气象雷达与卫星遥感在农业方面的应用

第一篇：气象雷达与卫星遥感在农业方面的应用

气象雷达与卫星遥感在农业方面的应用

摘要：随着时代的进步，科技的发展，气象雷达与卫星遥感在不同领域都发挥着巨大的作用。农业遥感对世界许多国家的农业生产、粮食安全、进出口调整、农业政策及计划制度、以及保护国家利益等方面都起到了巨大的作用。

关键字：气象雷达，遥感技术

一、气象雷达

1、气象雷达的工作原理

雷达发射机产生电磁能量，雷达天线将电磁能量集中形成向某一方向传播的波，由雷达

4天线以电磁波的方式辐射出去，电磁能在大气中以光速（29.98×10km/s）传播。当传播着的电磁波遇到了目标物后便产生散射波，而且这种散射波分布在目标周围的各个方向上。其中有一部分沿着与辐射波相反的路径传播到雷达的接收天线，被接收的这一部分散射能量，称为目标的后向散射，也就是回波信号，对这种回波信号的检测可以确定目标的空间位置。雷达是用测量回波信号的延迟时间来测量距离的。假设目标离开雷达的斜距用R表示，则发射信号在R距离上往返两次经历的时间用Δt表示，目标的斜距R便可由下式给出（1/2）cΔt，其中c为光速。雷达测量目标的方位角和仰角是依靠天线的定向作用去完成的，它辐射的电磁波能量只集中在一个极狭小的角度内。空间上任一目标的方位角和仰角，都可以用定向天线辐射的电磁波束的最大值（即波束的轴向）来对准目标，同时接收目标的回波信号，这时天线所指的方位角和仰角便是目标的方位角和仰角。雷达天线装在传动系统上，可以固定方位角而在仰角范围内扫描，或固定仰角而在方位角范围内扫描，从而可以得到各个方向和探测距离内目标的信息。

世界上最高的气象探测站

2、气象雷达的组成

典型的气象雷达的主要由发射系统、天线系统、接收系统、信号处理器和显示系统等部分组成。电子线路组成部分见下图

3、气象雷达在农业方面的应用

无论是农业气象监测、农业气象情报、农业气象灾害防御，农业气候区划及资源开发利用、农作物产量预报等方面，我国气象工作者都开展了大量卓有成效的工作，为保障和促进我国农业生产做出了显著贡献。农业气象业务已成为现代气象业务体系中最重要的领域，而我国基层的气象为农服务又是其中最基础、最不可或缺的部分

在实施人工增雨(雪)、人工防雹及森林灭火中,采用雷达进行时实天气跟踪探测,可以有效监测云雨过程的发生和演变规律[1],是不可缺少的重要工具。目前,随着气候变暖,灾害性天气,如冰雹、洪水、干旱和森林火灾等时有发生。在气象应急服务时,快速应对异常天气变化,及时准确地提供

二、卫星遥感

1、遥感技术在国际农业上的应用状况

在农田信息采集和服务方面充分应用了卫星遥感系统。

1）在农业资源清查、核算、评估与监测方面．遥感系统强大的图形分析与制作功能，可编绘出土地利用现状图、植被分布图、地形地貌图、水系图、气候图、交通规划图等一系列社会经济指标统计图，也可进行多种专题图的重叠而获得综合信息．实现对具有时空变化特点的农业资源存量和价值量的测算以及资源现状、潜力和质量的客观评估．从而真实反映农业资源状况，为科学利用和管理农业资源提供强有力的决策依据。

2）在农业区划方面，遥感系统通过构建区划模型，进行不同区划方案空间过程动态模拟与评价，可使农业区划从野外调查、资料收集、信息处理、计算模拟、目标决策、规划成图到监督实施全过程实现现代化。

3）在土地资源与土地利用研究方面，遥感系统能方便获取资源数量和质量变化，提供研究区域土地面积、土壤特性、地形、地貌、水文、植被及社会、经济及自然环境的真实信息，直观反映土地利用现状、利用条件、开发利用特点和动态变化规律。

年降水量分布图

4）在作物估产与长势监测方面，遥感系统多时相影像信息．可反映出宏观植被生长发育的节律特征，可通过对各种数据信息空间分析，识别作物类型，统计量算播种面积，分析作物生长过程中自身态势和生长环境的变化，构建不同条件下作物生长模型和多种估产模式，根据各种模型预估作物产量。

5）在农业灾害预警及应急反应方面，遥感系统可追踪害虫群集密集、飞行状况、生活习性及迁移方向等．通过分析处理，可给出农作物病虫害发生图、分布图及可能蔓延区图，为防虫治害提供及时、准确、直观的决策依据。另外，可实现洪涝灾、旱灾、水土污染等农业重大灾害预测预报、灾情演变趋势模拟和灾情变化动态、灾情损失估算等，为防灾、抗灾、救灾预警及应急措施提供准确的决策信息。

6）在农业环境监测和管理方面，遥感系统能够对农业资源环境质量变化进行动态监测，及时发现情况进行预警：能够建立农业资源环境空间数据库，管理、分析和处理环境数据，高效汇总、汲取有用的决策信息；能够建立若干环境污染模型，模拟区域农业资源环境污染演变状况及发展趋势。

农业气象与遥感监测

2、遥感技术展望

1）高光谱传感器的应用

美国目前正在对高光谱传感器进行矿产、油气、环境及农业等4大领域的应用试验。人们希望通过高光谱遥感数据对主要作物生物化学参数的高光谱遥感监测以及设计水稻、棉花和玉米不同播种期处理的试验．获取不同生育期的生物化学和相应的高光谱反射数据．分析和研究这些作物在不同发育期的高光谱反射特征及其与生物化学参数的关系．确定能反映它们生物化学参数的高光谱遥感敏感波段：提取对应不同生物化学参数的高光谱遥感特征参数：摸索不同生物化学参数的高光谱遥感监测方法．建立其估算模型。高光谱和超高光谱传感器的研制和应用．将是未来遥感技术发展的重要方向。

2）发展新的遥感信息模型

遥感信息模型是遥感应用深入发展的关键．应用遥感信息模型．可计算和反演对实际应用非常有价值的农业参数。在过去几年中．尽管人们发展了许多遥感信息模型，如绿度指数模型、作物估产模型、农田蒸散估算模型、土壤水分监测模型、干旱指数模型及温度指数模型等．但远不能满足当前遥感应用的需要．因此发展新的遥感信息模型仍然是当前遥感技术研究的前沿。如收集整理前人大量研究结果．进一步分析明确决定水稻品质的主要生化组分及其与品种和环境条件之间的关系．建立植株叶绿素、氮素及水分等主要环境因子与籽粒蛋白、淀粉特性相关的农学机理和模型．着重研究水稻营养器官碳氮库、碳氮运转效率与籽粒品质指标间的关系；构建水稻品质特征光谱参量识别模型、光谱反演模型和水稻品质光谱数据库．建立基于光谱数据库的多尺度(光谱、空间、时间)、多平台(地面平台、卫星平台)水稻品质遥感信息模拟与评价模型：建立农学模型与遥感模型之间的链接模型．开发出具有预测预报功能的水稻品质光谱和卫星监测信息系统。并以优质高效为目标．建立基于遥感信息的调优栽培体系及预测预报系统。

