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【上海純水設備行業(yè)新聞】

干旱災害是國主要的自然災害之一。保守的旱情監(jiān)測方法主要依靠地面土壤墑情站，這種方法利息高、時效差，難以獲得大面積的旱情信息。衛(wèi)星遙感作為一種對地觀測手段，具有宏觀、經(jīng)濟、快速等特點，旱情監(jiān)測中具有明顯優(yōu)勢。

習近平總書記指出，發(fā)展新質生產(chǎn)力是推動高質量發(fā)展的內在要求和重要著力點。水利高質量發(fā)展新階段，迫切需要發(fā)展水利新質生產(chǎn)力。衛(wèi)星遙感具有高科技、高效能、高質量的明顯特征，發(fā)展水利新質生產(chǎn)力的重要引擎和有力抓手。水利部提出要建立“天空地”一體化水利感知網(wǎng)，其中“天”即衛(wèi)星遙感。近年來，國衛(wèi)星遙感快速發(fā)展，由陸地、氣象、海洋衛(wèi)星組成的對地觀測體系全面形成，具備高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、全天候對地觀測能力。隨著衛(wèi)星遙感技術發(fā)展，旱情遙感監(jiān)測也日趨完善，但由于干旱成災機理的復雜性以及衛(wèi)星遙感自身的局限性，目前旱情遙感監(jiān)測業(yè)務應用仍然面臨一些挑戰(zhàn)，多源遙感星地協(xié)同旱情監(jiān)測、精細化旱情綜合評估以及遙感、水文氣象耦合旱情預警是未來發(fā)展趨勢。

02新時期旱情監(jiān)測需求

國地處東亞季風區(qū)，氣候條件復雜，世界上遭受干旱災害最嚴重國家之一。據(jù)統(tǒng)計，1950年至2022年，國年均受旱面積1950.66萬hm2年均糧食損失1580.22萬t近年來，受氣候變暖影響，干旱災害愈發(fā)嚴重。如2022年710月，長江流域遭遇嚴重干旱，流域累計降雨量相比終年同期偏低39%旱情高峰時，影響范圍涉及十余個省份，作物受旱面積高達442.133萬hm2嚴重干旱導致農(nóng)作物減產(chǎn)、農(nóng)村飲水困難、生態(tài)退化，嚴重威脅糧食平安、飲水平安和生態(tài)安全，已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。

作為抗旱減災領域中的一項關鍵非工程性措施，旱情監(jiān)測具有極其重要的現(xiàn)實意義。開展精準的旱情監(jiān)測，不只可以提供實時、準確的旱情動態(tài)信息，而且有助于科學指導抗旱救災工作，優(yōu)化資源配置，提高抗旱管理的效率。多年來，水利和氣象等部門已經(jīng)建立起覆蓋雨情、水情、土壤濕度以及地下水等多個維度的基礎水文監(jiān)測站網(wǎng)，抗旱減災工作中發(fā)揮了舉足輕重的作用。然而，當前直接服務于抗旱監(jiān)測的旱情站點數(shù)量相對稀缺，并且布局不夠合理，難以形成一個既與抗旱管理體制相匹配、又能全面覆蓋全國的旱情信息采集網(wǎng)絡，一定水平上影響了抗旱減災工作的效率和準確性。以墑情站為例，據(jù)《2022年水利發(fā)展統(tǒng)計公報》全國墑情站有5102處，平均到每個縣不到2處，遠不能滿足抗旱工作的實際需要。精準實施旱情監(jiān)測，減輕旱災對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)發(fā)展以及民眾生活的沖擊，對保證經(jīng)濟社會的穩(wěn)定與可繼續(xù)發(fā)展具有不可忽視的重要作用。

新時期水利高質量發(fā)展對干旱災害防御工作提出四個精準要求，即“精準范圍、精準對象、精準時段、精準措施”具體到旱情監(jiān)測需求就是大范圍、高精度、高頻次、近實時。大范圍”指監(jiān)測范圍要達到一省乃至十余省，高精度”指監(jiān)測的精度要高，高頻次”指旱情發(fā)生時監(jiān)測頻次要達到一天一次，近實時”指旱情監(jiān)測要快速無延遲。面向新時期干旱災害精準防控要求，激進地面監(jiān)測站網(wǎng)已難以滿足需求，衛(wèi)星遙感與地面水文站網(wǎng)相結合，構建“天空地”一體化干旱監(jiān)測系統(tǒng)是發(fā)展趨勢。

