環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星Suomi NPP業(yè)務(wù)特性及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

李旭文，牛志春，姜晟，侍昊

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036)

過去十幾年里，美國航空航天局(NASA)運行了很多衛(wèi)星系統(tǒng)，最著名的有EOS系統(tǒng)(Earth Observation System)的Terra和Aqua衛(wèi)星，搭載了MODIS、ASTER等傳感器，尤其是MODIS獲取的數(shù)據(jù)，自2007年來為江蘇全省秸稈焚燒火點、太湖藍(lán)藻水華、南黃海滸苔遙感監(jiān)測發(fā)揮了極為重要的作用。由于MODIS等衛(wèi)星傳感器在軌運行時間較長，為了更為系統(tǒng)地觀測全球生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的動態(tài)信息，確?；贛ODIS數(shù)據(jù)的環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用模式得以連續(xù)、繼承，同時，為了提高對全球生態(tài)系統(tǒng)各類要素的全面、系統(tǒng)、綜合性監(jiān)測水平，2011年，由NASA、美國國家海洋大氣管理局(NOAA)和美國空軍共同研發(fā)，又發(fā)射了新的衛(wèi)星系統(tǒng)Suomi NPP(NPOESS Preparatory Project的簡稱，也有資料認(rèn)為是National Polar－orbiting Partnership的簡稱，Suomi是國際著名的氣象學(xué)家，NPP衛(wèi)星以他的名字命名以示紀(jì)念)，繼續(xù)從太空中監(jiān)測地球各類生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，提供全球環(huán)境宏觀監(jiān)測長時間序列數(shù)據(jù)［1］。作為新型環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，NPP獲取的免費公益性數(shù)據(jù)在國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用幾乎還處于起步狀態(tài)［2］，為此，對其業(yè)務(wù)特性及其在江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用做了初步研究。

1 NPP衛(wèi)星主要載荷

NASA和NOAA于2011年10月28日使用德爾它－2火箭從范登堡空軍基地成功發(fā)射NPP衛(wèi)星，NPP系統(tǒng)包括5個傳感器(圖1)，分別為VIIRS、穿軌跡紅外探測器CrIS、先進技術(shù)微波探測器ATMS、臭氧監(jiān)測與廓線探測儀OMPS、云層和地球輻射能測量系統(tǒng)CERES。這些傳感器可用于探測地球環(huán)境和大氣，包括土地覆蓋制圖、植被變化，還能追蹤大氣臭氧和氣溶膠以及海洋和陸地表面溫度，監(jiān)測海冰和陸地冰川，監(jiān)控火山爆發(fā)、森林火災(zāi)、干旱、洪水、沙塵暴、颶風(fēng)/臺風(fēng)等自然災(zāi)害。

圖1 環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星NPP的5個主要傳感器載荷

1.1 VIIRS

VIIRS(Visibleinfrared ImagingRadiometer Suite，可見光/紅外成像輻射儀)重約275 kg，由美國Raytheon公司研制，掃描幅寬3 000 km，±56°，每4小時經(jīng)過赤道一次，星下點空間分辨率優(yōu)于400 m;掃描帶邊緣空間分辨率約800 m。VIIRS可收集陸地、大氣、冰層和海洋在可見光和紅外波段的輻射圖像。具有高和中分辨率兩種工作模式，是NOAA衛(wèi)星上高分辨率輻射儀AVHRR和EOS系統(tǒng)TERRA和AQUA衛(wèi)星上中分辨率成像光譜儀MODIS系列的拓展和性能改進。VIIRS具有22個光譜波段(表1)，分布在0.3～14μm波長區(qū)間。其中，可見光 ～近紅外(0.4 ～0.9μm)有 9 個，短、中波紅外(1～4μm)8個;熱紅外(8～12μm)4個。為監(jiān)測夜間云層及全球夜間燈光強度分布，還專門設(shè)計了1個低照度條件下的中心波長位于0.7μm的可見光 ～近紅外寬波段 DNB(Day－Night Band)［3］。

