航天時代陸地衛(wèi)星在水資源探測領域的應用與發(fā)展

摘要：自1972年第一顆陸地衛(wèi)星發(fā)射以來，陸地衛(wèi)星已成為很多土地經(jīng)營和水資源管理活動不可或缺的部分，它們?yōu)闆Q策者提供關于地球重要資源的關鍵信息。目前，最新設計的陸地衛(wèi)星9號已經(jīng)準備好發(fā)射。介紹了陸地衛(wèi)星在美國水資源分配、環(huán)境監(jiān)測以及其他科學研究活動中的應用，表明了實施陸地衛(wèi)星發(fā)展計劃的重要性和必要性。

關鍵詞：水資源管理；水資源分配；環(huán)境監(jiān)測；陸地衛(wèi)星；應用；美國

1美國陸地衛(wèi)星9號計劃

美國航空航天局聯(lián)合美國地質(zhì)調(diào)查局的下一個太空任務計劃將于2023年開始實施。陸地衛(wèi)星9號作為最新的對地觀測衛(wèi)星，將在記錄地表影像方面繼續(xù)發(fā)揮關鍵作用，為水資源管理決策提供寶貴資料。

美國航空航天局局長查爾斯·博爾登(Charles Bolden)指出，陸地衛(wèi)星是人們對地觀測能力的基石，全世界科研人員都依靠它們對地表覆蓋、土地利用變化、生態(tài)系統(tǒng)健康及水資源利用等進行觀測。自1972年起，陸地衛(wèi)星計劃就一直為地球地表覆蓋研究提供準確的測量數(shù)據(jù)。地球資源技術衛(wèi)星(后更名為陸地衛(wèi)星)的發(fā)射，開啟了一個衛(wèi)星群的時代，人類通過衛(wèi)星不斷獲取基于航空的地表遙感數(shù)據(jù)。美國航空航天局稱，陸地衛(wèi)星利用太空優(yōu)勢，通過長期觀測數(shù)據(jù)來觀察和研究地球上相互聯(lián)系的自然系統(tǒng)，并以此增強對地球的了解和認識。美國航空航天局將此項獨有技術無償與全球相關機構(gòu)共享，共同探知地球發(fā)生的變化。

2陸地衛(wèi)星的特點、應用及前景

根據(jù)陸地衛(wèi)星提供的資料，人們對有限的水資源管理做出決策，這些決策將影響全世界數(shù)百萬人。可以利用陸地衛(wèi)星提供的大量數(shù)據(jù)進行水源地定位、水污染評估、流域管理和水資源配置等。如今，陸地衛(wèi)星已被視為人類在太空中的眼睛，用于監(jiān)測地球表面變化。

美國航空航天局華盛頓總部的副署長約翰·格倫斯菲爾德(John Grunsfeld)指出，目前的陸地衛(wèi)星計劃已經(jīng)服役了幾十年，作為可持續(xù)的土地成像計劃的一部分，用以在未來繼續(xù)為國家服務，美國航空航天局和美國地質(zhì)調(diào)查局十分重視陸地衛(wèi)星9號項目。鑒于地球長期的環(huán)境變化，陸地衛(wèi)星在現(xiàn)在和將來都十分重要，而且其價值將與日俱增。

由于陸地成像計劃的一個重要部分就是為用戶提供長期且持續(xù)的觀測數(shù)據(jù)支持，所以陸地衛(wèi)星9號的設計將會在很大程度上與陸地衛(wèi)星8號相似。9號衛(wèi)星將攜帶兩臺儀器：一臺用于在可見光、近紅外和短波紅外波段對地球進行成像；另一臺則用于測量地球表面的熱紅外輻射。這兩臺儀器帶有中等分辨率的傳感器，與陸地衛(wèi)星計劃中的前7顆衛(wèi)星相比，陸地衛(wèi)星9號能夠探測更多的強度變化。

美國航空航天局將負責衛(wèi)星的建造、發(fā)射，初始檢查和試運行工作；美國地質(zhì)調(diào)查局將負責陸地衛(wèi)星9號的運行，并進行數(shù)據(jù)處理、歸檔及無償共享。

美國地調(diào)局氣候和土地使用變化副主任沙拉·萊克(Sarah Ryker) 表示，陸地衛(wèi)星是一項非常成功的合作項目。由于被很多經(jīng)濟部門和研究領域廣泛使用，白宮已將全球定位系統(tǒng)、氣象衛(wèi)星和陸地衛(wèi)星確定為3種非常重要的民用繞地衛(wèi)星。對于自然科學和數(shù)據(jù)驅(qū)動行業(yè)來說，開發(fā)陸地衛(wèi)星9號并長期致力于可持續(xù)陸地成像工作非常重要。

美國航空航天局位于馬里蘭州戈達德太空飛行中心陸地衛(wèi)星9號項目的科學家杰佛里·馬泰克(Jeffrey Masek)表示，陸地衛(wèi)星9號將在2023年發(fā)射，并將與過去50 a一樣，繼續(xù)收集全球土地覆蓋數(shù)據(jù)。陸地衛(wèi)星的特點是：衛(wèi)星觀測地球的時間越長，能觀察到并了解的現(xiàn)象便越多。在過去的幾十年，人類活動和自然環(huán)境改變產(chǎn)生的壓力使土地利用發(fā)生了變化。 馬泰克同時補充道，僅僅增加一個衛(wèi)星遠遠不夠，陸地衛(wèi)星應該是一個長期的監(jiān)測項目，就像氣象衛(wèi)星那樣，甚至應該是永久的計劃。