03衛(wèi)星遙感及其特點

遙感即遙遠的感知，通過從遠距離感知目標反射或自身輻射的電磁波、可見光、紅外線，對目標進行探測和識別的技術。其中，衛(wèi)星遙感特指以人造地球衛(wèi)星為遙感平臺，對地球和低層大氣進行觀測的一門新型技術，具有觀測范圍廣、獲取信息量大、動態(tài)更新快等特點。

美國是目前世界上衛(wèi)星遙感最為先進的國家。1961年美國發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星，1972年和1978年又分別將首顆陸地衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星送入太空。美國還擁有連續(xù)40多年對地觀測歷史的Landsat系列衛(wèi)星，以及世界上首顆提供高分辨率影像的Ikono商業(yè)遙感衛(wèi)星、率先實現(xiàn)亞米級分辨率的QuickBird商業(yè)衛(wèi)星和目前商業(yè)遙感衛(wèi)星技術最高水平的WorldView系列。其他國家的遙感衛(wèi)星發(fā)展也十分迅速，例如法國的SPOT系列和Pleiad系列衛(wèi)星、意大利的Cosmo-Skym星座、德國的TerraSA R衛(wèi)星以及加拿大的Radarsat系列衛(wèi)星、日本的ALOS系列衛(wèi)星、俄羅斯的Resur衛(wèi)星等。

國在衛(wèi)星遙感領域的探索始于20世紀90年代。1988年，國成功發(fā)射了首顆氣象衛(wèi)星風云一號，這一里程碑式的事件標志著我國衛(wèi)星遙感技術的起點。隨后，1999年我國發(fā)射了第一顆數(shù)字傳輸型資源衛(wèi)星中巴地球資源衛(wèi)星01星。進入21世紀后，國衛(wèi)星遙感發(fā)展進入快車道，氣象、資源、海洋、環(huán)境減災、測繪等多個系列遙感衛(wèi)星星座逐漸形成。尤其是2010年后，國啟動了高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項，經(jīng)過多年的努力，已初步形成了高空間、高時間、高光譜分辨率的對地觀測體系。這一體系能夠在23天內實現(xiàn)對全國任意地區(qū)的有效覆蓋，極大提升了國的對地觀測能力。同時，國的商業(yè)遙感衛(wèi)星也在蓬勃發(fā)展。長光衛(wèi)星技術股份有限公司自主建設的吉林一號衛(wèi)星星座是全球最大的亞米級商業(yè)遙感衛(wèi)星星座，其一期工程由138顆光學衛(wèi)星組網(wǎng)，目前已完成發(fā)射108顆；二十一世紀空間技術應用股份有限公司勝利發(fā)射了北京”系列衛(wèi)星；中國四維測繪技術有限公司勝利發(fā)射了四維高景”系列衛(wèi)星；長沙天儀空間科技研究院有限公司和航天宏圖信息技術股份有限公司等制定了雷達遙感衛(wèi)星星座研制計劃。應該說，國的遙感衛(wèi)星盡管起步晚，但迎頭趕上，目前已處于世界先進水平。

作為一種新型對地觀測技術，衛(wèi)星遙感廣泛應用于災害監(jiān)測、資源調查、環(huán)境評估、軍事國防等領域。相對于激進地面站點觀測，衛(wèi)星遙感應用于旱情監(jiān)測具有監(jiān)測范圍廣、空間分辨率高、信息獲取實時性強和利息低廉等優(yōu)勢，可為干旱災害防御提供及時高效的信息服務。

04旱情遙感監(jiān)測進展

衛(wèi)星遙感技術既可以監(jiān)測農(nóng)作物分布及長勢、江河湖庫及其變化，又可以反演降水、土壤水、蒸散發(fā)等水循環(huán)要素，干旱監(jiān)測中作用廣泛。基于衛(wèi)星的旱情遙感監(jiān)測方法主要有遙感指數(shù)法、土壤含水量法、蒸散發(fā)法、水面面積距平法等。同時，面向旱情監(jiān)測業(yè)務需要，相關單位也開展了旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，并初步實現(xiàn)了業(yè)務化應用。

