高分遙感技術在甘肅氣象監測中的應用

賀海燕，魏 瑋，廖倩倩，楊春芽，袁淑杰

（1.成都信息工程大學，四川 成都 610000；2.甘南州藏族自治州卓尼縣氣象局，甘肅 甘南 747600；3.甘南州藏族自治州瑪曲縣氣象局，甘肅 甘南 747600）

甘肅地處我國的西北地區，境內為黃土高原、青藏高原和內蒙古高原三大高原交匯地帶，氣候類型多樣，主要有亞熱帶季風氣候、溫帶季風氣候以及溫帶大陸性氣候等。近年來，我國的地面氣象觀測站數量雖有所增加，但是觀測站覆蓋范圍卻比較小。為獲得甘肅的完整遙感資料，有必要使用高分遙感技術加強對該省氣象的監測。

1 高分遙感監測的特征

將高分遙感技術應用到氣象監測中后，有效推動了氣象監測領域的進一步發展。當下的高分遙感監測具有三個特征，分別是高空間分辨率特征、高光譜分辨率特征以及高時間分辨率特征。1）高空間分辨率是指高分遙感技術能夠準確識別兩個相鄰地物之間的最小距離。學術界規定空間分辨率優于1m 的光學成像衛星所獲取的數據為高空間分辨率遙感數據。2）高光譜分辨率遙感技術是指在可見光、近紅外波、熱紅外波以及中紅外波的波段范圍內，獲取大量窄光譜連續影像數據的技術。高分五號為全球第一顆高光譜觀測衛星，也為國際上首次實現能夠對大陸以及大氣進行綜合觀測的全譜段高光觀測衛星。3）高時間分辨率是指重復觀測同一地區所需要的時間，作為遙感系統動態監測能力的重要評價指標，該指標在高分遙感技術應用過程中的作用重大。

2 氣象監測概述

氣象監測是氣象事業中的重要內容，氣象事業在人類發展過程中的意義重大，是一種通過氣象監測，氣象工作人員能夠對大氣信息進行采集、加工、儲存與傳輸，根據社會、生態、軍事、政治以及經濟各方面的不同需求，可向政府、各生產部門以及社會公眾等提供氣象方面相關的技術和信息的活動。氣象監測為氣象服務中的一種，氣象服務包括決策氣象服務、專業氣象服務、專項氣象服務以及公共氣象服務。傳統的氣象監測技術工作效率低，無法滿足社會快速發展的要求，新一代的高分遙感技術應運而生，在氣象服務中的作用越來越大，使用該技術監測到的氣象數據精準、可靠性高[1]。

3 高分遙感技術在甘肅氣象監測中的應用

高分遙感技術的快速發展與完善在氣象監測工作中發揮著越來越重要的作用，如今該技術已經被應用到多個領域并取得了良好的應用效果。相關數據顯示，甘肅省的高分遙感技術已經與多個領域進行了良好的合作，主要包括水體監測、沙漠邊界監測、農作物監測、農業災害監測、森林火災監測以及霧霾監測等領域。

3.1 水體監測方面

水資源是我國的重要資源，在人們的生產生活中非常重要，人類社會的可持續發展離不開對水資源保護與節約。近幾年，甘肅省每年都會有氣象監測團隊使用高分遙感技術對省內大量湖泊河流進行監測評估，例如黃河、大夏河、渭河以及涇河等。將高分遙感技術應用到水體監測中，能夠有效監測出各水體的不同變化特征，比如水域面積變化情況等。

3.2 林業氣象方面

森林是人類的重要資源，也是陸地生態系統中的重要組成部分。森林植被是聯結土壤、水源以及大氣的重要紐帶，當森林發生變化時，即可表示陸地生態系統遭到了破壞。地表植被中包含著氣候模型中的各種參數，在生態變化中的指示意義重大。使用高分遙感技術對甘肅森林植被進行監測，長期的監測結果可用于研究不同氣候背景下的植被變化以及生長規律，同時還能對生態系統的變化過程進行探索分析。使用高分遙感技術能夠對植被以及林火兩方面進行監測[2]。

3.2.1 植被監測

國外對植被監測的研究比我國早，如今已經取得了豐碩的研究成果。歷時十六年的由Lewis 等人參與研究的植被監測研究結果顯示各植被類型的NDVI 變化和降雨量的變化有很好的相關性。我國對植被監測的研究起步比較晚，但是近幾年各項科學技術的快速發展使得我國的植被監測研究水平有了一定程度的提升。例如，信忠保等人選用GIMMS 和SPOT/GT 兩種植被指數數據對甘肅境內黃土高原地區的植被覆蓋的時空變化進行了細致研究，研究結果顯示黃土高原的植被變化經歷了四個階段，四個階段的植被覆蓋變化都和降雨量的多少有著直接的關系，因此得出降雨變化是造成植被覆蓋變化的主要原因。此后，馬明國等人的植被監測研究結果顯示氣溫變化和降雨變化是影響植被覆蓋變化的主要因素。

