氣象極軌衛星在臨汾市農業氣象服務中的應用

樊瑞瑞，魏志琦

（1.臨汾市氣象局，山西 臨汾 041000；2臨汾市農業機械發展中心，山西 臨汾 041000）

氣象衛星遙感具備了視點高、視域廣、數據采集快、探測項目多、迅速反映動態變化、成圖迅速、成本低等優勢，具有傳統調查方法無法比擬的優勢。衛星遙感技術可以用做天氣預報、氣候變化監測、農作物長勢監測、自然災害監測、大氣環境監測、航空航天、軍事活動氣象保障等多個方面，為政府決策提供科學準確的信息支撐，增強應對氣候變化和防災減災的能力。在農業服務方面，衛星遙感技術能為防旱抗澇、科學灌溉、病蟲害及凍害監測、產量評估提供科學的決策依據。通過對衛星遙感數據的接收、處理、分析、加工，可以為土壤墑情監測、農作物長勢監測、農作物估產、生態植被監測、土地利用等方面，提供多項面向地方需求的實時遙感應用服務產品。

1 資料來源

本研究所用的氣象極軌衛星數據均來自臨汾市風三利用站。主要采用了風云三號（FY-3）氣象極軌衛星的中分辨率光譜成像儀（MERSI）的遙感數據以及AQUA/TERRA 氣象極軌衛星的中分辨率成像光譜儀（MODIS）的遙感數據。風云三號氣象極軌衛星是我國第二代極軌氣象衛星，空間分辨率最高可達250 m，每顆氣象極軌衛星可實現1～2 次/d 的觀測。

2 研究方法

2.1 歸一化植被指數

由于植物的葉面對太陽紅光具有很強的吸收作用，但是對太陽近紅外光有很強的反射作用，因此，在遙感中可以根據該原理定性和定量評價植被覆蓋程度及植被的生長活力。將遙感衛星的紅光波段和紅外波段數據進行組合，發現這些組合對植被覆蓋和活力的監測有很好的效果，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[1]。由于極軌衛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，根據這2個通道的反射率可以提取出植被指數，再利用植被指數可以定量的表征植被的活力。

目前已經有40多種植被指數被用于植被監測，其中應用最廣的是歸一化植被指數（NDVI）。臨汾市位于干旱、半干旱地區，屬于低密度植被覆蓋區，比較合適采用NDVI研究植被的生長狀態。NDVI的計算公式為：

式中：CH1、CH2——極軌氣象衛星第一通道、第二通道的反射率。

由于衛星遙感數據在實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高度角和衛星視角的影響，可以取一10 d內最大的植被指數來進行研究。

2.2 植被供水指數

干旱是農業最主要的災害之一。傳統的土壤水分監測方法是采用稱重法、中子儀探測法等，其缺點在于觀測點少、代表性不足，不能精準、大范圍地實現干旱監測。衛星遙感技術可以通過監測土壤水分含量和分布情況對農業生產提供技術支撐，彌補了傳統監測方法的不足，其時間和空間分辨率較高，可以快速及時地更新數據，實現干旱的動態監測。

衛星遙感監測農業干旱主要采用植被供水指數（VSWI）法。由前文可知，采用和極軌氣象衛星紅光波段和近紅外波段的反射光譜數據組合可以計算得到歸一化植被指數（NDVI）。當出現干旱時，土壤水分含量減少，植被供水不足，植被的生長受到影響，植被指數將降低；同時由于植被的葉面沒有充足的水分供應植被的蒸騰作用，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星的第四、五通道觀測得到。因此，使用極軌衛星的第一、二、四、五通道的數據可以計算得到植被供水指數，從而實現干旱的動態監測。VSWI的計算公式為：

式中：NDVI——歸一化植被指數，T——衛星遙感到的植被冠層溫度。

3 服務產品

通過歸一化植被指數、植被供水指數等方法，可以對植被長勢、農作物長勢以及農業干旱等方面進行實時監測。下面以2022 年3 月—4 月為例，展現遙感技術在氣象服務中的具體應用。

3.1 植被監測

植被監測主要采用歸一化植被指數的方法動態監測全市植被生長狀況。利用極軌氣象衛星FY3D/MERSI遙感數據對臨汾市3 月植被長勢進行監測（見圖1），結果顯示：臨汾市全市植被指數較低，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，山區的植被覆蓋較少，其中平川盆地南部植被指數在0.4～0.7，植被覆蓋較高。

圖1 2022年3月臨汾市植被指數監測圖Fig.1 The vegetation index monitoring map of Linfen City in March 2022

3.2 作物長勢監測

作物長勢監測是農業遙感的一項重要功能，衛星遙感可以對農作物生長全過程的狀況和變化規律進行動態監測。在過去農作物的長勢監測主要依靠人工觀測，效率不高，衛星遙感技術可以彌補這方面的不足。通過遙感手段對作物長勢進行監測，可以反映臨汾市農作物在不同階段的生長狀態，再結合相關氣象要素的變化，可以更為精準地對農業生產活動做出分析判斷，并進行作物產量評估。

作物長勢監測實質上就是對植被長勢的監測。植被指數和農作物的面積以及農作物長勢有關。當農作物的種植面積一定時，植被指數則反映出農作物長勢情況，因此可以建立二者之間的關系[5]。綜上，可以采用NDVI來定量評估農作物的生長狀態。

臨汾市主要農作物為小麥和玉米，以冬小麥為例，臨汾市冬小麥主要種植區域為平川地區。4 月中旬，臨汾市大部分地區冬小麥處于孕穗期，從衛星遙感植被指數監測結果（見圖2）顯示：臨汾盆地麥區大部NDVI 在0.4～0.5，長勢較好，臨汾北部、臨汾東山局部地區NDVI低于0.3，長勢相對較差。

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

3.3 農業干旱監測

臨汾市氣象局有17個土壤墑情監測站，但就全市范圍而言，由于土壤墑情站點數量較少，并且分布不均，大范圍干旱監測存在較大難度，同時監測時段有限制，難以全年進行監測，因此，使用衛星遙感對土壤墑情監測十分必要。采用2022 年4 月中旬的極軌氣象衛星的遙感監測數據，計算出植被供水指數，制作出農業干旱監測圖（見圖3）。由于植被供水指數法沒有相應的干旱等級分級標準，根據臨汾市多年的實際干旱分布情況，本文采用了山西省氣候中心的旱情分級標準。從圖3 可以看出，4 月中旬臨汾市大部分地區墑情基本適宜，平川地區出現了輕到重度干旱，尤其是在平川南部地區，出現重度干旱。

圖3 2022年4月中旬氣象衛星農業干旱監測圖Fig.3 The meteorological Satellite agricultural drought monitoring map in mid April 2022

4 結語

綜上所述，使用衛星遙感數據，進行植被、農作物長勢、農業干旱的實時監測切實可行。隨著我國遙感技術的提高，氣象極軌衛星的時間和空間分辨率也在不斷提高，再加之算法的不斷改進，實時監測的精度和時效性都將會得到進一步提升。隨著社會的進步，農業氣象服務需要更加精細化和多樣化，遙感技術可以豐富傳統的農業氣象服務手段，并彌補其不足，為氣象防災減災提供科學依據，對農民增產增收、農業生產活動起到重要作用，為鄉村振興事業提供堅實的技術支撐。