3）综合应用遥感技术防治病虫害

对全世界的蝗虫主要源地．利用陆地卫星监测滋生状况．利用航空雷达追踪飞蝗路径．利用气象卫星确定风向界面．加以围堵歼灭。综合应用遥感技术防治病虫害．对我国西部经济开发．东部湿地保护．都是大有作为的应用新领域。4）微波遥感技术

微波遥感技术是当前国际遥感技术发展重点之一，其全天候性、穿透性和纹理特性是其他遥感方法不具备的。利用这些特性对解决海况监测．恶劣气象条件下的灾害监测以及冰雪覆盖区、云雾覆盖区、松散层掩盖区及国土资源勘查等将有重大作用。

总之．近年来遥感技术越来越受到各国的普遍重视．世界遥感技术面临着突飞猛进的发展．新的传感器将使遥感技术应用的领域进一步拓宽．监测精度不断提高．新的遥感处理软件将使科技人员的工作效率大大提高．使综合使用各种遥感资料变为可能。随着人们对遥感技术的重视进一步提高．遥感技术在农业上将得到更加广泛的应用。

三、总结

农业是国民经济的基础，农业生产和气象条件有着非常密切的关系，特别是北方地区旱涝、风暴等气象灾害对农业生产影响很严重，同时农村又是遭受气象灾害最为严重的地区。加快发展现代农业，建设社会主义新农村，保障粮食生产，气象服务在其中具有重要作用。同时，还必须重视合理利用气候资源，强化气象科技的支撑，面对新农场建设的需求，必须完善农业气象服务体系和农村气象灾害防御体系，大力发展农村公共气象服务，充分发挥气象在防灾减灾、应对气侯变化和利用气候资源中的作用，有效防御气象灾害，确保农业增产、农民增收。

参考资料：

1、百度百科，《气象雷达》

2、百度百科，《卫星遥感》

3、杨淑芳，《农业展望》，2008

第二篇：遥感在气象中的应用

遥感在气象中的应用

与传统温、压、湿、风等常规观测手段不同，遥感不仅是一项涉及观测的技术，更是一门涉及综合性探测的科学。遥感中的科学与技术交织在一起，遥感科学是遥感技术发展的先导，遥感技术反过来又促进遥感科学的深入。遥感借助辐射测量技术，通过科学算法反演出能够准确反映大气、陆地和海洋状态的各种物理和生态参量，科学与技术的独特结合方式为遥感学科的发展提供了强大的可持续发展生命力。

国际及我国卫星遥感应用

自1960年第一颗气象卫星升空以来，气象卫星无论是在科学上还是在技术上都有了很大的发展，卫星轨道从低轨道（极地轨道）发展到高轨道（静止轨道），卫星探测器从可将光、红外发展到紫外、微波，卫星拥有国包括美国、欧洲、日本、中国、俄罗斯、印度等国家，韩国也在着手落实自己的卫星发展计划。随着气象卫星探测技术的发展和科学研究的深入，遥感集市在应用上取得了辉煌的成就。

我国气象卫星遥感应用经历了从单纯接收国外卫星资料、学习国外卫星遥感技术到建立我国自己的气象卫星观测体系的发展过程。从1970年启动气象卫星发展计划开始到现在，我们独立自主地建设了极轨和静止气象卫星对地观测系统。成为继美国、俄罗斯之后、同时拥有极轨和静止轨道气象卫星观测能力的国家。不仅如此，我们的风云一号C星和D星还具有全球观测能力，可以在24小时内获取全球陆地和海洋遥感数据。

卫星工程建设为卫星应用奠定了坚实的基础，国民经济的需求又促进了遥感应用服务的快速发展。从二十世纪七十年代以来，气象卫星遥感资料在我国气象、海洋、水文、航空、航海、农业、林业、牧业、渔业、环境保护、石油、军事等领域发挥了重要作用。

遥感的气象应用分类 天气气候

气温、降水

卫星可见光云图可以监测热带气旋以及云团的移动趋势，一般白色表示太阳光反射强，灰黑的地方表示反射较弱。一般陆地表现为灰色，海洋表现为黑色，而冰雪和深厚云系覆盖的地区一般呈白色。用红外探测器可以计算各地晴空大气

温度和湿度的铅直分布。微波辐射仪，可以探测云上和云下的大气温度和湿度的分布，以及云中含水总量和雨强的分布。

 雾

遥感对大雾监测也非常有效，通过卫星遥感，实时监测各地雾情的变化，便于发出天气预警和作出决策。利用卫星遥感监测大雾具有及时、宏观的明显优势。图像纹理信息反映了图像的灰度性质及其空间关系。通过对雾的成因、辐射特性、雾遥感基本原理的阐述，结合中国FY-1D美/国NOAA系列极轨卫星资料通道特点，分析雾的图像纹理信息，并依据雾在可见光波段和中红外波段与云类不同的光谱特性，选用不同的光谱通道进行大雾监测。

 气候变化

利用遥感技术可以对气候变化因子进行有效监测，可以对大范围区域进行气候的异常监测，热红外遥感可以利用热红外探测器收集、记录地物辐射的热红外辐射信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数（如温度、发射率、湿度、热惯量等），包括季节到年际气候预测--提高瞬时短期气候异常变化的时间和空间预报准确性；长期气候变化--决定长期气候变化及其趋势的机理和因素以及人类活动的影响研究

大气监测

 气溶胶

气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。遥感可以对气溶胶监测从而对气候做分析，监测气溶胶的厚度、浓度、成分、属性等信息。气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。

灾害监测

 海冰

我国的渤海和黄海北部每年冬季都会发生结冰，结冰程度直接影响海上油气资源的开发、交通运输、港口海岸工程作业等。利用可见光和红外通道资料，结合海冰的光

谱特征，可以进行冰水识别和海冰信息提取，获取海冰分布范围、面积、冰型、密集度、外缘线等信息。地球两极有将近3000万平方公里的面积被海冰覆盖，极低海冰监测队极低海域的航道设计和海上航行安全保证非常重要。利用卫星的微波辐射计和散射计以及SAR数据，可以获取极地区域海冰分布和变化情况。

 凌汛

卫星遥感监测凌汛主要依据不同地物的光谱响应特征不同。在近红外波段，洁净水体的反射率远比土壤和植被的反射率低，所以在卫星图像上可以很容易地区分水体和非水体的界限。像黄河这样泥沙含量较高的水体，其反射率的最大值移向可见光波段，但仍比土壤和植被为低。这样，在卫星图像上就能够将发生凌汛的地点及其区域判读出来，进而可以根据像元数估算淹没范围和面积。

 干旱

通过遥感手段可以获取地表蒸发量、作物表面温度、土壤热容量、土壤水分含量、植物水分胁迫及叶片含水量等 , 对作物生长的土壤含水状况、作物缺水或供水状况、植被指数等指标所反映的作物生长状况的分析 ,间接或直接地对作物旱情进行研究。

