菏泽市极轨卫星遥感监测业务应用分析

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摘要 基于山东省极轨气象卫星遥感资料接收处理系统接收的极轨卫星遥感数据，利用中国气象局国家卫星中心的卫星监测分析与遥感应用系统（SMART），对极轨卫星遥感监测菏泽市植被、火情、干旱产品的制作过程进行详细说明，并对SMART菏泽本地化的结果进行展示，最后提出菏泽市极轨卫星遥感监测产品在服务过程中存在的问题和未来改进的方向。

关键词 极轨卫星；遥感监测产品；SMART；山东菏泽

中图分类号 TP79 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）21-0242-02

遥感监测作为传统气象监测手段的补充，在天气预报预警、重大自然灾害监测、农业生态及环境监测、气象及环境监测中得到了越来越广泛的应用，为我国国民经济建设和防灾减灾发挥了重要作用，也为区域乃至全球许多国家的经济发展做出了重要贡献[1]。山东省气象局早在1990年就建成了极轨气象卫星遥感资料接收处理系统[2]，经过多年的研究和应用开发，目前监测与服务项目涵盖农田、生态环境、海洋环境等多方面，并取得大量研究成果。信志红等[3]基于MODIS数据，对黄河口植被覆盖变化与气候因子相关性进行分析；李 峰等[4]利用風云FY-3A卫星，对山东2010—2011年秋冬季的干旱状况进行分析。樊景豪等[5]利用MODID卫星遥感资料对2013—2014年菏泽市冬小麦增产的农业气象条件进行分析。菏泽是农业和林业大市，其冬小麦产量和林木蓄积量占全省的1/6左右。遥感是实现林田信息快速获取的重要手段，利用遥感资料监测冬小麦和林木的长势和受害情况，对冬小麦和林木长势的动态监测和灾害评估和救助具有重要的意义。2014年随着SMART系统在市级应用推广，菏泽市开始利用极轨卫星数据制作多种遥感监测产品，这些遥感监测产品也成为菏泽市城市气象灾害监测预警服务系统的重要组成部分。

1 监测产品的制作

1.1 数据预处理

山东省极轨卫星遥感接收系统接收的数据为1 km、500 m、250 m分辨率的hdf格式1级（1B）数据，需要对其进行辐射校正和几何校正，最终得到可直接应用于SMART监测系统的ld3、ldf数据格式。

数据预处理可以利用SMART监测系统中拼接投影部分实现。在SMART监测系统中进行预定义分幅设置，对菏泽区域范围进行设置，利用拼接投影模块，选定投影范围和投影波段后进行投影。由于菏泽市面积范围较小，投影分辨率在遥感数据支持的情况下最好选择250 m分辨率，如果使用1 km分辨率遥感数据，最后生成监测产品会因分辨率不足而产生“马赛克”。在拼接投影完成之后，还要进行几何校正，在SMART监测系统中点击几何校正模块可实现。

预处理完成的数据为ld3、ldf格式，二者数据格式类似，不同处仅为头记录字节数，ld3格式头记录为4 096个字节，ldf数据头记录为128个字节[6]。现以ld3数据格式为例进行介绍。ld3数据包括2个文件，即数据说明文件*.hdr和数据文件*.ld3。其中数据文件由头记录和数据组成，存储顺序为：头记录为4 096个字节，第1个通道的数据（图像高度×图像宽度×2），…，第n个通道的数据（图像高度×图像宽度×2）。其中每一个通道的数据按行排列。

1.2 植被遥感产品制作

在植被指数中，通常选用对绿色植物（叶绿素引起的）强吸收的可见光波段（0.6～0.7 μm）及对绿色植物（叶内组织引起的）高反射和高投射的近红外波段（0.7～1.1 μm），这2个波段对统一生物物理现象的光谱相应截然相反，因而可以对其使用比值、差分、线性组合灯多种组合来增强或揭示隐含的植被信息[7]。目前，业务上面最常用的植被指数为NDVI植被指数，其计算公式如下：