基于遙感指數(shù)的干旱監(jiān)測

遙感數(shù)據(jù)可以記錄不同波長下地物對電磁波的響應信息，因此常采用不同波段組合的方式構建差異化的遙感指數(shù)開展農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測。一般認為，干旱限制植物的光合作用，導致植被生長受限，植被指數(shù)下降；同時，植被會通過關閉氣孔減少蒸騰作用來應對干旱脅迫，這一生理反應通常會導致冠層溫度的升高?；诖?，采用衛(wèi)星遙感技術反演植被指數(shù)和冠層溫度，并與多年歷史同期數(shù)據(jù)進行對比分析，能夠較為準確地評估干旱的嚴重水平和時空分布特征。旱情遙感監(jiān)測領域，植被狀態(tài)指數(shù)、距平植被指數(shù)、溫度狀態(tài)指數(shù)以及植被健康指數(shù)等一系列指標被廣泛應用于干旱評估，這些指標提供了多樣化的干旱信息，有助于全面理解和分析干旱對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。此外，一些研究者基于歸一化植被指數(shù)和地表溫度散點圖所呈現(xiàn)的特定區(qū)域分布特征，提出了結合植被和溫度兩個關鍵因素的綜合植被-溫度干旱指數(shù)，為區(qū)域性農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測提供了新途徑。

基于土壤含水量反演的旱情遙感監(jiān)測

土壤含水量是農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測關鍵指標，土壤水分的不同含量會導致土壤外表光譜特性的變化，該類變化信息可以被遙感傳感器捕捉。通過分析土壤的光譜信息，可以建立土壤含水量與遙感參數(shù)之間的關系模型，進而實現(xiàn)對土壤含水量的監(jiān)測。

罕見的土壤含水量遙感反演方法有熱慣量法和植被指數(shù)-溫度特征空間法，基于光學遙感數(shù)據(jù)計算表觀熱慣量（ATI植被溫度特征指數(shù)（TVDI并基于地面實測墑情數(shù)據(jù)，構建ATITVDI與土壤含水量的關系，推算整個區(qū)域土壤含水量。近年來，隨著雷達衛(wèi)星遙感的發(fā)展，采用雷達遙感反演土壤含水量進而監(jiān)測旱情，引起越來越多的關注。相對于光學遙感反演土壤含水量，雷達遙感不受光照條件、云雨的限制，能夠全天時、全天候工作，且具有一定的穿透能力。雷達遙感反演土壤含水量原理是雷達后向散射系數(shù)受土壤的介電常數(shù)影響，而土壤的介電常數(shù)又與土壤含水量密切相關，罕見的雷達遙感反演土壤含水量模型包括經(jīng)驗模型、半經(jīng)驗模型和物理模型等。

總體上看，基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的土壤含水量反演仍面臨幾大挑戰(zhàn)，例如從基于地表溫度等數(shù)據(jù)的土壤含水量代理變量中解耦體積土壤水含量的需求、密集植被條件下反演精度的降低以及未定義的土壤深度代表性。

基于蒸散發(fā)反演的旱情遙感監(jiān)測

蒸散發(fā)是指地表水分從液態(tài)轉化為氣態(tài)并逸入大氣的過程，水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。蒸散發(fā)能夠直接反映地表的干濕狀況，通過監(jiān)測蒸散發(fā)量，可以了解地表水分的蒸發(fā)和散失情況，進而判斷地表是否處于干旱狀態(tài)。遙感監(jiān)測蒸散發(fā)主要基于地表溫度、植被指數(shù)等參量與蒸散發(fā)量之間的定量關系，結合地面觀測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，建立區(qū)域蒸散發(fā)估算模型，從而實現(xiàn)對蒸散發(fā)的監(jiān)測和估算。地表溫度可以提供地表水狀態(tài)的基本信息，植被根區(qū)的水分缺乏會導致植被受到壓力并增加冠層溫度，而土壤表層的水分消耗則會導致土壤迅速升溫，因此常被用于蒸散發(fā)反演。