目前比较成熟的遥感旱情监测模型有：植被指数模型、热惯量模型、作物缺水指数模型、植被指数与地表温度特征空间模型、微波模型、水文模型和气象模型等。 沙尘暴

研究表明,我国区域的沙尘暴与某些低云亮温接近，但反射率不同。西北某些裸露地表与沙尘暴反射率接近，但其亮温却不同。所以，沙尘暴的监测就是利用其与云系、地表反射率及辐射率的差异进行的。目前，利用可见光和红外多光谱卫星通道信息判别沙尘暴仍是较好的方法之一，而夜间还难以进行沙尘暴的观测。 火灾

地面物体都通过电磁波向外放射辐射能，不同波长的辐射率是不同的，通常，温度升高时，辐射峰值波长移向短波方向。从气象卫星监测到的火灾发生前后来看，当地表处于常温时，辐射峰值在传感器的、通道的波长范围，而当地面出现火点等高温目标时 ,其峰值就移向通道，使通道的辐射率增大数百倍，利用这一原理，通过连续不断地观测，就可以及时发现火点。当火灾发生后，可以通过卫星接收到的彩色图象获取火灾现场情况和过火面积，以便客观、准确评估火灾损失，组织救灾。

MODIS全球自然火灾遥感影像

 台风

加强台风的监测和预报，是减轻台风灾害的重要的措施。对台风的探测主要是利用气象卫星。在卫星云图上，能清晰地看见台风的存在和大小。利用遥感集市上的卫星影像可以确定台风中心的位置，估计台风强度，监测台风移动方向和速度，以及狂风暴雨出现的地区等，对防止和减轻台风灾害起着关键作用。

第三篇：遥感卫星技术及应用课程简介

《遥感卫星技术及应用》课程简介

本课程主要讲述卫星遥感的概念、遥感技术发展的历史、介绍遥感的物理基础、不同遥感平台及其技术特点，分类介绍陆地遥感、气象遥感以及海洋遥感的历史与技术特点及其发展趋势，着重介绍。应用方面主要讲述光学遥感和雷达遥感在定量化遥感领域的应用。

教学大纲

第一章 遥感技术绪论

遥感技术的定义

卫星遥感技术研究内容

遥感技术的发展历史

遥感技术的特点

遥感技术系统组成遥感在地学中的作用和意义

遥感的应用概述

第二章 卫星应用基本知识

卫星应用中常用的时间系统

卫星应用中常用的坐标系统

卫星发射概述

卫星返回简介

轨道分类

轨道要素

卫星的星下点轨迹

卫星对地面的覆盖

第三章 电磁辐射与地物光谱特征

电磁波

太阳辐射及大气对辐射的影响

地球的辐射与地物波谱

大气传输模型

环境对地物光谱特性的影响

第四章 主要卫星介绍

气象卫星（6颗）

陆地资源卫星系列（8颗）

微波遥感卫星系列（4颗）

星座系列

第五章 遥感技术的应用

农业

灾害监测

环境监测

第四篇：卫星遥感-教案-卫星轨道与卫星技术-2004

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 第二章

卫星轨道与卫星技术

卫星作为一个重要的空基平台，不仅要提供承载传感器的物理支持，还要提供电源供应、数据收发等辅助功能，这是内容将在卫星技术里面介绍。卫星轨道的选择取决于遥感数据的要求，将在介绍卫星运动规律的基础上介绍几种常用的卫星轨道。

2.1 卫星轨道

1卫星运动规律

卫星作为一个人造天体，服从天体运动规律。请参考理论力学、普通天文学等课程深入了解该部分内容

A 卫星轨道是一条圆锥曲线

卫星受到地心的万有引力作用绕地球运转其轨道在过地心的一个平面内。r  c a O 在极坐标下运动方程为：

2GMrrr

2hr2定义e＝c/a是偏心率，a是半长轴，c是焦距，P=a(1－e2)是半通径，是矢径与半长轴之间的夹角，此时轨道方程可以：

P1e2ra

1ecos1ecos偏心率e决定了卫星轨道的形状。至于用于对地遥感目的的卫星，其轨道是椭圆轨道（e<1）。

近地点，＝0°，ra＝a(1－e)远地点，＝180°，为：rp＝a(1＋e)

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 B 卫星在相同时间内扫过相同的面积 在极坐标下面积时间变化率dA/dt为：

dA121rhdt22

hrr显然，卫星高度越高，角速度越小，卫星运动速度越慢！

卫星在轨道上的能量

W1GMmGMmmv22r2a

21v2GM()ra此即卫星活力公式，以此可以推导远地点和近地点卫星运动速度！

C卫星轨道周期的平方与半长轴立方成正比

a3GM 22T4显然卫星周期只取决于半长轴，与其它参数无关！

天体运动规律只解决了卫星在轨上的运动状态。卫星由地面发射进入轨道则是由运载火箭来完成的，卫星在轨道上面的运行速度取决于入轨状态，因此对应于不同的运行轨道发射火箭的推力需求也不同，或者卫星入轨速度和姿态决定了卫星轨道形状！卫星轨道描述

在卫星对地遥感中，卫星空间位置是一个不可或缺的基本参数。一个没有轨道信息的卫星遥感资料是毫无价值的！

对卫星轨道的描述依赖具体的坐标系。在天文学以及天体物理学中，通常采用天球坐标系，这也是刻画卫星作为天体的运行轨道状态的最直观的描述体系，它不考虑地球的自转。在地面资料处理、卫星定位时通常使用地理坐标，它直接描述卫星相对地面的具体位置。

A 天球坐标系

以地心为中心，地球赤道平面所在平面为天赤道平面，地球两极与天球两极一致，这

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 样一个假想球为天球，它不随地球自转。天球上任意一点位置用赤经和赤纬表示。赤经以春分点为起点，反时针度量，以0-360°表示。赤纬由天赤道向南北两边至极地为90°。在天球坐标系下，描述卫星轨道需要以下几个参数：

图 天球坐标系

卫星轨道的空间取向参数：

倾角 赤道平面与卫星轨道平面的夹角。

升交点赤经：卫星由南半球飞北半球南段轨道称为轨道升段。轨道升段与赤道平面交点称为升交点。升交点位置用赤经表示，它表示轨道平面相对太阳的取向（赤纬是多少？）。太阳升交点赤经是多少？