NDVI=■（1）

针对NDVI植被指数的计算，MODIS卫星主要采用1、2通道数据，FY-3B MERSI 卫星主要采用3、4 通道数据。NDVI植被指数计算可在SMART监测系统气候监测分析板块植被监测专题里面实现，植被指数完成之后在SMART的工作空间里面生成NDVI栅格数据文件。利用该栅格数据文件，在产品专题图模块里即可生成NDVI植被指数遥感监测专题图。值得注意的是，计算NDVI植被指数的时候，考虑到云等的影响，最好使用多天的NDVI指数最大值合成的数据，该项在数据合成模块可以实现。

1.3 火情遥感产品制作

菏泽是林业大市，是全国4个平原绿化达标市之一和全国平原绿化先进单位。全市林业用地面积254 669 hm2，森林面积236 409 hm2，活立木总蓄积26 539 161 m3，占山东省的1/6左右，林业产业总产值达到748亿元。每年9月在菏泽市举办的中国林产品交易会，也是我国唯一经国家林业局正式批准的具有行业代表意义的交易会。森林火灾不只是烧毁成片的森林造成经济损失，而且还降低森林的更新能力破坏生态环境，引起土壤贫瘠，破坏森林涵养水源的能力，甚而导致生态环境失去平衡。因此，各级政府部门和林业部门高度重视森林防火和森林火灾的监测。运用卫星监测林火的手段是森林火灾监测的重要方法之一。当前极轨卫星监测菏泽火情主要使用FY-3B VIRR（可见光红卫扫描辐射计）的卫星遥感资料，其3、4、5通道的波长范围分别为3.55～3.95、10.30～11.30、11.50～12.50 μm。根据普朗克黑体辐射公式，计算不同温度黑体分谱辐射率与波长的关系，可知地表常温辐射峰值波长在通道4及通道5波长范围，当温度升高时，辐射波峰波长将向左移动，尤其高于500 K后，迅速靠近通道3波长范围[8]。因此，FY-3B VIRR第3通道，即中红外通道为其特色通道，在日常业务中选择VIRR第3、2、1通道数据对火情进行监测。

火情监测主要基于SMART监测系统环境监测分析板块火情监测专题实现。火情监测专题有自动判识和交互判识等模块，其中交互判识模块还有日粗判等选项，利用以上模块可进行菏泽市遥感火情判识并制作遥感火情监测图。值得注意的是，利用SMART进行火情遥感监测判识，因为火情判识选项复杂进程缓慢，出现判识结果经实际操作验证至少要等待5 min以上，经常会因此误认为SMART进程出现问题，此时打开Windows任务管理器，查看进程CPU使用率即可知SMART火情判识进程是否结束。

1.4 干旱遥感产品制作

菏泽市属暖温带季风大陆性气候，四季分明，光热资源丰富。降水多发生在夏季，水热同季，适合大多数作物的生长。同时，菏泽市也是气象灾害天气的多发地区。旱涝是主要气象灾害之一，尤其是干旱发生频繁且影响范围大，危害最为严重。利用遥感手段对干旱进行监测，具有大范围、宏观、动态监测的优势，以便于有关部门采取预防措施从而减轻损失。

由于水体对红光（0.62～0.72 μm）和近红外（0.76～3.00 μm）波段吸收极强，土壤含水量越多（湿地表）反射率越低，土壤含水量越少（干地表）反射率越高，所以可以利用垂直干旱指数和改进型垂直干旱指数对干旱进行监测。垂直干旱指数（PDI）是利用NIR-Red三角形特征空间中任意一点E（Rred，Rnir）到L的距离EF作为表征区域干旱状况。PDI模型主要针对低植被覆盖时土壤水分的遥感监测，地表覆盖类型差异较大的区域之间，不具有可比性。针对其局限性提出改进型垂直干旱指数（MPDI）。PDI主要是应用于低植被覆盖情况下遥感干旱监测，MPDI主要是应用于高植被覆盖下遥感干旱监测。遥感干旱监测可以在SMART监测系统气候监测分析板块干旱监测专题里面实现。

