气象极轨卫星在临汾市农业气象服务中的应用

樊瑞瑞，魏志琦

（1.临汾市气象局，山西 临汾 041000；2临汾市农业机械发展中心，山西 临汾 041000）

气象卫星遥感具备了视点高、视域广、数据采集快、探测项目多、迅速反映动态变化、成图迅速、成本低等优势，具有传统调查方法无法比拟的优势。卫星遥感技术可以用做天气预报、气候变化监测、农作物长势监测、自然灾害监测、大气环境监测、航空航天、军事活动气象保障等多个方面，为政府决策提供科学准确的信息支撑，增强应对气候变化和防灾减灾的能力。在农业服务方面，卫星遥感技术能为防旱抗涝、科学灌溉、病虫害及冻害监测、产量评估提供科学的决策依据。通过对卫星遥感数据的接收、处理、分析、加工，可以为土壤墒情监测、农作物长势监测、农作物估产、生态植被监测、土地利用等方面，提供多项面向地方需求的实时遥感应用服务产品。

1 资料来源

本研究所用的气象极轨卫星数据均来自临汾市风三利用站。主要采用了风云三号（FY-3）气象极轨卫星的中分辨率光谱成像仪（MERSI）的遥感数据以及AQUA/TERRA 气象极轨卫星的中分辨率成像光谱仪（MODIS）的遥感数据。风云三号气象极轨卫星是我国第二代极轨气象卫星，空间分辨率最高可达250 m，每颗气象极轨卫星可实现1～2 次/d 的观测。

2 研究方法

2.1 归一化植被指数

由于植物的叶面对太阳红光具有很强的吸收作用，但是对太阳近红外光有很强的反射作用，因此，在遥感中可以根据该原理定性和定量评价植被覆盖程度及植被的生长活力。将遥感卫星的红光波段和红外波段数据进行组合，发现这些组合对植被覆盖和活力的监测有很好的效果，因此，将红光波段和近红外波段的不同组合方式定义为植被指数[1]。由于极轨卫星的第一通道位于红光波段附近，第二通道位于近红外波段附近，根据这2个通道的反射率可以提取出植被指数，再利用植被指数可以定量的表征植被的活力。

目前已经有40多种植被指数被用于植被监测，其中应用最广的是归一化植被指数（NDVI）。临汾市位于干旱、半干旱地区，属于低密度植被覆盖区，比较合适采用NDVI研究植被的生长状态。NDVI的计算公式为：

式中：CH1、CH2——极轨气象卫星第一通道、第二通道的反射率。

由于卫星遥感数据在实际工作中受云的影响很大，在有云的情况下，NDVI值很低，尤其在夏季，每日的晴空资料获取难度极大。因此，为了去云以及消除太阳高度角和卫星视角的影响，可以取一10 d内最大的植被指数来进行研究。

2.2 植被供水指数

干旱是农业最主要的灾害之一。传统的土壤水分监测方法是采用称重法、中子仪探测法等，其缺点在于观测点少、代表性不足，不能精准、大范围地实现干旱监测。卫星遥感技术可以通过监测土壤水分含量和分布情况对农业生产提供技术支撑，弥补了传统监测方法的不足，其时间和空间分辨率较高，可以快速及时地更新数据，实现干旱的动态监测。

卫星遥感监测农业干旱主要采用植被供水指数（VSWI）法。由前文可知，采用和极轨气象卫星红光波段和近红外波段的反射光谱数据组合可以计算得到归一化植被指数（NDVI）。当出现干旱时，土壤水分含量减少，植被供水不足，植被的生长受到影响，植被指数将降低；同时由于植被的叶面没有充足的水分供应植被的蒸腾作用，使得植被叶面温度升高，即植被的冠层温度升高[3]。植被的冠层温度可以使用极轨卫星的第四、五通道观测得到。因此，使用极轨卫星的第一、二、四、五通道的数据可以计算得到植被供水指数，从而实现干旱的动态监测。VSWI的计算公式为：