卫星轨道形状参数

偏心率 确定卫星轨道形状 轨道半长轴：卫星运行周期

近地点角：轨道平面内升交点和近地点之间张角，它描述轨道半长轴空间取向

卫星在轨道上位置参数

平均近点角M：卫星通过近地点时刻为tp，则任意时刻t的平均近点角定义为：M=（t－tp），＝2/T。它描述任意时刻卫星在轨道上面的位置

卫星真近点角和偏近点角E 此时有开普勒方程将该参数联系起来：M＝E－esinE 3

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09

图 卫星真近点角和偏近点角E

B 地理坐标

地理坐标系以地球上面的经纬度表示轨道空间位置，它随着地球一起转动。在各种卫星定位中通常使用该坐标系。

星下点：卫星与地球中心连线在地球表面的交点。由于地球的自转和卫星绕地球的旋转，星下点在地面上形成一条连续的运动轨迹－星下点迹。

升交点与降交点：定义同天球坐标系，只是用地球坐标系来表示。由于地球自转，每圈轨道的升交点与降交点可能都是不同的。

截距：卫星绕地球公转的同时，地球不同的自西向东旋转，所以当卫星绕地球一周后地球相对卫星转过的角度称为截距。截距等于两个升交点之间的经度之差。由于卫星轨道相对地球每小时向西偏移15°，故截距与轨道周期和升交点经度之间的关系为：n+1－n ＝L＝T×15°/小时（西经取＋）

轨道数：从卫星入轨到第一个升交点为0轨道，以后每过一个升交点，轨道数目增加1。它描述了卫星在空间的飞行时间。

C 人造卫星经纬度随时间变化近似公式

在轨道定位中，有时候需要确切知道任意时刻卫星在轨道上的位置。摘自：

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 3常用卫星轨道简介

A 卫星轨道分为许多类，按照卫星轨道参数划分为前进轨道（倾角小于90°）、后退轨道、赤道轨道以及极地轨道。

前进轨道卫星顺地球自转方向运动，反之，后退轨道逆地球自转方向运动。赤道轨道卫星倾角为0°或者180°，卫星在赤道上空运行

极地轨道卫星倾角90°，卫星通过南北两极。由于地球自转，这一轨道可以实现全球覆盖。

按照卫星高度划分为低高度短寿命轨道，主要适合在军事卫星

中高度长寿命轨道，高度350-1500km，寿命在1年以上。既有较高的地面分辨率，又有较长的寿命，目前大多数民用遥感卫星都采用这类轨道。

高高度长寿命静止卫星

运行高度35800km，卫星寿命在几年以上，主要用于气象、广播、通讯领域。

按照卫星轨道形状又可划分为园轨道和椭圆轨道。圆轨道对于卫星轨道预告和资料定位十分方便。

B近极地太阳同步轨道

卫星的轨道平面与太阳始终保持固定的取向，轨道倾角接近90°，有时又简称近极地太阳同步轨道或者极地轨道。卫星几乎以同一地方时经过世界各地。考虑到地球绕太阳公转的因素，必须使卫星轨道平面每天自西向东旋转1°。利用地球扁率引起的卫星轨道摄动来实现太阳同步轨道，卫星高度越高，实现太阳同步轨道的倾角也越大。对于TIROS-N系列，卫星高度870km，轨道倾角98.899°。

太阳同步轨道的有点：利用地球自转可以实现全球观测，尤其能够观测极区 在观测时有合适的照明，可以得到稳定的太阳能，保障卫星正常工作。

但该轨道时间分辨率低，对某个地区的观测时间间隔长，一颗极地太阳同步轨道卫星每天只能对同一地区观测两次，不能监视生命史短、变化快的过程。而且相邻两条轨道的观测资料不是同一时刻的，需要进行同化。

C 地球静止卫星轨道

轨道倾角为0°，卫星在赤道上面运行。卫星周期等于地球自转周期。由静止卫星周期T=23h56m04s，可以计算卫星高度 H＝35860km，,卫星在轨道运行速度V＝3.07km/s 优点：

卫星高度高、视野广，一颗静止卫星可以观测地球南北纬度70°东西经度140°约占地球表面1/3的面积

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 可以对某个地区进行连续观测，时间分辨率高

但是，不能观测两极，而且由于卫星高度高，对传感器灵敏度以及分辨率能力要求高，对卫星定位要求高：失之毫厘，差之千里。

另外，由于静止卫星只能位于赤道上空，其上能够容纳的卫星数量是有限的。因此，在设计静止卫星时，必须考虑富余设计，在卫星工作生命到期时用推力火箭将卫星推向更高高度成为宇宙垃圾，腾空原来卫星轨道！

D 轨道选择原则

从理论上来说，遥感卫星的空间轨道可以是任意的。具体到遥感应用的具体任务需求，却要求选择最有利的空间轨道。有时候，轨道选择对实现遥感任务是具体来说，选择卫星轨道应该遵循如下原则：

减小地球大气磨擦，H>200km 全球覆盖性的地球观测－极轨或者近极轨 保持恒定光照－太阳同步轨道 连续观测－静止轨道 地面高分辨率－低轨道

尽量选用圆轨道，方便轨道预报和卫星定位。

关于前苏联在1965年4月23日发射第一颗试验通讯卫星闪电1A成功进入一个绕地的独特轨道。其高度变化在600km－39650km之间。西方专家认为苏联原计划发射同步卫星，由于这样那样的原因未能达到预定轨道。事实上，这个轨道是有意选择的，对于处于高纬度地区的苏联来说它是最适合的轨道。苏联人机智地应用了第二运动定律（越高越慢），把卫星发射在与赤道成65°倾角的椭圆轨道上，这样既能照顾到苏联北部又能顾及南部。当卫星在赤道以北时，远离地球，这样，在卫星绕地一周12小时内有8小时在苏联上空，这真是一个聪明的解决办法。

2.2 卫星技术

卫星遥感是一项庞大的系统工程，卫星作为遥感传感器的空间承载平台，与地面平台截然不同，需要一些专门的技术以保障正常的观测活动能够顺利进行。卫星姿态控制

问题：在太空中，如何保持姿态稳定？

引：宇航员在太空中如何把一个香蕉传给同伴？儿童常玩的陀螺

卫星对地观测，通常要求传感器保持某种固定的对地姿态。比如，一般来说要求正对

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 地面观测，但有些特殊的卫星观测项目，比如临边、掩星观测则要求某些特殊的取向。因此卫星遥感中姿态控制是最基本的卫星技术。比如，我国早期的风云卫星在上天10多天后姿态控制就出了问题，卫星发生翻滚，导致整个卫星报废！在太空中，卫星姿态稳定采用陀螺原理。早期采用自旋稳定，卫星绕自身旋转，自旋轴在轨道平面内平动，仪器装在卫星底部，则在一个卫星周期内只有部分时间能够进行观测，后来采用滚轮式自旋稳定，自旋轴与卫星轨道平面垂直，仪器装在卫星侧面，当仪器转向朝向地面时进行观测，这样在整个周期内都能观测。现在的卫星大都采用三轴稳定：

俯仰轴，与轨道平面垂直，控制卫星上下摆动

横滚轴，平行轨道平面且与轨道方向一致，控制卫星左右摆动 偏航轴，指向地心，控制卫星沿轨道方向运行。

在卫星绕地一圈中，偏航轴与横滚轴改变360°才能保持姿态稳定。卫星电源

卫星需要庞大的电能为通讯系统、伺服系统以及传感器提供电力供应。卫星的供电能力是限制卫星载荷的一个重要因素。早期一般采用化学电池，容量有限，适合返回卫星。目前大都采用太阳能帆板电池。但是在通讯卫星上，考虑可能出现的卫星蚀，卫星上面必须配备蓄电池。