2 SMART本地化

SMART监测平台主要是以国家为层面而开发，在实际使用过程中发现将其应用到地市级别的时候会出现“水土不服”的情况。目前发现的问题主要集中在以下2个方面：一是基础矢量数据过于陈旧，尚未根据新的行政区划和行政边界进行调整和改变；二是专题制图里面的大部分专题图模板对地市级不适用，每次制图均需逐一修改，费时费力。针对这2个方面的问题，在使用过程中主要进行了以下本地化工作。

2.1 矢量数据本地化

SMART安装软件里面提供的基础行政区域数据文件，在应用于菏泽本地的时候发现，其标注的地理信息名称和菏泽市其他业务产品所标注的地理信息名称不同，例如SMART基础数据：市级行政区域_面.shp文件中存在“菏澤市市辖区”这个名称，而目前其他业务产品中仅将其标注为“菏泽”，需要对其修改。

修改shp文件地理信息名称主要是利用ArcGIS进行。打开ArcCatalog连接到所需要修改的shp文件，然后打开ArcMap，将shp文件拖动到ArcMap中，点击编辑器，对shp文件属性里面的地理信息名称进行编辑。

2.2 制图模板本地化

SMART可以提供丰富的制图模板，但具体使用还是要对其进行修改，才能满足本地化的需求。菏泽自定义模板修改主要集中在矢量层、图例等内容。首先是矢量层，包括中国边界、县级行政区划、市级行政区划、湖泊、河流信息等。SMART可以提供基础矢量图层，但是为满足本地化的需求，还需要添加一些本地的矢量信息，而这部分矢量信息的制作和加载是模板本地化的关键。此外，还需要对图例中的图标、制作单位、矢量图例等内容进行修改。对模板修改完成之后点击专题图模板点击“保存”“另存为”，新的制图模板最好存放在LayoutTemplate文件夹下的自定义文件夹下面。值得注意的是加载自定义模板方式，要点击加载自定义模板，再点击专题图数据文件，才能将自定义模板加载成功。

3 存在的问题及改进措施

利用SMART系统生成的监测产品在实际服务过程中还存在一定问题，并不能完全满足服务需求，有待于进一步改进和完善，其中需要改进的方面主要有以下几点。

3.1 矢量图层的完善

SMART安装文件仅能提供基础的矢量图层，制作相关遥感监测产品需要相应的矢量图层。比如说监测农田植被指数需要菏泽市耕地的矢量图层；监测森林火情需要菏泽市森林植被的矢量图层；监测冬小麦苗情需要冬小麦播种面积矢量图层；监测夏玉米长势需要夏玉米播种面积矢量图层。这些精专的矢量图层是制作相关遥感监测产品所必需的。

3.2 监测产品的描述

极轨卫星遥感监测图制作出来之后，在服务过程中必须配一段文字对其进行解释和说明，如何对极轨卫星遥感监测图进行恰当的解释和说明，如何处理火情和干旱面积等敏感信息，还有待在实际工作中进一步总结。

3.3 监测模型参数和分级标准精读的验证

为了确保遥感监测平台中自带的监测模型参数对菏泽市的适用性，还必须结合地面观测数据等，开展精度验证和对比分析工作。

4 参考文献

[1] 宏观，张文建.我国气象卫星及其应用发展与展望[J].气象，2008，34（9）：1-9.

[2] 赵玉金，赵红.山东省气象卫星遥感应用开发系统[J].山东气象，2003，23（1）：25-26.

[3] 信志红，李刚，李峰. 基于MODIS数据的黄河口植被覆盖变化与气候因子相关性进行分析[J].贵州气象，2017，41（3）：24-29.

[4] 李峰，赵玉金，赵红，等.FY-3A/MERSI数据在山东省农田干旱监测中的应用[J].干旱气象，2014，32（1）：17-22.

[5] 樊景豪，张翠英，张斌.2013—2014年菏泽市冬小麦增产的农业气象条件分析[J].农业科技通讯，2015（12）：179-185.

[6] 极轨卫星遥感生态环境监测系统（RSAP）说明文档[Z].北京：北京华云星地通科技有限公司，2007.

[7] 赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京：科学出版社，2013：368.

[8] 徐拥军.基于FY3A/VIRR数据火情监测系统的设计与实现[D].北京：中国地质大学（北京），2007：23.

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