樊瑞瑞，魏志琦

（1.臨汾市氣象局，山西 臨汾 041000；2臨汾市農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 臨汾 041000）

氣象衛(wèi)星遙感具備了視點(diǎn)高、視域廣、數(shù)據(jù)采集快、探測(cè)項(xiàng)目多、迅速反映動(dòng)態(tài)變化、成圖迅速、成本低等優(yōu)勢(shì)，具有傳統(tǒng)調(diào)查方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以用做天氣預(yù)報(bào)、氣候變化監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天、軍事活動(dòng)氣象保障等多個(gè)方面，為政府決策提供科學(xué)準(zhǔn)確的信息支撐，增強(qiáng)應(yīng)對(duì)氣候變化和防災(zāi)減災(zāi)的能力。在農(nóng)業(yè)服務(wù)方面，衛(wèi)星遙感技術(shù)能為防旱抗?jié)?、科學(xué)灌溉、病蟲(chóng)害及凍害監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量評(píng)估提供科學(xué)的決策依據(jù)。通過(guò)對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的接收、處理、分析、加工，可以為土壤墑情監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物估產(chǎn)、生態(tài)植被監(jiān)測(cè)、土地利用等方面，提供多項(xiàng)面向地方需求的實(shí)時(shí)遙感應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)品。

1 資料來(lái)源

本研究所用的氣象極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)均來(lái)自臨汾市風(fēng)三利用站。主要采用了風(fēng)云三號(hào)（FY-3）氣象極軌衛(wèi)星的中分辨率光譜成像儀（MERSI）的遙感數(shù)據(jù)以及AQUA/TERRA 氣象極軌衛(wèi)星的中分辨率成像光譜儀（MODIS）的遙感數(shù)據(jù)。風(fēng)云三號(hào)氣象極軌衛(wèi)星是我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星，空間分辨率最高可達(dá)250 m，每顆氣象極軌衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)1～2 次/d 的觀測(cè)。

2 研究方法

2.1 歸一化植被指數(shù)

由于植物的葉面對(duì)太陽(yáng)紅光具有很強(qiáng)的吸收作用，但是對(duì)太陽(yáng)近紅外光有很強(qiáng)的反射作用，因此，在遙感中可以根據(jù)該原理定性和定量評(píng)價(jià)植被覆蓋程度及植被的生長(zhǎng)活力。將遙感衛(wèi)星的紅光波段和紅外波段數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，發(fā)現(xiàn)這些組合對(duì)植被覆蓋和活力的監(jiān)測(cè)有很好的效果，因此，將紅光波段和近紅外波段的不同組合方式定義為植被指數(shù)[1]。由于極軌衛(wèi)星的第一通道位于紅光波段附近，第二通道位于近紅外波段附近，根據(jù)這2個(gè)通道的反射率可以提取出植被指數(shù)，再利用植被指數(shù)可以定量的表征植被的活力。

目前已經(jīng)有40多種植被指數(shù)被用于植被監(jiān)測(cè)，其中應(yīng)用最廣的是歸一化植被指數(shù)（NDVI）。臨汾市位于干旱、半干旱地區(qū)，屬于低密度植被覆蓋區(qū)，比較合適采用NDVI研究植被的生長(zhǎng)狀態(tài)。NDVI的計(jì)算公式為：

式中：CH1、CH2——極軌氣象衛(wèi)星第一通道、第二通道的反射率。

由于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在實(shí)際工作中受云的影響很大，在有云的情況下，NDVI值很低，尤其在夏季，每日的晴空資料獲取難度極大。因此，為了去云以及消除太陽(yáng)高度角和衛(wèi)星視角的影響，可以取一10 d內(nèi)最大的植被指數(shù)來(lái)進(jìn)行研究。

2.2 植被供水指數(shù)

干旱是農(nóng)業(yè)最主要的災(zāi)害之一。傳統(tǒng)的土壤水分監(jiān)測(cè)方法是采用稱重法、中子儀探測(cè)法等，其缺點(diǎn)在于觀測(cè)點(diǎn)少、代表性不足，不能精準(zhǔn)、大范圍地實(shí)現(xiàn)干旱監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤水分含量和分布情況對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的不足，其時(shí)間和空間分辨率較高，可以快速及時(shí)地更新數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)干旱的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)干旱主要采用植被供水指數(shù)（VSWI）法。由前文可知，采用和極軌氣象衛(wèi)星紅光波段和近紅外波段的反射光譜數(shù)據(jù)組合可以計(jì)算得到歸一化植被指數(shù)（NDVI）。當(dāng)出現(xiàn)干旱時(shí)，土壤水分含量減少，植被供水不足，植被的生長(zhǎng)受到影響，植被指數(shù)將降低；同時(shí)由于植被的葉面沒(méi)有充足的水分供應(yīng)植被的蒸騰作用，使得植被葉面溫度升高，即植被的冠層溫度升高[3]。植被的冠層溫度可以使用極軌衛(wèi)星的第四、五通道觀測(cè)得到。因此，使用極軌衛(wèi)星的第一、二、四、五通道的數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到植被供水指數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)干旱的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。VSWI的計(jì)算公式為：