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 210-1-***TIME

调制过程 通讯

卫星一旦进入轨道，通讯系统是地面与卫星之间进行联系的唯一途径。

卫星接收各种控制指令和发送各种状态，实时传输型遥感卫星，传感器获得的资料也必须借助通讯系统发回地面。通讯系统负责对卫星源数据进行调制，生成调制波，地面接收调制波，再经解调还原数据。通讯系统能力是制约卫星遥感的一大因素，特别是目前越来越突出。在有些卫星上面，特别是极轨卫星，当卫星不再地面接收区之外时还需要另外的资料暂存系统保存数据，在卫星再次飞临地面站上空时发送。卫星结构

由于受到运载火箭发射能力的限制，卫星设计要求采用高强度、轻重量的材料，在满足强度要求的同时尽可能减轻自身重要，以便尽可能多增加负载容量。另外，卫星在太空保持姿态稳定的需要，通常都设计成某种对称结构，现代卫星都有一对长长的太阳能帆板,以及固定指向的通讯天线。除此之外，现代卫星对空间电磁环境，空间热辐射的严格要求，也是卫星结构设计必须考虑的因素。

卫星在运行过程中，向阳面温度高，背阴面温度低，卫星的这种温差可以达到200℃。另外，用电功耗大的仪器会发热，需要将热量散发出去，处于低温环境的设备需要保温或加温，这些都要靠热控措施来解决。卫星的热控措施有被动热控和主动热控之分。被动热控就是为被控设备选择合适的表面涂层或隔热保温材料进行保温，或用散热好的材料散热。而主动热控则是以电控方法采用加热或通风的办法达到升温或降温的目的，以保证星上设备具有正常的温度环境。

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 5轨道摄动与轨道维护

除了地球引力外，高空稀薄大气阻力，日月及其它天体引力，太阳光压，电磁力等因素都会导致卫星偏离预定开普勒轨道。在卫星业务运行的整个阶段，必须时刻监测卫星的轨道运行状态。

另外，在卫星业务运行过程中，出于某种目的需要变更卫星轨道－比如改变观测计划（TRMM升轨），报废静止卫星轨道转移等。卫星技术发展趋势

材料科学和电子科学的飞速进步极大地促进了卫星技术的进步。纳米级的电子元器件、微米以至纳米级的微机电装置、星上信息处理技术、星间激光信技术、超轻型材料和充气式结构、高效太阳能空间电源系统和电推进系统等 ,将推动卫星技术进入一个崭新的时代。

高强度轻型材料的发展，可以大幅度地降低结构重量，大大提高有效载荷重量； 电路的高度集成化和微处理器执行指令速度的大大提高 ,电子系统的体积、重量和能耗都会大大下降，性能指标则大大提高。

高效太阳能空间电源系统有望使得能源供应容量成倍提高，为荷载更多传感器提供便利。

风云一号D星外观

作业：

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 1 风云一号D星是我国自行研制的第一代太阳同步轨道气象卫星的第四颗星。该星总质量为958千克，轨道高度为870公里，轨道倾角为98.8度。另据报道，风云一号D环绕地球飞行第二圈时，５月１5北京时间上午１１时４４分３６秒，乌鲁木齐气象卫星地面站成功接收到第一张从“风云一号D”传回地面的云图。查找乌鲁木齐的地面经纬度，估算风云一号D星的轨道升交点赤度。美国国家大气海洋局发射的NOAA－6卫星近地点797km，远地点813公里，试估算该卫星的在轨速度。

第五篇：遥感在现代化农业中的应用与展望

遥感测量在农情信息中的应用与展望

1引言

遥感技术是20世纪60年代以来，在现代物理学（包括光学技术、红外技术、微波雷达技术、激光技术和全息技术等）、空间科学、电子计算机技术、数学方法和地球科学理论的基础上发展起来的一门新兴的、综合性的边缘学科，是一门先进的、实用的探测技术，目前已在运行的有36个波段的MODIS光谱仪，空间分辨率大大提高，立体测量的方法也更加多样化，能够实现全天候作业。广泛应用在农业、地理、地质、气象、环境监测、地球资源勘探等多个方面。

在我国农业中的应用中，从早期的土地利用和土地覆盖面积估测研究、农作物大面积遥感估产研究开始，已扩展到3S集成对农作物的长势的实时诊断研究、应用高光谱农学遥感数据对重要的生物和农学参数的反演研究、高光谱农学机理的研究、模型的研究与应用及草地产量估测、森林动态监测等多层次和多方面。遥感技术和GIS的发展与应用，已使农业生产和研究从沿用传统观念和方法的阶段进入到精准农业（数字农业）、定量化和机理化农业新阶段。

2遥感技术在发达国家农业中的应用研究现状

自20世纪70年代,美国等发达国家率先开展了主要农作物种植面积和产量估算工作以来就掀起了利用遥感技术监测农情信息的研究热潮,美国发射了一系列探测地球的资源卫星和气象卫星,随后加拿大、法国、、印度和也先后发射了各自的资源卫星和气象卫星,遥感开始进入一个快速发展的阶段。美国是最早开始开展农情遥感监测技术研究的国家。同时随着监测技术的发展与成熟,一些国家与国际组织建设了各自的农情遥感监测系统,并开展了运行化的监测。这些系统在大范围宏观农业监测中发挥了重要的作用,为相关政府和部门的决策提供了重要的依据。美国全球及本土的农情监测分别由农业部外国农业局(USDA Foreign Agricultural Service, FAS)及国家农业统计局(NationalAgriculturalStatisticsServ-ice,NASS)负责。在全球监测上,国外农业局全球分析办公室(Office ofGlobalAnalysis,OGA)负责监测结果的获取、发布,其下设的国际产量评估科(InternationalProductionsAssessmentBranch)负责系统的业务化运行。系统目标是提供可靠、及时、透明、准确的全球农业产量信息。FAS通过监测全球农业产量和农产品供需信息为市场提供指导,并为本国提供早期预警信息。FAS的监测与分析依赖于气象数据、田间报告和高分辨率遥感数据等所获取信息的整合,其中遥感数据主要提供长势、生长阶段和产量信息。这些信息一方面用于对作物产量信息进行验证,另一方面用于识别一些没有被报告上来但会对农业生产产生明显影响的事件。FAS的全球监测结果以“世界农业产量”(World Agricultural Production)月度报告和“产量、供给与分布”(Production Supplyand Distribution, PSD)数据库的形式进行发布,是USDA全球经济信息系统的基础组成部分。为对这些不同数据源所获取的信息进行整合,FAS开发了名为Crop Explorer的基于地理信息系统Crop Explorer是一个基于Web并支持空间和属性查询的农情信息服务网站,该网站提供基于遥感影像和气象数据的全球作物长势信息。系统针对大宗作物的主产区提供植被活力、降水、温度等信息的专题图,所提供的专题图有3类,分别是气象专题图、土壤湿度和作物模型专题图及植被指数专题图。系统根据查询的农业气象区划提供生长季的时间序列数据和图表,同时系统还提供作物候历及作物分布等信息。用户可以通过选择区域、作物及时间等信息进行查询。同时FAS启动了新一期的全球农业监测(theGlobalAgriculturalMonitoring,GLAM)项目[14],该计划得到了美国农业部及NASA应用科学计划联合资助,由NASA、USDA、马里兰大学和南达科他州立大学联合执行,旨在通过