3在水資源研究和管理方面的應用

事實證明，陸地衛(wèi)星是一種用途廣泛的寶貴工具。比如，它的數(shù)據(jù)可以幫助環(huán)境管理人員限制污染物從集水區(qū)排向航道。

美國地質(zhì)調(diào)查局的地理學家皮特·克拉格特(Peter Claggett)負責觀測土地利用狀況和流經(jīng)美國6個州的切薩皮克灣(Chesapeake Bay)流域水污染狀況, 他進一步解釋道，陸地衛(wèi)星是一個重要而寶貴的工具，可用于探測地形表觀特征，并對其隨時間變化的趨勢進行測繪。如果沒有陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為基礎信息，就無法真正搞清楚切薩皮克灣營養(yǎng)物質(zhì)和沉積物的來源變化及其具體位置。

同時，可以利用這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測并預報藻類爆發(fā)。在美國，每年用于治理藻類污染的淡水費用約為6 400萬美元。2014年8月，作為飲用水源地的伊利湖發(fā)生水華事件，導致俄亥俄州40萬居民無法從此處獲得飲用水。

對于稀缺水資源日益增加的使用需求，迫使水資源管理模式發(fā)生轉(zhuǎn)換，從增加水源供應轉(zhuǎn)換為在可持續(xù)利用的水平上，對水資源利用進行創(chuàng)新性管理。在美國，灌溉用水占到淡水使用量的80%，利用陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可以具體量化灌溉用水的消耗。

同時，在美國航空航天局2015年3月發(fā)布的一項研究中，陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)被用來分析懷俄明州西北部某流域。研究表明，該地區(qū)融雪季節(jié)的結(jié)束時間比20世紀70年代至90年代平均提早了16 d。融雪是懷俄州明的重要水源之一，融雪時間的改變將會影響農(nóng)業(yè)，使森林火災發(fā)生時間更早、發(fā)生次數(shù)更頻繁，引起生態(tài)系統(tǒng)變化并產(chǎn)生其他影響。

美國航空航天局戈達德飛行研究中心的一高級研究員蘿西·霍爾(Dorothy Hall)指出，風河(Wind River)流經(jīng)區(qū)域海拔非常高，且冰雪覆蓋面較大，融雪季節(jié)結(jié)束時間的提前影響懷俄明州大部分地區(qū)水資源，而該地區(qū)自1999年起一直處于干旱狀態(tài)。

霍爾和她的同事通過對1972～2013年間1 000多幅陸地衛(wèi)星影像進行分類，制作了227幅降雪圖?；谶@些衛(wèi)星數(shù)據(jù)，科學家們能夠?qū)Ψe雪覆蓋變化進行直接測量。

最近，陸地衛(wèi)星追蹤了美國與墨西哥邊境的莫雷洛斯(Morelos)壩人造洪水試驗?；诿绹?墨西哥的“319分鐘”協(xié)議對科羅拉多河的水資源分配進行管理。作為該協(xié)議的一部分，2014年3月，莫雷羅斯大壩向科羅拉多河下游下泄人造洪水。陸地衛(wèi)星8號觀測到，這次人造洪水使科羅拉多河周圍的植被增加了40%。在“319分鐘”協(xié)議之前，也曾利用遙感數(shù)據(jù)研究較小流量人造洪水對科羅拉多河周邊的影響，而研究人員目前正使用陸地衛(wèi)星8號和其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)繼續(xù)研究2014年人造洪水產(chǎn)生的影響。

4在生態(tài)系統(tǒng)及其他方面的應用

美國航空航天局陸地衛(wèi)星8號項目科學家吉姆·艾恩思(Jim Irons)表示，陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)非常適合用于協(xié)助人們在生態(tài)系統(tǒng)健康、水管理和其他更多方面做出明智政策。他還補充道，類似的項目表明，研究人員需要有高質(zhì)量的前期對地觀測資料作為參考，同時也需要與未來具有可對比性的數(shù)據(jù)，以研究一項政策是如何改變地表形態(tài)的，他表示，具有連續(xù)性的數(shù)據(jù)非常重要，這樣一來，一旦做出泄洪決策，就能有一個系統(tǒng)來評估其影響。

研究水文和生物效應的“319分鐘”科學團隊的聯(lián)合首席科學家，卡爾·付雷莎(Karl Flessa)補充道，通過遙感衛(wèi)星，如陸地衛(wèi)星，科學家能夠進行一系列的研究，而這些研究不可能通過其他方式進行。付雷莎還表示，科學家將繼續(xù)監(jiān)測科羅拉多三角洲下游的植被和脈沖流產(chǎn)生的水文效應。通過使用收集來自地面和衛(wèi)星的最新數(shù)據(jù)，研究人員調(diào)查了植被和脈沖流對地下水的長期影響，并將繼續(xù)研究地下水流動情況下，新栽種樹木和灌木是否會生根，以及新出現(xiàn)植被如何影響鳥類沿太平洋的遷徙。

在美國西部，歷史上水資源的使用情況是水權(quán)談判的關鍵，而對于水資源管理者來說，陸地衛(wèi)星不可或缺。陸地衛(wèi)星豐富的歷史影像資料對于解決水權(quán)糾紛十分重要。正如來自愛達荷州水資源部的前地理空間技術主管托尼·莫爾斯(Tony Morse)所說：人們都依賴于公開的、非專有的陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這意味著對于糾紛中的各方來說，每一方獲取的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過了相同的處理，且供各方平等獲取。

汪朝輝譯

(編輯：李慧)

收稿日期：2015-12-30

文章編號：1006-0081(2016)04-0022-02

中圖法分類號：TV213.9

文獻標志碼：A