航天时代陆地卫星在水资源探测领域的应用与发展

航天时代陆地卫星在水资源探测领域的应用与发展

摘要：自1972年第一颗陆地卫星发射以来，陆地卫星已成为很多土地经营和水资源管理活动不可或缺的部分，它们为决策者提供关于地球重要资源的关键信息。目前，最新设计的陆地卫星9号已经准备好发射。介绍了陆地卫星在美国水资源分配、环境监测以及其他科学研究活动中的应用，表明了实施陆地卫星发展计划的重要性和必要性。

关键词：水资源管理；水资源分配；环境监测；陆地卫星；应用；美国

1美国陆地卫星9号计划

美国航空航天局联合美国地质调查局的下一个太空任务计划将于2023年开始实施。陆地卫星9号作为最新的对地观测卫星，将在记录地表影像方面继续发挥关键作用，为水资源管理决策提供宝贵资料。

美国航空航天局局长查尔斯·博尔登(Charles Bolden)指出，陆地卫星是人们对地观测能力的基石，全世界科研人员都依靠它们对地表覆盖、土地利用变化、生态系统健康及水资源利用等进行观测。自1972年起，陆地卫星计划就一直为地球地表覆盖研究提供准确的测量数据。地球资源技术卫星(后更名为陆地卫星)的发射，开启了一个卫星群的时代，人类通过卫星不断获取基于航空的地表遥感数据。美国航空航天局称，陆地卫星利用太空优势，通过长期观测数据来观察和研究地球上相互联系的自然系统，并以此增强对地球的了解和认识。美国航空航天局将此项独有技术无偿与全球相关机构共享，共同探知地球发生的变化。

2陆地卫星的特点、应用及前景

根据陆地卫星提供的资料，人们对有限的水资源管理做出决策，这些决策将影响全世界数百万人。可以利用陆地卫星提供的大量数据进行水源地定位、水污染评估、流域管理和水资源配置等。如今，陆地卫星已被视为人类在太空中的眼睛，用于监测地球表面变化。

美国航空航天局华盛顿总部的副署长约翰·格伦斯菲尔德(John Grunsfeld)指出，目前的陆地卫星计划已经服役了几十年，作为可持续的土地成像计划的一部分，用以在未来继续为国家服务，美国航空航天局和美国地质调查局十分重视陆地卫星9号项目。鉴于地球长期的环境变化，陆地卫星在现在和将来都十分重要，而且其价值将与日俱增。

由于陆地成像计划的一个重要部分就是为用户提供长期且持续的观测数据支持，所以陆地卫星9号的设计将会在很大程度上与陆地卫星8号相似。9号卫星将携带两台仪器：一台用于在可见光、近红外和短波红外波段对地球进行成像；另一台则用于测量地球表面的热红外辐射。这两台仪器带有中等分辨率的传感器，与陆地卫星计划中的前7颗卫星相比，陆地卫星9号能够探测更多的强度变化。

美国航空航天局将负责卫星的建造、发射，初始检查和试运行工作；美国地质调查局将负责陆地卫星9号的运行，并进行数据处理、归档及无偿共享。

美国地调局气候和土地使用变化副主任沙拉·莱克(Sarah Ryker) 表示，陆地卫星是一项非常成功的合作项目。由于被很多经济部门和研究领域广泛使用，白宫已将全球定位系统、气象卫星和陆地卫星确定为3种非常重要的民用绕地卫星。对于自然科学和数据驱动行业来说，开发陆地卫星9号并长期致力于可持续陆地成像工作非常重要。

美国航空航天局位于马里兰州戈达德太空飞行中心陆地卫星9号项目的科学家杰佛里·马泰克(Jeffrey Masek)表示，陆地卫星9号将在2023年发射，并将与过去50 a一样，继续收集全球土地覆盖数据。陆地卫星的特点是：卫星观测地球的时间越长，能观察到并了解的现象便越多。在过去的几十年，人类活动和自然环境改变产生的压力使土地利用发生了变化。 马泰克同时补充道，仅仅增加一个卫星远远不够，陆地卫星应该是一个长期的监测项目，就像气象卫星那样，甚至应该是永久的计划。