NASA新一代对地观测系统对FAS的决策支持系统进行改进。在本土监测上,农业部下属的NASS负责为美国农业部提供及时、准确和有效的统计数据。该部门所统计的数据覆盖了美国农业从产量、食品供给到农场主及其雇工的收入状况信息等各个方面。NASS每隔5年做一次全国农业普查,以提供美国农业的全面状况信息。遥感数据及遥感技术在提高其统计数据准确性方面发挥了一定的作用,包括:NASS使用遥感数据来建立农业统计的采样框架、估算作物种植面积、为分析系统提供面向作物的土地覆盖数据等。在2007年的农业普查中,NASS以Landsat影像、数字摄影测量数据及其他遥感数据为输入,开展了全国48个州及波多黎各面向面积监测的采样和补充采样设计,用于评价当年普查的完整性。此外NASS的遥感面积估算项目使用Re-sourcesat-1 AW iFS进行玉米和大豆主产州的监测并在县和州2个尺度上提供独立的作物面积估算结果,并进行面向作物的分类,提供作物分布数据(CroplandDataLayer,CDL)[19]。到2010年,CDL计划累计监测的州已经达到48个,并且平均每年重复覆盖13个主要的农业州,目前48个州的数据都已经发布[20]。NASS与USDA农业研究局(Agricultur-alResearch Service,ARS)建立了长期的合作关系,以NASAMODIS为数据源在中部和西部的几个州开展了早期的小范围单产预测。NASS还在作物生育期内基于NOAA-AVHRR获取的归一化植被指数数据(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)进行作物长势的监测,为农业部相关决策者提供独立的全国尺度作物生长信息[21]。除美国农业部外,美国国际发展管理委员会(U.S.Agency for InternationalDevelopmen,tUSAID)还建立了预警系统网络(Famine EarlyWarning Sys-temsNetwork,FEWSNET),与国际上不同国家及不同地区的机构、政府与组织开展合作,针对粮食安全,提供及时、准确的早期预警和脆弱性评价信息。FEWSNET在非洲、中美洲、海地、阿富汗及美国开展监测,并根据所收集的数据开展生活指标及市场分析,以提前发现粮食安全的潜在威胁。2010年海地地震中该系统做出了积极快速的响应。该系统更注重的是数据的分析,而不是相关专题的监测,在监测方面该系统与NOAA及NASA开展信息产品层面的合作,将基于遥感和地面观测获取的早期预警数据进行整理、分析与融合,提供预警信息。综合来看,在美国,NASS和FAS仍然是国内及全球农情遥感监测的最主要机构,国内及全球分由不同部门监测的方式提高了系统的运行化程度。但不论是在NASS还是FAS,遥感获取的信息都未能成为官方发布产量数据的最主要信息源,遥感未能独立地发挥作用。的决策支持系统[17]。Crop Explorer是一个基于Web并支持空间和属性查询的农情信息服务网站,该网站提供基于遥感影像和气象数据的全球作物长势信息。系统针对大宗作物的主产区提供植被活力、降水、温度等信息的专题图,所提供的专题图有3类,分别是气象专题图、土壤湿度和作物模型专题图及植被指数专题图。系统根据查询的农业气象区划提供生长季的时间序列数据和图表,同时系统还提供作物候历及作物分布等信息。用户可以通过选择区域、作物及时间等信息进行查询。同时FAS启动了新一期的全球农业监测(theGlobalAgriculturalMonitoring,GLAM)项目[14],该计划得到了美国农业部及NASA应用科学计划联合资助,由NASA、USDA、马里兰大学和南达科他州立大学联合执行,旨在通过NASA新一代对地观测系统对FAS的决策支持系统进行改进。在本土监测上,农业部下属的NASS负责为美国农业部提供及时、准确和有效的统计数据。该部门所统计的数据覆盖了美国农业从产量、食品供给到农场主及其雇工的收入状况信息等各个方面。NASS每隔5年做一次全国农业普查,以提供美国农业的全面状况信息。遥感数据及遥感技术在提高其统计数据准确性方面发挥了一定的作用,包括:NASS使用遥感数据来建立农业统计的采样框架、估算作物种植面积、为分析系统提供面向作物的土地覆盖数据等[18]。在2007年的农业普查中,NASS以Landsat影像、数字摄影测量数据及其他遥感数据为输入,开展了全国48个州及波多黎各面向面积监测的采样和补充采样设计,用于评价当年普查的完整性。此外NASS的遥感面积估算项目使用Re-sourcesat-1 AW iFS进行玉米和大豆主产州的监测并在县和州2个尺度上提供独立的作物面积估算结果,并进行面向作物的分类,提供作物分布数据

日本机器人耕作体系与遥感技术应用，本稻米自给自足率国家政策目标，到2021 年 时将比现在增加 50%。由于日本社会老龄化严重，农民数量减少，越来越多的稻田被荒废，让人感到十分可惜。同时，日本由于耕地比较分散，限制了农业的规模，难以采用大型的机械。几个方面原因的重叠，催生了“农业机器人”这一新兴概念在日本的崛起。水稻机器人耕作系统的建立分为耕作和准备、插秧和收割 3 个主要阶段，这 3 个阶段分别对应着机器人拖拉机、水稻插秧机器人和联合收割机机器人。机器人拖拉机是在普通拖拉机上加装 IMU惯性测量装置、GPS天线和 GPS接收器改装而成的。其定位精度为±2m 之内，能够完成耕种、开垦、种植和喷洒等多种任务。水稻种植机器人以商业化的 6 行水稻插秧机（10.5 马力）为基础机器，对方向盘和传动装置加以改造，使之与 IMU 惯性测量装置以及 GPS 进 行联接，并改装育苗长垫。其行走速度为 0.9m/s，行走精度达±3cm，种植精度为±10cm。为机器人研制的新型水稻育苗垫呈卷型，1 卷相当于传统的 10 垫，如应用于 6 行插秧机器人，则不需要另外的育苗卷。联合机器人收割机与前两者相似，还增加了控制者可以使用手机遥控的功能这几种机器人都能够实现从小范围农田到大田的自主导航。其发达的制导系统可以引导农业机器人自动跟随作物直线或曲线的路径正常进行作业。此外，日本在无人直升机精耕农业领域和卫星远 程遥感领域也取得了相当大的进展。从直升机和卫星获得的重复立体交叉图像是作物测绘、改变作物和土壤条件数据的宝贵来源，遥感技术可以提供的当前包括成熟度、病虫害和杂草情况的信息。通过视觉传感器和全球定位系统收集的信息可以为养殖、化工生产 与收获创造现场管理时间表。卫星、直升机以及地面技术已经被日本人利用来做稻田作物测试。对产量和质量预测、作物营销、增值市场和生产调度都有非常积极的影响