VIIRS數(shù)據(jù)可用來測量云量和氣溶膠特性、海洋和湖泊水色、水環(huán)境富營養(yǎng)化、藻類水華分布、海洋和陸地表面溫度、海冰運動和溫度、火點分布、空氣中顆粒物濃度、夜間燈光強度監(jiān)測、地球反照率，在氣象、環(huán)境、生態(tài)領(lǐng)域具有非常廣泛的用途。

表1 VIIRS的波段設(shè)置及技術(shù)參數(shù)

1.2 CrIS

穿軌跡紅外探測器CrIS(Cross－track Infrared Sounder)，為具有1 305個紅外通道的先進的傅里葉變換光譜儀，可確定從地面到上層大氣的溫、濕、壓的垂直分布，幅寬約2 200 km，目的是用于提供高垂直分辨率的大氣溫度和水汽三維結(jié)構(gòu)信息。主要為氣象用途。

1.3 ATMS

先進技術(shù)微波探測器ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder)，能夠在晴天或陰天條件下測量氣溫和濕度，主要為氣象用途。

1.4 OMPS

臭氧監(jiān)測與廓線探測儀OMPS(Ozone Mapping and Profiler Suite)，由天底點掃描臭氧繪圖儀和臨邊掃描輻射計組成，天底點掃描臭氧繪圖儀探測臭氧總量，臨邊觀測設(shè)備可進行側(cè)視觀測，給出臭氧含量和高度之間的函數(shù)關(guān)系?？捎嬎愦髿獬粞醮怪焙退椒植?。

1.5 CERES

云層和地球輻射能測量系統(tǒng)CERES(Cloud and Earth Radiant Energy System)，用于測量來自大氣層上方的太陽反射和地球輻射，以及測量云層特性，主要為氣象用途。

2 數(shù)據(jù)的分級及處理

NPP數(shù)據(jù)為免費使用的公益性數(shù)據(jù)，可以在NOAA的CLASS(NOAA's Comprehensive Large Array－Data Stewardship System)網(wǎng)站(http：//www.nsof.class.noaa.gov/saa/products/welcome)下載研究區(qū)域的NPP各傳感器的數(shù)據(jù)。NPP數(shù)據(jù)在接收處理后快速進入CLASS數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，過境后3～6小時內(nèi)能在CLASS網(wǎng)站下載。也可以通過最新數(shù)據(jù)FTP 服務(wù)器 (ftp：//ftp － npp.class.ngdc.noaa.gov)或MODIS/NPP數(shù)據(jù)綜合服務(wù)網(wǎng)站(http：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)下載。

NPP數(shù)據(jù)有RDR(原始數(shù)據(jù)記錄)、SDR(傳感器數(shù)據(jù)記錄)、EDR(環(huán)境數(shù)據(jù)記錄)等不同級別處理水平的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，均以HDF5格式組織和存儲，最新發(fā)布的ENVI5.1遙感應(yīng)用軟件很好地提供了NPP數(shù)據(jù)的讀取和處理支持。ENVI5.1支持以原始(Raw)格式顯示影像、自動完成幾何校正及Bow－Tie糾正兩種方式打開影像。

NPP衛(wèi)星上各傳感器對應(yīng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品十分豐富，以VIIRS為例，在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用上有以下產(chǎn)品可以選用(表2)。具體可根據(jù)實際需要下載。

表2 VIIRS數(shù)據(jù)處理級別及主要產(chǎn)品

3 NPP數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測

圖2(a)(b)分別為北京時間2013年11月19日13時07分獲得的VIIRS波段 I3(R)I2(G)I1(B)彩色合成顯示的中國東部影像和放大的太湖藍(lán)藻水華分布影像，由于藍(lán)藻葉綠素在I2波段的中心波長0.865 μm處具有很高的近紅外反射光譜特征，因此，在影像上呈現(xiàn)為鮮亮的綠色。圖2(c)(d)分別為當(dāng)天北京時間11時15分TERRA MODIS、12時 55分 AQUA MODIS獲得的通道6(R)2(G)1(B)彩色合成影像，這三個波段中心波長與VIIRS I3、I2、I1的中心波長相對應(yīng)。