過去40年里，地表溫度已在多種方式中被用于估算不同時間尺度發(fā)生的局部、區(qū)域或全球蒸散發(fā)量，涉及的方法包括以下三種：一是使用地表溫度絕對值替代空氣動力學溫度，通過能量平衡模型估算蒸散發(fā)；二是利用地表溫度的空間信息來估算簡化能量平衡模型中的土壤濕度或蒸發(fā)比，以減少溫度估算的偏差；三是通過多角度丈量從混合像元的地表溫度中分離出土壤和植被的溫度，并在雙源能量平衡模型下區(qū)分土壤蒸發(fā)和植被蒸騰。然而，遙感反演數(shù)據(jù)多為瞬時值，并且遙感影像會受到云量等氣象條件的影響，導致數(shù)據(jù)缺失或質量下降，因此在開展地表蒸散發(fā)監(jiān)測的過程中需考慮遙感數(shù)據(jù)自身質量等影響。

基于作物需水量的旱情監(jiān)測

作物在面臨水分脅迫時，其冠層溫度會隨之發(fā)生顯著變化。因此，結合可見光與熱紅外數(shù)據(jù)實現(xiàn)作物冠層含水量動態(tài)監(jiān)測，對評估農(nóng)業(yè)干旱水平尤為重要。其中，一種簡便而直接的方法是通過建立光譜指數(shù)與植被冠層含水量之間的回歸模型，來反演植被的含水量。另外，隨著機器學習算法在遙感領域的廣泛應用，多種非線性模型已被用于深入挖掘遙感影像中的多維光譜特征，以準確揭示其與植被含水量之間的復雜關系，提高了植被含水量反演的準確性，也為農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測和評估提供了更為可靠的技術支持。

然而，作物在水分虧缺發(fā)生后較短時間內就會出現(xiàn)缺水生理反應，這些反應能夠直接反映作物對干旱脅迫的敏感性和適應能力，因此需要開展精細時間尺度的作物生長監(jiān)測模型研究。例如，基于作物需水量和土壤供水日步長的干旱指數(shù)，能夠更為詳細地描述干旱脅迫對作物生長的具體影響，為農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測提供更為精準的信息；為更全面地理解干旱脅迫對作物生長的影響，基于過程的作物生長模型被廣泛應用。上述模型將作物特性、土壤特性和環(huán)境條件相結合，通過模擬作物生長和產(chǎn)量形成過程捕獲作物生理學和水耗竭之間的響應。近年來，如AquaCrop模型和SA FY-WB模型等能夠模擬作物干旱脅迫狀態(tài)的作物生長模型受到廣泛關注。

遙感數(shù)據(jù)提供了廣泛的地面覆蓋和快速的數(shù)據(jù)更新能力，而作物生長模型則能夠深入解析作物對干旱脅迫的生理響應和產(chǎn)量影響。因此，相比單獨使用遙感干旱指數(shù)，將作物生長模型與遙感數(shù)據(jù)相結合進行農(nóng)業(yè)干旱脅迫監(jiān)測，有助于提高農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測的準確性和實用性，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更為有效的決策支持。

基于水面面積變化的旱情遙感監(jiān)測

干旱發(fā)生時，高溫蒸發(fā)會導致坑塘湖庫水面面積縮小，因此地表水體面積變化是旱情變化的重要指示因子。衛(wèi)星遙感技術可以通過連續(xù)動態(tài)監(jiān)測江河湖庫等地表水體，獲取地表水體變化情況，通過分析區(qū)域水體面積變化率/典型水體變化率與區(qū)域旱情等級的相關性，實現(xiàn)旱情的衛(wèi)星遙感監(jiān)測。

目前，基于水體面積變化的旱情監(jiān)測研究難點在于如何建立水體面積與旱情等級之間的定量關系。根據(jù)研究對象的不同，可以將基于水體面積變化的旱情監(jiān)測研究劃分為兩類：基于區(qū)域水面面積變化的旱情評價和基于典型水體水面面積變化的旱情評價。其中，基于區(qū)域水面面積變化的旱情評價難點在于對旱情等級的量化，因此需要依據(jù)不同干旱類型整合、提煉不同的干旱指標?；诘湫退w水面面積變化的旱情評價難點在于需要選取代表區(qū)域旱情的典型水體并依據(jù)不同干旱類型提煉不同旱情指標。

旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

國內相關科研單位自20世紀末陸續(xù)開展了旱情遙感監(jiān)測軟件研發(fā)與旱情遙感監(jiān)測產(chǎn)品業(yè)務化生產(chǎn)。例如，水利部遙感技術應用中心依托國家防汛指揮系統(tǒng)二期工程，研發(fā)了全國旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)、區(qū)域旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)、基于水體變化的旱情監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了全國旱情監(jiān)測產(chǎn)品逐周生產(chǎn)、區(qū)域旱情13天應急快速監(jiān)測及逐月區(qū)域水體監(jiān)測產(chǎn)品的生產(chǎn)；國家衛(wèi)星氣象中心建立了基于熱慣量法和相對蒸散法的衛(wèi)星監(jiān)測分析與遙感應用系統(tǒng)，可以依據(jù)重大干旱事件模式根據(jù)旱情變化情況提供監(jiān)測效果；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遙感中心研發(fā)了農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測業(yè)務系統(tǒng)，可以基于不同地區(qū)的地域條件差別，采用熱慣量法、植被供水指數(shù)法、作物缺水指數(shù)法等開展旱情監(jiān)測。

05未來展望

經(jīng)過多年的發(fā)展，國旱情遙感監(jiān)測技術取得了顯著進步，特別是面向實際業(yè)務需求的旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)上，已初步實現(xiàn)了業(yè)務化運作，并在抗旱減災工作中展現(xiàn)出了不可或缺的重要性。然而，鑒于干旱災害的形成機理錯綜復雜，當前的旱情遙感監(jiān)測在模型精度、評估精細化水平以及產(chǎn)品穩(wěn)定性等方面仍待進一步提升完善。未來旱情遙感監(jiān)測技術發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

天空地”一體化多源遙感協(xié)同旱情監(jiān)測

進入21世紀以來，綜合性高分辨率對地觀測系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，歐美等國家已構建了天空地”一體化的高分辨率對地觀測體系，對地觀測的限制條件越來越少，數(shù)據(jù)獲取更加快捷方便，信息更新能力大大提升，應用深度和廣度均得到極大拓展。以衛(wèi)星遙感為全球影像基準的主要資源，綜合小衛(wèi)星星座、超高分無人機系統(tǒng)、各類地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)絡等“天空地”一體化的全球觀測運行平臺已然構筑形成，立體觀測、實時感知、時空協(xié)同的新型遙感正實現(xiàn)對地球表層的全方位、精細化、繼續(xù)性觀測，構建“天空地”一體化的綜合立體監(jiān)測網(wǎng)，將極大地增強旱情遙感監(jiān)測的實時服務能力。

基于地塊的旱情精細化評估

遙感大數(shù)據(jù)時代，為更好服務經(jīng)濟社會高質量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境高水平保護，深度挖掘遙感數(shù)據(jù)價值是社會前進的迫切需求。目前開展的旱情監(jiān)測往往采用公里級甚至更粗的空間單元，難以實現(xiàn)精細化旱情監(jiān)測。因此，如何使用多分辨率、多類型遙感大數(shù)據(jù)提取精細化的土地覆蓋信息，實現(xiàn)精細化旱情遙感監(jiān)測及災情評估等應用無法回避的難點。

耦合遙感、水文、氣象的旱情預警

衛(wèi)星遙感監(jiān)測存在時空不連續(xù)問題，難以全面系統(tǒng)監(jiān)測干旱的動態(tài)過程，并對未來旱情作出科學研判。因此，構建流域陸面水文模型，并利用氣象預報信息作為驅動、衛(wèi)星遙感監(jiān)測結果作為模型驗證，模擬干旱動態(tài)過程以及未來發(fā)展趨勢，遙感、水文、氣象的耦合，可以更好地支撐旱情精準監(jiān)測與科學預警。

旱情監(jiān)測綜合模型及業(yè)務系統(tǒng)研發(fā)

基于衛(wèi)星遙感反演的氣象、水文、農(nóng)業(yè)等相關指標，結合灌溉、作物種植結構等信息，分析不同地理條件、地表覆蓋類型、植被生長季等因素對干旱的響應情況，建立一套差異化的旱情監(jiān)測綜合模型，并研發(fā)相應系統(tǒng)，實現(xiàn)旱情監(jiān)測業(yè)務化和工程化。