3本文对国外主要农情遥感监测系统进展进行了综述,在分析各自系统特点的基础上,总结出农情遥感监测系统建设的启示,为我国农情遥感监测系统的建设和发展提供依据。

伴随着近30年遥感技术本身及其在农情信息获取领域能力的提升,一些国家与国际组织建设了各自的农情遥感监测系统,并开展了运行化的监测。对黑龙江垦区有重要的借鉴意义,并通过对这些系统的分析得到一些农情监测系统建设的启示。指出作物种植面积估算、单产预测、长势监测、旱情监测是农情遥感监测中最主要的4个主题。

在作物面积监测方面,仍然是抽样加地面调查的方法。尽管随着遥感数据费用的降低和宽幅遥感数据的提供,遥感具备全覆盖的能力,但对地面调查的依赖并没有减少,甚至得到了强化,这与遥感降低地面调查的初衷相违背。有2个方面的原因:一是作物遥感识别技术并没有取得重大突破,现有各种识别方法和技术难以工程化和运行化,而运行化既要求精度又要求速度,现有的作物识别方法在精度和速度方面很难兼顾,需要发展新的识别技术;二是遥感被当作照片(或替代过去的航片)使用,用作采样框架的布设,遥感在动态监测方面的优势没有得

到很好的发挥。大量地面调查基础上的遥感监测本质上是多此一举,遥感在作物面积估算的应用目标就是要减少地面调查的强度,降低成本,现在这方面的趋势非但没有得到遏制,反而有被强化的趋势,显然没有达到遥感应用的目标。

在单产估算方面,农业气象模型仍然是主流方法,数据基础包括气象数据、统计数据和抽样调查数据,但这种方法得出的结果缺乏独立性,与统计分析结果在本质上没有重大差别。在常规的农业统计得到不断强化的情况下,农情遥感监测系统所能起到的作用是发挥独立性,形成独立的信息源,起到监督、校检的作用,因此如果将统计数据作为建模的基础,就不合适了。近10年来,遥感在估算作物单产方面取得了很大进展,以地面观测数据标定模型,正在逐渐取代以农业气象模型为主的方法。

在长势监测上,随着AVHRR、VGT和MODIS数据的推广应用,特别是VGT和MODIS提供了处理好的数据产品供用户下载,而且MODIS还是免费的,作物长势监测得到了很大的发展,这使得监测系统具备了短期预测的功能,可以提前预测粮食生产形势,这也是农情遥感监测的最大优势,也是有别于传统农业统计的关键所在。利用遥感监测长势的另一个优点是具有全局性,避免了地面调查以点代面、以偏盖全的现象。

旱灾是影响农业生产最主要的农业灾害,而遥感是旱情监测最为有效的手段,尽管在监测作物长势中,能对旱情的影响有所反映,但旱情的监测仍然有其独特的地方,在作物不同生长阶段对作物产量的影响有所不同,但在国外农情监测系统中,旱情监测没有得到有效的重视。需要通过技术更新和方法改进,提升遥感在农情监测系统中的作用和贡献度,用遥感革新其传统 的信息获取手段,进一步发挥遥感技术在农情信息获取领域的潜力。遥感技术可以提供包括旱情、作物面积、单产、产量、长势等在内的全方位信息,可以独自构建一套完整的农情获取技术体系,这一优势需要进一步发挥。

3.2 应用特点

随着全球化进程的逐步加快,任何一个国家或地区都无法单独保障粮食安全,必须用全球视野来看待粮食安全,并提供全球范围的农情信息,实现监测信息的全球化。本文所介绍的系统有2个显著的特点,一是监测结果的后期分析能力很强,美国FAS的系统,在遥感监测的基础上,整合全球各地的农业生产形势报告等信息,给出监测不同国家和全球比较完整的粮食生产形势,如供需平衡方面的分析,从而为粮食贸易市场提供信息服务,这也是其一年有70 000个访问量(2008年)的主要原因,给信息的使用者一个非常清晰的粮食生产形势全景描述。另一特点是信息的公开性,美国的FAS/NASS、欧盟的MARS及FAO的系统都将监测结果放在网上,对社会公开。但如果用户只了解单一系统发布的信息,有时也会被误导而做出错误的判断,因此如果用户可以通过一个网页就能了解多个系统的监测结果,一方面可以通过浏览不同系统的结果,做出自己的判断,另一方面,也可以提高不同系统的自律程度,保证监测质量,这也是最近GEOSS农业主题大力推动PAY(Production, Acreage, Yield)计划的主要原因。GEO(Group on Earth Observations)提出建立一个全球农业监测综合系统(GlobalAgriculturalMoni-toring System ofSystems)就是一个好的开始。该系统建设中有2个主要的内容: PAY计划,联合美国 农业部、中国科学院遥感应用研究所及欧盟联合研究中心等机构共同发布全球农业监测结果,提高全球粮食生产形势的透明度;作物监测与评估联合实验(JointExperiments Crop Assessment and Monitroi-ng, JECAM)计划,以支持农情遥感监测技术研究为目的开展全球联合观测与实验,为监测技术的发展及其全球化推广提供支撑。3.3 系统整合

包括美国在内的一些国家、地区或组织,拥有1个以上的运行化农情监测系统。这些系统因为分属1009于不同的部门(或子部门),业务上的独立导致不同系统相互独立的运行,运行过程中数据和信息交流少,需要探讨合适的方式进行系统的整合。系统的有机整合可以发挥不同系统的优势,提升系统运行效率,在数据、运行和信息发布等方面进行补充,提高监测结果的有效性,避免因为不同系统结果间的差异而给决策者带来困惑。系统整合可以

在以下3个层面展开: ·数据层整合:对监测所用数据源进行共享,提高各系统的数据获取能力,丰富数据源。

·系统层整合:对不同主题监测技术/系统进行取优弃劣的整合,将不同的系统合为一个系统,联合开展运行。

·信息层整合:将不同系统的监测结果进行整合,可以将不同结果以参考的形式一同提供给决策者,也可以通过分析形成一套更为可靠的结果提供给用户。由于机构设置、职能划分以及拥有感的重要性,使得任何层次的整合难度都很大,但是从另一方面来看,一定程度的重复是有益的,可以起到相互校检和竞争的作用,有益于用户和技术的发展,也有利于成果的可靠性。3.4 新对地观测数据的应用

目前以MODIS、AVHRR及VEGETATION为主的低分辨率遥感数据及以IRS、TM、ETM为主的中分辨率遥感数据依然是运行化农情监测系统中的主要对地观测数据源。近几年来诞生了一批新的对地观测数据,这其中包括了不同频率的高分辨率雷达数据(RadarSat-

2、TerraSAR、COSMO-SkyMed)、光谱信息更加丰富的高分辨率光学遥感数据(RapidEye、WorldView-2)、高重访周期的中分辨率光学数据(HJ-1 CCD、IRSAWIFS)以及一些传统低分辨率遥感数据的延续和发展(FY-