圖2 VIIRS傳感器監(jiān)測太湖藍(lán)藻水華的效果及與MODIS傳感器的比較

可以看出，VIIRS對藍(lán)藻水華的空間分布顯示更為清晰、層次較分明，其它陸面地物也如此，Terra和Aqua星的MODIS影像則質(zhì)量略有模糊。這是因為VIIRS在太空運行時間只有兩年，其3個波段都具有371 m的光學(xué)分辨率，而MODIS只有兩個250 m星下點分辨率波段，其它波段為500 m或1 km，在太空運行均已超過10年，儀器老化，光譜影像質(zhì)量有所降低。由于有了NPP VIIRS數(shù)據(jù)，因此在藍(lán)藻水華遙感監(jiān)測工作中，可開展兩類傳感器影像的協(xié)同應(yīng)用，提高湖泊生態(tài)問題的監(jiān)測識別能力。

3.2 火點分布監(jiān)測

利用NPP VIIRS資料，可以監(jiān)測秸稈焚燒火點信息，以及大氣氣溶膠、顆粒物的區(qū)域性分布。圖3(a)為北京時間2013年6月17日13時11分VIIRS火點產(chǎn)品顯示的江蘇省火點分布情況，火點集中分布在鹽城濱海、響水，淮安漣水，徐州新沂，宿遷沭陽、宿豫等地，數(shù)量很多。當(dāng)天的AQUA MODIS影像得到的火點分布見3(b)，分布區(qū)域與VIIRS火點基本一致，但火點數(shù)要少些。這表明由于VIIRS用于檢測火點的通道具有比MODIS更高的地面分辮率，M12～16通道星下點分辨率達(dá)742 m，I4、I5通道星下點分辨率達(dá)371 m，對地面熱異常的感測更為靈敏，能夠監(jiān)測到數(shù)量更多的火點，對秸稈禁燒工作可以提供更為有力的衛(wèi)星遙感信息保障。

3.3 區(qū)域夜間燈光強度監(jiān)測

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化以及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的快速發(fā)展，我國東部尤其是沿海經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)能源消耗不斷加大，區(qū)域夜間燈光強度的監(jiān)測，可以在一定程度上反應(yīng)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟社會發(fā)展水平，也反映能源資源消耗狀況。由于不少城市實施了城市亮化工程，區(qū)域夜間燈光也帶來光污染問題，對鳥類等動物的棲息也帶來生態(tài)影響。在VIIRS專門設(shè)計了可以觀測區(qū)域夜間燈光的DNB波段，為監(jiān)測與評價區(qū)域光污染提供了可能。

圖3 VIIRS(a)和MODIS(b)獲得的火點數(shù)量及分布的對比

分析VIIRS于北京時間2014年1月2日1時25分前后、2014年4月30日1時14分前后獲取的我國東部地區(qū)的夜間燈光強度影像(圖4)，可以看出，長三角地區(qū)燈光強度較大，整體上已經(jīng)區(qū)域連片，反映了作為中國經(jīng)濟活動最活躍、人口最密集、城鎮(zhèn)化最快地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展程度。相應(yīng)地，該區(qū)域的能源消耗、產(chǎn)業(yè)活動都處于高強度狀態(tài)，人類活動對區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)也帶來較大的壓力和脅迫。從兩景影像上也顯示出全省夜間燈光強度均值從高到低依次為蘇州＞無錫＞南京＞常州＞鎮(zhèn)江＞南通＞泰州＞揚州＞徐州＞淮安＞連云港＞鹽城＞宿遷，可以分為蘇南、蘇中、蘇北3大類，蘇北地區(qū)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化仍處于相對平緩的階段，經(jīng)濟與社會發(fā)展水平需要提高。但另一方面，由于蘇北地區(qū)非城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)類型占比較高，保留的生態(tài)空間可以為基于生態(tài)文明建設(shè)理念的更高水平的科學(xué)發(fā)展提供有力的承載。從夜間燈光強度來看，1月2日凌晨要比4月30日凌晨略小，除去大氣輻射傳輸校正因素外，可能和1月2日處于元旦假期、4月30日處于工作日有一定的關(guān)聯(lián)。

