別統(tǒng)計(jì)了各地市不同程度晚霜凍害的面積（表2）。根據(jù)鶴壁市晚霜凍遙感監(jiān)測分布圖（圖3）和不同程度凍害的面積，經(jīng)與鶴壁市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局調(diào)査統(tǒng)計(jì)的冬小麥晚霜凍害資料對(duì)比分析，鶴壁市遙感監(jiān)測的晚霜凍區(qū)域分布、發(fā)生程度及發(fā)生面積情況與實(shí)際調(diào)查的基本吻合（表3）。

3結(jié)果與討論

（1）基于FY-3數(shù)據(jù)地表溫度反演算法還需要進(jìn)一步改進(jìn)，遙感反演精度驗(yàn)證仍然是個(gè)難點(diǎn)。另外，由于晚霜凍指標(biāo)是利用日極端最低氣溫，而與遙感資料時(shí)間不匹配。雖然建立了FY-3B衛(wèi)星過境時(shí)的地表溫度與日極端最低氣溫的線性關(guān)系并對(duì)反演的溫度進(jìn)行了訂正，但其它衛(wèi)星過境時(shí)反演的地表溫度與日極端最低氣溫的關(guān)系需要重新建立。一般距最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間越接近線性關(guān)系越顯著，但仍將不可避免地存在一定誤差。

（2）用夜晚地表溫度計(jì)算比輻射率和水汽含量雖然存在一定誤差，但從結(jié)果看精度可基本滿足業(yè)務(wù)服務(wù)要求。

（3）目前普遍應(yīng)用NDV計(jì)算比輻射率的方法，雖然簡單，但存在的誤差對(duì)地表溫度反演的結(jié)果影響也較大。

（4）分裂窗算法本身對(duì)水汽含量的影響并不很敏感，因此水汽反演雖然存在誤差，但還可以應(yīng)用于該算法中。

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責(zé)任編輯：黃艷飛