3在水资源研究和管理方面的应用

事实证明，陆地卫星是一种用途广泛的宝贵工具。比如，它的数据可以帮助环境管理人员限制污染物从集水区排向航道。

美国地质调查局的地理学家皮特·克拉格特(Peter Claggett)负责观测土地利用状况和流经美国6个州的切萨皮克湾(Chesapeake Bay)流域水污染状况, 他进一步解释道，陆地卫星是一个重要而宝贵的工具，可用于探测地形表观特征，并对其随时间变化的趋势进行测绘。如果没有陆地卫星数据作为基础信息，就无法真正搞清楚切萨皮克湾营养物质和沉积物的来源变化及其具体位置。

同时，可以利用这些卫星数据监测并预报藻类爆发。在美国，每年用于治理藻类污染的淡水费用约为6 400万美元。2014年8月，作为饮用水源地的伊利湖发生水华事件，导致俄亥俄州40万居民无法从此处获得饮用水。

对于稀缺水资源日益增加的使用需求，迫使水资源管理模式发生转换，从增加水源供应转换为在可持续利用的水平上，对水资源利用进行创新性管理。在美国，灌溉用水占到淡水使用量的80%，利用陆地卫星数据，可以具体量化灌溉用水的消耗。

同时，在美国航空航天局2015年3月发布的一项研究中，陆地卫星数据被用来分析怀俄明州西北部某流域。研究表明，该地区融雪季节的结束时间比20世纪70年代至90年代平均提早了16 d。融雪是怀俄州明的重要水源之一，融雪时间的改变将会影响农业，使森林火灾发生时间更早、发生次数更频繁，引起生态系统变化并产生其他影响。

美国航空航天局戈达德飞行研究中心的一高级研究员萝西·霍尔(Dorothy Hall)指出，风河(Wind River)流经区域海拔非常高，且冰雪覆盖面较大，融雪季节结束时间的提前影响怀俄明州大部分地区水资源，而该地区自1999年起一直处于干旱状态。

霍尔和她的同事通过对1972～2013年间1 000多幅陆地卫星影像进行分类，制作了227幅降雪图。基于这些卫星数据，科学家们能够对积雪覆盖变化进行直接测量。

最近，陆地卫星追踪了美国与墨西哥边境的莫雷洛斯(Morelos)坝人造洪水试验。基于美国-墨西哥的“319分钟”协议对科罗拉多河的水资源分配进行管理。作为该协议的一部分，2014年3月，莫雷罗斯大坝向科罗拉多河下游下泄人造洪水。陆地卫星8号观测到，这次人造洪水使科罗拉多河周围的植被增加了40%。在“319分钟”协议之前，也曾利用遥感数据研究较小流量人造洪水对科罗拉多河周边的影响，而研究人员目前正使用陆地卫星8号和其他卫星数据继续研究2014年人造洪水产生的影响。

4在生态系统及其他方面的应用

美国航空航天局陆地卫星8号项目科学家吉姆·艾恩思(Jim Irons)表示，陆地卫星数据非常适合用于协助人们在生态系统健康、水管理和其他更多方面做出明智政策。他还补充道，类似的项目表明，研究人员需要有高质量的前期对地观测资料作为参考，同时也需要与未来具有可对比性的数据，以研究一项政策是如何改变地表形态的，他表示，具有连续性的数据非常重要，这样一来，一旦做出泄洪决策，就能有一个系统来评估其影响。

研究水文和生物效应的“319分钟”科学团队的联合首席科学家，卡尔·付雷莎(Karl Flessa)补充道，通过遥感卫星，如陆地卫星，科学家能够进行一系列的研究，而这些研究不可能通过其他方式进行。付雷莎还表示，科学家将继续监测科罗拉多三角洲下游的植被和脉冲流产生的水文效应。通过使用收集来自地面和卫星的最新数据，研究人员调查了植被和脉冲流对地下水的长期影响，并将继续研究地下水流动情况下，新栽种树木和灌木是否会生根，以及新出现植被如何影响鸟类沿太平洋的迁徙。

在美国西部，历史上水资源的使用情况是水权谈判的关键，而对于水资源管理者来说，陆地卫星不可或缺。陆地卫星丰富的历史影像资料对于解决水权纠纷十分重要。正如来自爱达荷州水资源部的前地理空间技术主管托尼·莫尔斯(Tony Morse)所说：人们都依赖于公开的、非专有的陆地卫星数据。这意味着对于纠纷中的各方来说，每一方获取的数据都是经过了相同的处理，且供各方平等获取。

汪朝辉译

(编辑：李慧)

收稿日期：2015-12-30

文章编号：1006-0081(2016)04-0022-02

中图法分类号：TV213.9

文献标志码：A