圖4 VIIRS DNB獲取的江蘇省夜間燈光強度影像

表3 VIIRS DNB監(jiān)測的江蘇省各省轄市區(qū)域平均燈光強度與經(jīng)濟、人口的關(guān)系

夜間燈光強度與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟社會發(fā)展水平有密切的關(guān)聯(lián)，表3列出了VIIRS DNB監(jiān)測的江蘇省各省轄市區(qū)域平均燈光強度與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)。為了分析區(qū)域燈光強度水平與經(jīng)濟人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，先計算區(qū)域內(nèi)各像元的燈光強度之和C：

式中，n為區(qū)域所有像元數(shù)量，DNBi為各像元的DNB輻亮度值(w·m－2·sr－1)，S為該區(qū)域的面積(km2)。

圖5(a)(b)分別為1月2日凌晨、4月30日凌晨NPP VIIRS DNB波段監(jiān)測各省轄市域C值與地區(qū)生產(chǎn)總值關(guān)系的散點圖，圖5(c)(d)分別是1月2日凌晨各省轄市域C值與2013年年末全市常住人口、全市戶籍人口的散點圖?？梢钥闯觯貐^(qū)生產(chǎn)總值越大的省轄市，區(qū)域燈光強度越高，正相關(guān)線性關(guān)系明顯。有的省轄市，如南京和無錫、鎮(zhèn)江與泰州，具有相近GDP，存在燈光強度的較大差異;有的省轄市如鹽城與淮安，具有相近燈光強度，但GDP有較大差異;有的則存在較大的趨同性，如泰州和揚州、連云港和宿遷。這些特征，反映了各地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟發(fā)展水平、城市建設(shè)水平、居民生活水平的不同。C值與各省轄市2013年末全市常住人口有一定的正相關(guān)，但與全市戶籍人口的相關(guān)關(guān)系較弱，表明VIIRS DNB能在一定程度上反映各地常住人口情況。

4 結(jié)語

Suomi NPP衛(wèi)星是Terra/Aqua/Aura之后的一顆重要的業(yè)務(wù)驗證型對地觀測衛(wèi)星，旨在實現(xiàn)對大氣、水、生態(tài)問題的一體化綜合觀測理念。以上的初步應(yīng)用表明，NPP VIIRS對生態(tài)環(huán)境問題的監(jiān)測能力在MODIS基礎(chǔ)上得到了延續(xù)、加強，并且有新的拓展，為開拓生態(tài)環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源增加了一種選擇。在NPP之后，美國還計劃發(fā)射名為“聯(lián)合極地衛(wèi)星系統(tǒng)”(NPOESS)的新一代極軌環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星系列，構(gòu)成更加完善的面向業(yè)務(wù)化運行的全球生態(tài)系統(tǒng)觀測和監(jiān)控衛(wèi)星網(wǎng)。NPP上OMPS對大氣層臭氧的分布也有頗具特色的監(jiān)測能力，進一步加強這些國外公益性生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測資料的應(yīng)用，與地面業(yè)已完善和成熟的地表水、空氣質(zhì)量監(jiān)測站網(wǎng)相結(jié)合，是國內(nèi)各級環(huán)境監(jiān)測部門拓展新業(yè)務(wù)、豐富生態(tài)監(jiān)測服務(wù)產(chǎn)品的新機遇。今后，還需要開展更多的探索和實踐，建立業(yè)務(wù)化流程和處理、分析、評價技術(shù)規(guī)范，以顯著提高天地一體化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測水平。

圖5 夜間燈光強度與各地經(jīng)濟、人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系

［1］趙增亮，孫澤中，韓志剛，等.NPOESS/VIIRS及其云圖產(chǎn)品的應(yīng)用［J］.氣象科技，2008，36(3)：341－345.

［2］L.B.Liao，Stephanie Weiss，Steve Mills.Suomi NPP VIIRS day-night band on-orbit performance［J］.JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH：ATMOSPHERES，2013，118：12705－12718.

［3］高義，王輝，王培濤，等.基于人口普查與多源夜間燈光數(shù)據(jù)的海岸帶人口空間化分析［J］.資源科學(xué)，2013，35(12)：2517－2523.