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卫星遥感在生态监测与农业中的应用.docx
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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。随着社会的开展,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开展。因此,遥感技术已被
列为国家 90 年代国民经济开展的 35 项关键技术之一。遥感技术在解决我国资源与环境问题、
促进国民经济持续开展的作用是:
(1) 为制定国民经济开展方案提供资源与环境动态根底数据;
(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、快速的反响;
(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效劳。
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效劳的卫星,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。这些卫星可以直接效劳于气象、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,实时制作各类应用效劳产品,向政府和有关部门提供效劳。
学习国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
应用在省自然资源监测和农业生产效劳中,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效劳水平,
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开展趋势
8.2.1 应用现状
1960 年以来,美国、俄罗斯/前联、欧空局、日本、印度和中国相继开展了自己的气象
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开展高潮。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开展准备了足够的技术诸备。90 年代以来,
随着遥感传感器、小卫星技术的开展,人类生存环境的恶化以及全球一体化的需求,遥感技
术再次得到高速开展。
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开展到第四
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
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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,
每天可对全球进展四次探测,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方案中总数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/前联的“流星〞极轨气象卫星系列从 1966 年开场发射,至今开展了三代,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效劳。中国是继美国和俄罗斯
(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方案。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
卫星方案将在 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那么提高了 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、
雪等进展监测。
卫星遥感在省的应用围已经涉及到作物、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?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 开展趋势
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
规遥感技术迅猛开展外,开拓性的成像光谱仪的研制已在80 年代开场,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开展的盛期。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
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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。目前地面卫星站每天承受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开展,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开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根底。
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围、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准确定位的高频度宏观影像,从而提醒了岩石圈、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,
从可见光开展到红外、微波等波谱围,加深了人类对地球的了解;在遥感与地理信息系统根
底上建立的数学模型为定量化分析奠定了根底;同时,还实现了空间和时间的转移:空间上
野外局部工作转移到实验室;时间上从过去、现在的研究开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开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开展趋势主要表达在以下几个
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立。当前,急待解决遥感地面应用系统建立较卫星研制和发射投入薄
弱、时间滞后的问题。
8.3 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
有到达实用阶段,形成业务系统的那么更少。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
的根底上建立知识库在开发出适合于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
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