航天時代陸地衛星在水資源探測領域的應用與發展

航天時代陸地衛星在水資源探測領域的應用與發展

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

關鍵詞：水資源管理；水資源分配；環境監測；陸地衛星；應用；美國

1美國陸地衛星9號計劃

美國航空航天局聯合美國地質調查局的下一個太空任務計劃將于2023年開始實施。陸地衛星9號作為最新的對地觀測衛星，將在記錄地表影像方面繼續發揮關鍵作用，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、生態系統健康及水資源利用等進行觀測。自1972年起，陸地衛星計劃就一直為地球地表覆蓋研究提供準確的測量數據。地球資源技術衛星(后更名為陸地衛星)的發射，開啟了一個衛星群的時代，人類通過衛星不斷獲取基于航空的地表遙感數據。美國航空航天局稱，陸地衛星利用太空優勢，通過長期觀測數據來觀察和研究地球上相互聯系的自然系統，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共享，共同探知地球發生的變化。

2陸地衛星的特點、應用及前景

根據陸地衛星提供的資料，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百萬人。可以利用陸地衛星提供的大量數據進行水源地定位、水污染評估、流域管理和水資源配置等。如今，陸地衛星已被視為人類在太空中的眼睛，用于監測地球表面變化。

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，目前的陸地衛星計劃已經服役了幾十年，作為可持續的土地成像計劃的一部分，用以在未來繼續為國家服務，美國航空航天局和美國地質調查局十分重視陸地衛星9號項目。鑒于地球長期的環境變化，陸地衛星在現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的觀測數據支持，所以陸地衛星9號的設計將會在很大程度上與陸地衛星8號相似。9號衛星將攜帶兩臺儀器：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，與陸地衛星計劃中的前7顆衛星相比，陸地衛星9號能夠探測更多的強度變化。

美國航空航天局將負責衛星的建造、發射，初始檢查和試運行工作；美國地質調查局將負責陸地衛星9號的運行，并進行數據處理、歸檔及無償共享。

美國地調局氣候和土地使用變化副主任沙拉·萊克(Sarah Ryker) 表示，陸地衛星是一項非常成功的合作項目。由于被很多經濟部門和研究領域廣泛使用，白宮已將全球定位系統、氣象衛星和陸地衛星確定為3種非常重要的民用繞地衛星。對于自然科學和數據驅動行業來說，開發陸地衛星9號并長期致力于可持續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星9號項目的科學家杰佛里·馬泰克(Jeffrey Masek)表示，陸地衛星9號將在2023年發射，并將與過去50 a一樣，繼續收集全球土地覆蓋數據。陸地衛星的特點是：衛星觀測地球的時間越長，能觀察到并了解的現象便越多。在過去的幾十年，人類活動和自然環境改變產生的壓力使土地利用發生了變化。 馬泰克同時補充道，僅僅增加一個衛星遠遠不夠，陸地衛星應該是一個長期的監測項目，就像氣象衛星那樣，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，陸地衛星是一種用途廣泛的寶貴工具。比如，它的數據可以幫助環境管理人員限制污染物從集水區排向航道。

美國地質調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。如果沒有陸地衛星數據作為基礎信息，就無法真正搞清楚切薩皮克灣營養物質和沉積物的來源變化及其具體位置。

同時，可以利用這些衛星數據監測并預報藻類爆發。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生轉換，從增加水源供應轉換為在可持續利用的水平上，對水資源利用進行創新性管理。在美國，灌溉用水占到淡水使用量的80%，利用陸地衛星數據，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月發布的一項研究中，陸地衛星數據被用來分析懷俄明州西北部某流域。研究表明，該地區融雪季節的結束時間比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業，使森林火災發生時間更早、發生次數更頻繁，引起生態系統變化并產生其他影響。

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)流經區域海拔非常高，且冰雪覆蓋面較大，融雪季節結束時間的提前影響懷俄明州大部分地區水資源，而該地區自1999年起一直處于干旱狀態。

霍爾和她的同事通過對1972～2013年間1 000多幅陸地衛星影像進行分類，制作了227幅降雪圖。基于這些衛星數據，科學家們能夠對積雪覆蓋變化進行直接測量。

最近，陸地衛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。基于美國-墨西哥的“319分鐘”協議對科羅拉多河的水資源分配進行管理。作為該協議的一部分，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”協議之前，也曾利用遙感數據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星8號和其他衛星數據繼續研究2014年人造洪水產生的影響。

4在生態系統及其他方面的應用

美國航空航天局陸地衛星8號項目科學家吉姆·艾恩思(Jim Irons)表示，陸地衛星數據非常適合用于協助人們在生態系統健康、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據，以研究一項政策是如何改變地表形態的，他表示，具有連續性的數據非常重要，這樣一來，一旦做出泄洪決策，就能有一個系統來評估其影響。

研究水文和生物效應的“319分鐘”科學團隊的聯合首席科學家，卡爾·付雷莎(Karl Flessa)補充道，通過遙感衛星，如陸地衛星，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，科學家將繼續監測科羅拉多三角洲下游的植被和脈沖流產生的水文效應。通過使用收集來自地面和衛星的最新數據，研究人員調查了植被和脈沖流對地下水的長期影響，并將繼續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談判的關鍵，而對于水資源管理者來說，陸地衛星不可或缺。陸地衛星豐富的歷史影像資料對于解決水權糾紛十分重要。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、非專有的陸地衛星數據。這意味著對于糾紛中的各方來說，每一方獲取的數據都是經過了相同的處理，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