3、VIIRS、MERIS)。数据的丰富和开放,降低了大范围农情监测的数据成本,使得各类系统可以更多地使用遥感信息,同时多种新数据的协同使用,还可以提高农情监测的时效性。新数据的全面应用需要以方法研究为基础,必须首先探讨这些数据在农情遥感监测领域的适用性、能力及潜力,并最终通过数据源的更新实现系统监测能力的提升。新的对地观测数据引入农情监测系统需要经过相当一段时间才能完成,如加拿大从AVHRR改成MODIS是2009年的事,其原因是农情监测需要多年数据的积累,用作多年的对比分析,另外是数据源本身是否能持续提供也是重要的因素。印度以本国的遥感数据作为主要数据源,其中的价值取向和经验值得我们借鉴和学习。4 结 语

大范围的可靠农情信息对农业市场及国家和国际相关政策的制定至关重要。而遥感是大范围农情信息快速获取的最有效技术手段。农情遥感技术经过30年的发展,已经取得了巨大的成就。建设运行化系统是大范围农情遥感监测的必然,世界上一些国家和组织已经建立了若干区域或全球尺度的农情遥感监测系统,并开展了业务化监测,为相关部门和政府的决策提供了重要的依据。然而纵观各个系统,遥感技术在大范围农情监测中的潜力没有得到充分的发挥,如作物种植面积监测中依然依赖大量的地面调查、单产预测仍然以农业气象模型为主、旱情监测没有得到足够的重视等。随着新数据的诞生、新监测技术的发展以及对全球尺度农情信息需求的不断增加,遥感在农情监测及粮食安全领域还有更大的发展空间,其中提升遥感的 作用是未来一段时间内系统建设的主要内容。系统化

系统化是指在对监测技术进行流程化梳理的基础上,进行软件系统开发,形成业务监测系统平

农情遥感监测的工作头绪很多,不同的区域重复性很大,数据处理的内容和方式多种多样,而且处理的时效性又很强,因而往往需要加班加点完成处理工作,以提供及时的农情信息,对处理人员的素质要求很高。以往整个农情遥感监测过程依赖于多种专业软件及其环境下开发的若干模块,对系统操作人员的专业技能要求较高,导致系统运行效率不高、可执行性差。为了提高效率,实现业务化,在近5年里开展了大量系统化方面的工作,对处理流程进行系统化梳理和开发,形成工程化运行系统。通过系统化,形成标准化的处理流程,减少不确定因素的干扰,提高处理效率和可靠性。系统化主要体现在数据库建设和集成化系统开发2个方面。在数据库方面,以Oracle大型数据库作为基础服务器平台,ArcSDE作为空间数据引擎,进行了全国及全球农情遥感监测数据库的设计和开发,数据库集成了遥感数据、统计数据、气象数据、基

础空间数据、监测结果数据等,可以进行农情遥感监测所涉及各类数据的存储和管理。在集成化系统开发方面,分别设计开发了MO-DIS数据预处理系统、作物长势遥感监测系统[15, 16]、农作物单产预测系统[17]、作物旱情遥感监测系统[18]、复种指数遥感监测系统、粮食产量预测系统。并根据区域的特点,将上述系统重新进行组织,形成省级农情遥感监测系统和县级农情遥感监测系统,系统均采用CS模式,采用IDL进行开发,县级农情遥感监测系统采用“IDL开发+VB封装”,系统稳定性和性能得到了较大的提高。省级农情遥感监测系统的界面如图4所示。

系统化的进行提高了系统运行效率(表1),目前监测工作仅需3名工作人员(不包括地面调查人员)就可以完成全国及全球26个粮食主产国的监测,与美国、欧盟及FAO的同类工作相比,可以使用较少的人员完成相同的监测任务。同时系统化还促进了系统的推广和移植,使更多的用户可以进行系统的操作和应用。3 独立性

独立性是指减少对农业统计的依赖,形成独立的农情信息源,发挥遥感客观的特点。系统化对系统运行效率的影响

基础得出的结果缺乏独立性,与统计分析结果在本质上没有重大差别。为了提供独立的信息服务, CropWatch必须在使用的数据和方法上具有独立性,如果仍然依赖统计数据来建模,只能是“预测”统计数据。经过近5年的过渡,系统在农情监测的各个环节上都达到了较高的独立性。作物单产预测方面,传统的农业气象模型和遥感指数模型依赖于作物单产统计数据,限制了模型

适用性,而统计数据中的误差也会保留到预测结果中,更主要是不能独立于统计数据。为独立于统计数据,系统发展了基于“作物生物量—收获指数”的单产预测模型[19]。该模型基于光合作用累积和作物生长水分条件的胁迫进行生物量估算,结合作物花期后的环境参数及绿度变化规律,进行作物收获系数的估算[20]。该方法独立于统计数据,并可以在全球尺度推广(图5)。系统在研发过程中在全国设立多个实验区,基于地面观测数据进行模型的标定及验证。

作物种植面积遥感监测方面,利用遥感技术的发展提供的宽幅数据,对原来的基于2个独立采样框架的作物种植面积估算方法[21]进行了改造,利用宽幅数据进行全覆盖提供作物的种植成数,方法具有很高的独立性,特别是采用GVG农情采样系统进行全国范围的作物种植结构调查既客观又精确。该方法的优点是充分利用了遥感数据的特点,满足了业务化运行在精度和速度方面的双重要求,并且作物种植面积估算的报告单元可以是县级和省级。通过大范围作物种植面积遥感监测方法的过程验证与不确定性分析,确定了数据时相、抽样率与影响覆盖范围、作物种植成数与作物种植结构对作物种植面积估算的误差影响,建立了作物种植面积估算的误差评估模型[22]。为了开展国外作物种植面积监测,研究了将中等分辨率遥感分类与高分辨率遥感分类数据相结合的大范围作物种植面积估算方法;发展了基于高光谱作物生化参数的作物精细识别方法和以多频率SAR数据同化为基础的作物分类识别与作物种植面积估算技术,拓宽了不同频率的SAR数据在农作物识别方面的融合应用[23];开展了光学遥感数据与SAR数据融合的作物识别方法研究,通过作物生化参数的分类识别和多频率SAR数据的应用及集成,有望发展出作物精准识别方法,解决国外作物种植面积监测的难题。作物长势监测方面,利用历史同期数据,形成了作物苗情监测方法,发展了基于作物群体特征和个 体特征的作物长势定量监测方法,结合作物生理生态参数(生物量、叶面积指数、高度、覆 目前由中国科学院遥感应用研究所建设和运行的“全球农情遥感速报系统”,是世界上开 展全球尺度农情遥感业务监测的主要运行系统之一,可以在中国和全球尺度提供作物长势、单产、种植面积、产量和旱情等农情信息。自1998年建设至今,已经发展成为一个独立运行、监测内容全面、技术先进、监测结果可靠,并具有快速响应能力的系统。系统的独立性和运行效率,并在2008年春季雪灾、汶川地震、2009年冬小麦种植区春季干旱、2010年西南大

旱等关键时期发挥了重要作用。详细介绍了2005—2009年间在系统化建设、监测的独立 性和系统的应用推广等方面的进展,并对系统在“十二五”期间的发展重点进行了展望