遙感：探索世界的“天眼”

“遙感就在我們身邊。”中科院遙感所郭子祺研究員這樣說。
　　
　　作為地球科學及應用的一種觀測手段，遙感總是帶給人們一些困惑：它能應用在哪些方面？能為我們做些什么？它又是如何監測的？實際上，遙感在我們生活中無處不在。只是它好像總是披著隱身衣，而我們渾然未覺罷了。本期共享科學就揭開遙感應用的這層隱身衣，接著為讀者講述遙感的應用。
　　
　　——災害遙感——
　　
　　災情數據即時通
　　
　　前不久，強臺風“海葵”來襲，造成許多地區出現農田被毀，農業大棚倒塌，農作物在強風暴雨的摧殘下出現死亡的狀況。這時，通過災害遙感，可以準確的劃分出受臺風影響區域，通過氣象預警發布有效信息，人們便可由此對農產品進行防護措施，降低損失。
　　
　　郭子祺說：“經過二十多年的努力，我國已建立了重大自然災害遙感監測評估運行系統，形成了對臺風、暴雨、洪澇、旱災等災害的監測能力，特別是快速圖像處理和評估系統的建立，具有對突發性災害的快速應急反應能力，使該系統能在幾小時內獲得災情數據，一天內做出災情的快速評估，一周內完成詳實的評估。”
　　
　　在1987年大興安嶺發生特大森林火災時，中國科學院衛星地面站提供的火情現勢衛星影像圖對現場指揮、調度撲救起到了決定性作用；1998年長江、嫩江流域發生特大洪災時，航空、航天平臺的遙感實時監測，為指揮抗洪救災、恢復生產發揮了巨大作用。此外，郭子祺還介紹，在“5·12”汶川特大地震發生后，全力啟用了航空、航天遙感設備和專業技術人員飛赴前線，第一時間獲取災情信息，哪片房屋倒塌了，哪里河道堵塞了，都一目了然。遙感為抗震救災監測獲取、處理和分析數據，為抗震救災的行動部署提供了基礎依據和重要背景信息。
　　
　　——農業遙感——
　　
　　農業統計換新天
　　
　　“我們要保證國家的糧食足以滿足人民的日常需求，如果出現減產的話我們便需要作出相應的政策調整。”中科院遙感所研究員陳良富說。上世紀70年代，美國開始就利用陸地衛星和氣象衛星等數據，預測全球的小麥產量。相比遙感估產宏觀、快速、準確的優點，傳統的作物估產采用人工區域調查方法，應用起來計算繁雜、速度慢、工作量大并且成本高。
　　
　　那么，遙感估產究竟是如何操作的呢？“農作物遙感估產包括對農作物生長過程的動態監測、種植面積測算、單位面積產量估測和總產量估測。”記者在采訪中得知，根據生物學原理，在收集分析各種農作物不同生育期不同光譜特征的基礎上，通過平臺上的傳感器記錄的地表信息，辨別作物類型，監測作物長勢，在作物收獲前，預測作物的產量的一系列方法。
　　
　　先有“產”才能有“估”。對于整個農業生產鏈來說，遙感的作用可以說是貫穿始終。從最開始的農業資源調查到土地利用現狀分析，再到農業病蟲害監測，這些都要依賴于遙感技術應用。
　　
　　有一份數據引起了筆者注意“我國每年由于病蟲害造成的損失大約在10%—15%之間”如此龐大的一個數字！遙感技術能否幫助我們及早發現病蟲害，以最快的速度采取防治措施呢？郭子祺說：“遙感技術檢測農業病蟲害，主要依據基于植物受到病蟲侵擾時生理變化所引起的綠葉中細胞活性、含水量等的變化，表現為農作物在反射光譜特性上的差異。這樣，農作物在遭受病蟲危害早期就可以通過遙感技術探測到這一光譜差異，從而解決了農作物病蟲害早期發現和早期防治的問題，這一技術方法也已經應用在森林病蟲害監測和防治方面。”
　　
　　——大氣遙感——
　　
　　定量監測氣溶膠
　　
　　近些年，大氣臭氧減少、煙霧彌漫難以消散，這樣的問題成為社會普遍關注的焦點。但有一個詞“氣溶膠”常常和這些大氣問題相伴提起，或許從它的身上我們可以找到問題的關鍵。
　　
　　“秸稈焚燒的煙塵、人為活動的揚塵和植物花粉顆粒物，就是氣溶膠的具體實例。汽車尾氣和各種鍋爐的化石原料燃燒排放氣體可以轉化為微小細粒子。”陳良富說，“它不僅對人體造成危害，而且氣溶膠作為云凝結核，使地氣系統的能量平衡失衡，從而影響區域和全球氣候，大量的細粒子氣溶膠還會形成嚴重的灰霾天氣。”
　　
　　面對氣溶膠我們真就束手無策嗎？當然不會！“在眾多類型的監測技術中，衛星遙感可以提供廣闊背景上的氣溶膠區域分布信息，是唯一實現全球氣溶膠監測的手段。”陳良富介紹，定量研究氣溶膠在全球范圍內的時空變化特征與演變規律上有其他站點監測無法比擬的優勢，輔以米散射原理的地基激光雷達提供的氣溶膠垂直分布信息，可以獲得區域分布的近地面PM2.5質量濃度的監測，實現城市群、郊區和廣大農村區域的空氣質量監測。