式中：NDVI——归一化植被指数，T——卫星遥感到的植被冠层温度。

3 服务产品

通过归一化植被指数、植被供水指数等方法，可以对植被长势、农作物长势以及农业干旱等方面进行实时监测。下面以2022 年3 月—4 月为例，展现遥感技术在气象服务中的具体应用。

3.1 植被监测

植被监测主要采用归一化植被指数的方法动态监测全市植被生长状况。利用极轨气象卫星FY3D/MERSI遥感数据对临汾市3 月植被长势进行监测（见图1），结果显示：临汾市全市植被指数较低，且植被分布较分散，全市NDVI 均值为0.219，植被主要集中在中部的平川盆地地区，山区的植被覆盖较少，其中平川盆地南部植被指数在0.4～0.7，植被覆盖较高。

图1 2022年3月临汾市植被指数监测图Fig.1 The vegetation index monitoring map of Linfen City in March 2022

3.2 作物长势监测

作物长势监测是农业遥感的一项重要功能，卫星遥感可以对农作物生长全过程的状况和变化规律进行动态监测。在过去农作物的长势监测主要依靠人工观测，效率不高，卫星遥感技术可以弥补这方面的不足。通过遥感手段对作物长势进行监测，可以反映临汾市农作物在不同阶段的生长状态，再结合相关气象要素的变化，可以更为精准地对农业生产活动做出分析判断，并进行作物产量评估。

作物长势监测实质上就是对植被长势的监测。植被指数和农作物的面积以及农作物长势有关。当农作物的种植面积一定时，植被指数则反映出农作物长势情况，因此可以建立二者之间的关系[5]。综上，可以采用NDVI来定量评估农作物的生长状态。

临汾市主要农作物为小麦和玉米，以冬小麦为例，临汾市冬小麦主要种植区域为平川地区。4 月中旬，临汾市大部分地区冬小麦处于孕穗期，从卫星遥感植被指数监测结果（见图2）显示：临汾盆地麦区大部NDVI 在0.4～0.5，长势较好，临汾北部、临汾东山局部地区NDVI低于0.3，长势相对较差。

图2 2022年4月中旬临汾市冬小麦种植区植被指数图Fig.2 The vegetation index of winter wheat planting area in Linfen City in the middle of April 2022

3.3 农业干旱监测

临汾市气象局有17个土壤墒情监测站，但就全市范围而言，由于土壤墒情站点数量较少，并且分布不均，大范围干旱监测存在较大难度，同时监测时段有限制，难以全年进行监测，因此，使用卫星遥感对土壤墒情监测十分必要。采用2022 年4 月中旬的极轨气象卫星的遥感监测数据，计算出植被供水指数，制作出农业干旱监测图（见图3）。由于植被供水指数法没有相应的干旱等级分级标准，根据临汾市多年的实际干旱分布情况，本文采用了山西省气候中心的旱情分级标准。从图3 可以看出，4 月中旬临汾市大部分地区墒情基本适宜，平川地区出现了轻到重度干旱，尤其是在平川南部地区，出现重度干旱。

图3 2022年4月中旬气象卫星农业干旱监测图Fig.3 The meteorological Satellite agricultural drought monitoring map in mid April 2022

4 结语

综上所述，使用卫星遥感数据，进行植被、农作物长势、农业干旱的实时监测切实可行。随着我国遥感技术的提高，气象极轨卫星的时间和空间分辨率也在不断提高，再加之算法的不断改进，实时监测的精度和时效性都将会得到进一步提升。随着社会的进步，农业气象服务需要更加精细化和多样化，遥感技术可以丰富传统的农业气象服务手段，并弥补其不足，为气象防灾减灾提供科学依据，对农民增产增收、农业生产活动起到重要作用，为乡村振兴事业提供坚实的技术支撑。