式中：NDVI——?dú)w一化植被指數(shù)，T——衛(wèi)星遙感到的植被冠層溫度。

3 服務(wù)產(chǎn)品

通過(guò)歸一化植被指數(shù)、植被供水指數(shù)等方法，可以對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)以及農(nóng)業(yè)干旱等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。下面以2022 年3 月—4 月為例，展現(xiàn)遙感技術(shù)在氣象服務(wù)中的具體應(yīng)用。

3.1 植被監(jiān)測(cè)

植被監(jiān)測(cè)主要采用歸一化植被指數(shù)的方法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)全市植被生長(zhǎng)狀況。利用極軌氣象衛(wèi)星FY3D/MERSI遙感數(shù)據(jù)對(duì)臨汾市3 月植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖1），結(jié)果顯示：臨汾市全市植被指數(shù)較低，且植被分布較分散，全市NDVI 均值為0.219，植被主要集中在中部的平川盆地地區(qū)，山區(qū)的植被覆蓋較少，其中平川盆地南部植被指數(shù)在0.4～0.7，植被覆蓋較高。

圖1 2022年3月臨汾市植被指數(shù)監(jiān)測(cè)圖Fig.1 The vegetation index monitoring map of Linfen City in March 2022

3.2 作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)

作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)是農(nóng)業(yè)遙感的一項(xiàng)重要功能，衛(wèi)星遙感可以對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)全過(guò)程的狀況和變化規(guī)律進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在過(guò)去農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)主要依靠人工觀測(cè)，效率不高，衛(wèi)星遙感技術(shù)可以彌補(bǔ)這方面的不足。通過(guò)遙感手段對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以反映臨汾市農(nóng)作物在不同階段的生長(zhǎng)狀態(tài)，再結(jié)合相關(guān)氣象要素的變化，可以更為精準(zhǔn)地對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)做出分析判斷，并進(jìn)行作物產(chǎn)量評(píng)估。

作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)實(shí)質(zhì)上就是對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)的監(jiān)測(cè)。植被指數(shù)和農(nóng)作物的面積以及農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)有關(guān)。當(dāng)農(nóng)作物的種植面積一定時(shí)，植被指數(shù)則反映出農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)情況，因此可以建立二者之間的關(guān)系[5]。綜上，可以采用NDVI來(lái)定量評(píng)估農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)。

臨汾市主要農(nóng)作物為小麥和玉米，以冬小麥為例，臨汾市冬小麥主要種植區(qū)域?yàn)槠酱ǖ貐^(qū)。4 月中旬，臨汾市大部分地區(qū)冬小麥處于孕穗期，從衛(wèi)星遙感植被指數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果（見(jiàn)圖2）顯示：臨汾盆地麥區(qū)大部NDVI 在0.4～0.5，長(zhǎng)勢(shì)較好，臨汾北部、臨汾東山局部地區(qū)NDVI低于0.3，長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)較差。

圖2 2022年4月中旬臨汾市冬小麥種植區(qū)植被指數(shù)圖Fig.2 The vegetation index of winter wheat planting area in Linfen City in the middle of April 2022

3.3 農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)

臨汾市氣象局有17個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)站，但就全市范圍而言，由于土壤墑情站點(diǎn)數(shù)量較少，并且分布不均，大范圍干旱監(jiān)測(cè)存在較大難度，同時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)段有限制，難以全年進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，使用衛(wèi)星遙感對(duì)土壤墑情監(jiān)測(cè)十分必要。采用2022 年4 月中旬的極軌氣象衛(wèi)星的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出植被供水指數(shù)，制作出農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)圖（見(jiàn)圖3）。由于植被供水指數(shù)法沒(méi)有相應(yīng)的干旱等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)臨汾市多年的實(shí)際干旱分布情況，本文采用了山西省氣候中心的旱情分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。從圖3 可以看出，4 月中旬臨汾市大部分地區(qū)墑情基本適宜，平川地區(qū)出現(xiàn)了輕到重度干旱，尤其是在平川南部地區(qū)，出現(xiàn)重度干旱。

圖3 2022年4月中旬氣象衛(wèi)星農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)圖Fig.3 The meteorological Satellite agricultural drought monitoring map in mid April 2022

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，使用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行植被、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)、農(nóng)業(yè)干旱的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切實(shí)可行。隨著我國(guó)遙感技術(shù)的提高，氣象極軌衛(wèi)星的時(shí)間和空間分辨率也在不斷提高，再加之算法的不斷改進(jìn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的精度和時(shí)效性都將會(huì)得到進(jìn)一步提升。隨著社會(huì)的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)需要更加精細(xì)化和多樣化，遙感技術(shù)可以豐富傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)手段，并彌補(bǔ)其不足，為氣象防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)農(nóng)民增產(chǎn)增收、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)起到重要作用，為鄉(xiāng)村振興事業(yè)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。