　　
　　說到大氣遙感，還有一點不得不提——灰霾。比如北京以及華北地區的天空常常披著灰色的面紗，給人們生活出行造成很大的困擾，“這正是灰霾在作祟，”陳良富研究員說，“美國的網站總用衛星圖像來說中國的污染太嚴重，對此科學家們解釋說是由于天氣穩定利于污染物排放的積累所致。其實這里存在一個誤解。”
　　
　　陳良富解釋，用了五種方式的衛星觀測數據對灰霾天進行分析，發現人為排放積累不至于引起如此面積大、強度高的污染。那空氣污染的原因究竟是什么呢？通過遙感探測發現，每年10月到次年的3月期間，每2—3天在2公里以上的高空就有一股從西風帶吹來的浮塵，當它抵達華北平原上空后，由于地勢降低，風速下降以后浮塵便會往下與污染物相混合，遭遇水汽后細粒子個體便迅速增大就造成大范圍高強度的污染現象。如果遇上南邊氣流比較強會形成華北地區持續多天的重污染天氣。若僅通過地面觀測的話恐怕難以得知這一現象的起因，在這些需要大尺度的觀測工作上，遙感無疑起到了不可替代的作用。
　　
　　——水資源遙感——
　　
　　讓水質監測與評估更真實
　　
　　水是萬物生長之本，湖泊更是自然的神作，但近些年，隨著我國工業和城鎮化的快速發展，江河湖泊面臨水質污染的嚴峻問題。
　　
　　能否利用遙感技術來進行江河湖泊水質環境監測呢？郭子祺說：“水體及其污染物質的光譜特性是利用遙感信息進行水質監測與評估的依據。國內外許多學者利用遙感的方法估算水體污染的參數，以監測水質變化情況。”此外，郭子祺介紹，利用遙感技術進行水環境監測與水體富營養評價，存在很大的優勢：信息獲取快速、省時省力等特點，不僅能夠較好的反映出研究水質的空間分布特征，而且更有利于大面積水域的快速監測。遙感技術無疑給湖泊環境變化研究帶來了福音。
　　
　　“在整個水資源管理方面，遙感技術與地理信息系統相結合，正發揮著越來越重要的作用。”郭子祺告訴記者，“水質的好壞有一個劃分指標，目前利用遙感技術獲得的光譜數據進行水質參數反演精度還不高，還達不到環保部門的要求。如何使這一技術有效應用呢？目前的做法是在測量區域布置一些水質傳感器，通過無線傳感器網絡技術可24小時連續測量水質的多種參數，用于提高水質遙感反演精度，使其接近或達到相關行業要求。”(實習生徐冰)
　　
　　■延伸閱讀
　　
　　衛星遙感測出精準數據:京杭大運河全長1710千米
　　
　　京杭大運河到底有多長？中國科學院遙感應用所劉少創課題組利用衛星遙感技術，重新量測了這條世界上最古老，也是最長的大運河，得出精確答案：京杭大運河總長度為1710公里。
　　
　　京杭大運河與萬里長城并稱為中國古代兩項偉大工程，但在各種文獻資料中，運河的“身長”卻長短不一。劉少創表示，河長、源頭和流域面積都是國家重要的地理信息數據，我們應該利用現有的技術條件，準確確定這些數據。
　　
　　劉少創課題組利用衛星遙感技術，再加上大比例尺地形圖，進行分析計算，最終確定京杭大運河的精確“身長”。據介紹，1710公里的總長度，是以北京通州溫榆河和通惠河的交匯處為起點，以杭州的拱宸橋為終點，沿京杭大運河的中心線進行量測得到的。
　　
　　據劉少創介紹，課題組主要利用衛星遙感技術確定河流的源頭和長度，但由于很難在同一時間集齊整條河流的所有衛星影像數據，所以還需要結合航空影像和大比例尺地形圖，進行分析測算。“大比例尺地形圖更接近河流真實的長度，彎彎曲曲的河道也更容易表現出來。”
　　
　　由于衛星遙感影像無法確定邊界的位置，此次并未分段量測，因此京杭大運河北京段暫無精確長度。
　　
　　據劉少創介紹，從目前的衛星影像圖來看，河道的分界點不太清楚，例如北京和天津的河道邊界點，就無法確定具體位置，再加上地形圖的資料也不全，難以按邊界分段測量。
　　
　　“如果要分段測量，必須精確確定每一個分界點的位置，這要涉及很多部門，我們無法得到這些資料。”劉少創說。
　　
　　據劉少創介紹，大江大河的源頭確定和長度量測是經典的地理學問題，早在地理大發現時代，科學家們就得出了一些結論，一直沿用下來，實際上數據是有問題的。
　　
　　自20世紀90年代起，劉少創課題組便提出利用衛星遙感技術確定全球重要河流的源頭和長度，以解決全球大河源頭和長度數據混亂的問題，京杭大運河是該課題組量測的第16條大河。