3.2.2 林火監測

發生森林火災會對自然環境造成巨大的損害，造成的損失不計其數，因此我國非常重視對森林火災的防范。傳統的森林防火信息采集和上傳效率低，林火監測技術難以被大范圍應用。信息時代到來后，將高分遙感技術應用進來能夠有效解決傳統監測技術存在的不足，同時取得了較好的應用效果。例如，許東蓓等人利用MODIS 遙感數據對甘肅境內的重大火災、土壤水分以及火災前期植被干旱程度等進行了仔細分析，最后結果表明，使用MODIS 能夠有效監測火災的運行動態，同時還能提供準確的火災位置、火災面積等數據信息，遙感的使用能避免傳統監測手段的不足，提高林火監測準確度和可信度。此后，王一凱等人提出了一種基于地表溫度、風速、蒸發量空間模擬數據以及濕度遙感數據的林火風險等級預報法，形成了地表溫度與濕度分析模型，最終生產成了甘肅省森林火險等級分布圖。研究結果顯示，使用該方法研究的森林火險等級在空間上是連續的，能夠很好的反映甘肅的森林火災風險程度，可為地方森林防火部門的制度制定提供建議，推動森林防火工作的順利開展。

3.3 農業生產方面

農業生產和氣象信息密切相關，合適的氣象條件是促進農作物快速生長發育的基礎。我國屬于農業大國，因此加強農業氣象監測研究能夠為農業的發展提供建議。在農業生產過程中，低溫、大風以及干旱等災害性天氣會對農作物生長造成不可逆的影響，例如，2015 年江南、西南地區的一次持續性降雨導致地區農作物受災近60 千公頃，損失近6.4 千公頃農作物。因此，為保證甘肅境內農作物的正常生長，有必要使用高分遙感技術加強對農業氣象的監測[3]。

3.3.1 農作物監測

農作物的生長情況直接關系到農作物產量的多少，從而直接決定了種植人員的收益，因此農作物的監測和估產屬于農業監測的重要內容。Dalezios 等人利用NOAA提供的高分辨率AVHRR 數據，研究計算得出了甘肅近幾年的NDVI 數值，完成了對甘肅境內玉米等農作物長勢的連續監測研究。結論顯示，使用NDVI 計算的玉米等農作物的產量和實際產量基本吻合，由此可知使用遙感技術能夠有效監測計算農作物的產量。因此，為提升農作物產量，可使用高分遙感技術對農作物的產量進行監測預估，同時采取具體措施有效提升農作物產量，最大化種植人員的經濟效益。

3.3.2 自然災害監測

使用高分遙感技術能夠有效監測農作物的受災信息，方便種植人員采取有針對性的措施防治農作物常見的災害。將高分遙感技術應用到對農作物受災信息的監測中還能彌補因氣象站點缺少、氣象站點分布不均勻造成監測誤差等方面的不足。例如，張佳華等人總結了國內外利用遙感監測農作物受災信息的研究，得出結論為我國的FY-2、FY-3 和MODIS 等數據都能夠滿足使用遙感器進行農作物受災損失的時間分辨率要求。與此同時，何燕等人使用MODIS 數據并結合實地調查的方法，得出低溫是造成農作物凍害的主要因素，使用遙感數據能夠開展農作物凍害監測研究工作，有利于提高氣象災害預報的準時性。因此，為推動農業發展水平的快速提升，有必要將高分遙感技術應用進來，加強對農作物受災信息的監測研究[4]。

3.4 環境氣象方面

近年來，環境問題嚴重，霧、霾以及沙塵暴等災害性天氣的發生對人們的生活生產帶來了巨大的負面影響，因此加強災害性天氣的監測研究現實意義重大。傳統的災害性天氣監測手段和預報方法對霧、霾等災害性天氣的監測效率和監測質量不高。將高分遙感技術應用進來后，能夠有效提升對災害性天氣的監測質量。

3.4.1 霧監測

早在20 世紀70 年代，國外就已經開始使用SMS-1氣象衛星對大氣中的輻射霧的產生過程進行監測和研究。隨著科學技術的不斷發展，如今我國已經能夠使用遙感技術對輻射霧的產生過程進行監測研究。目前應用最多的遙感數據源為MODIS 數據，使用該數據能夠很好監測大氣輻射霧的產生過程，有利于國家環境部門采取有針對性的措施，對輻射霧進行處理。例如，蔣璐璐利用FY-3A 衛星的VIRR 數據，對我國東部沿海地區的日間霧展開了監測研究。監測結果精確度高達70%，因此證明使用FY-3A 衛星資料研究輻射霧的產生是可行的，具有較大的預報業務推廣價值。為提升輻射霧的監測精確度，國家環境部門可將該技術應用進來，同時呼吁全社會保護環境。

3.4.2 霾監測

社會經濟的快速發展使得汽車數量越來越多，汽車數量增多后排出的尾氣越來越多，造成我國的霾污染越來越嚴重。2001 年以后，我國的霾污染越來越嚴重，最近幾年霾污染甚至成為了學術界討論的熱門話題。在這個背景下，為降低霾污染對人們生活造成的影響，國家相關部門有必要使用高分遙感技術對霾污染進行監測研究。前幾年，姜杰等人對霾的遙感監測原理和當前應用最廣泛的高分遙感技術進行了介紹，認為衛星遙感技術能夠監測大尺度、長時間序列的污染物的時空分布特征和變化趨勢，因此使用衛星遙感技術能夠有效監測霾污染的具體情況，國家可使用衛星遙感技術加強對霾污染的監測研究，采取具體措施有效降低霾污染對社會環境造成的影響。

4 結論

總而言之，高分遙感技術在氣象監測方面的應用意義重大。隨著觀測技術的不斷進步以及社會生活水平的不斷提升，人們對高分高頻率遙感數據的質量要求越來越高。如今環境問題嚴重，國家也加大了對高分遙感技術的應用。將該技術應用進來后，能夠有效提升氣象監測數據的準確性，從而方便國家相關部門采取具體措施解決環境問題。