第1章宏观生态环境遥感监测技术及其应用进展
1.1宏观生态环境遥感信息源发展状况
遥感在宏观生态环境监测与评估中有着广泛的应用前景。它能够对生态、资源环境、气候变化等进行连续观测， 具有可重复覆盖、视点高、视域广、数据获取周期短等特点。
因此， 遥感技术的发展受到了世界各国的重视，航天遥感的发展尤其迅速。目前，根据遥感卫星观测系统的应用目的，可以分为气象卫星系列、陆地卫星系列和海洋卫星系列等三类。在宏观生态环境遥感监测与应用的研究领域中，常常根据不同卫星数据特点，选择多种数据源。适用于大面积陆地表面生态环境监测的卫星资料信息源有很多种，按照时空分辨率的不同，可以将常用的宏观生态环境遥感监测的遥感信息源大致分为以下几种（表1-1）。
（1）高时间分辨率、低空间分辨率气象卫星数据，如美国NOAA系列极轨业务气象卫星、我国风云系列气象卫星、日本静止气象卫星GMS等，空间分辨率1km至几千米，时间分辨率高（小时至日），可以对大范围重复观测，提供全国乃至全球资源环境的动态信息；（2）中等空间分辨率多光谱资源卫星数据，如美国LandsatTM（ETM+）数据、法国的SPOT资料、中国-巴西合作CBERS-01/02、美国新一代中尺度MODIS数据等，空间分辨率一般为几十米（MODIS为250m～1km），具有多个波段，是反演森林、草地等植被状态参数的主要信息源；（3）高空间分辨率的卫星数据，如QuickBird数据、IKONOS数据等，其空间分辨率在1m左右，能够提供局部地物分布的详细信息；（4）星载微波数据，如加拿大的RADARSAT数据、欧洲空间局的ENVISAT数据等。
1.1.1气象卫星数据
随着航天技术的不断发展， 气象卫星自问世以来的50多年也有了巨大的进步。气象卫星是以气象服务为主要任务的卫星，分为静止气象卫星和极轨气象卫星两大类。静止气象卫星大致沿地球赤道平面运动，卫星所在的高度使得它运动的角速度与地球自转的角速度大致相同，可以对其覆盖范围进行连续的观测。极轨气象卫星大致沿地球子午线运动，轨道平面离子午面略有偏差。由此既可以观测到整个地球表面、获得全球观测资料，又可以保证卫星总是在相同的地方时间经过观测地点，从而保证地球上的云和地物有相同的照明条件。这两种卫星优势互补，提供了有效的气象服务（许健民，2002）。
1.静止气象卫星
静止气象卫星位于赤道上空36000km的高空，与地球同步运转，以极高的时间分辨率（每小时）对地球表面特定区域进行连续记录，多颗卫星联合工作可以获得覆盖全球的数据。目前主要运行的静止气象卫星群包括美国的GOES系列（东GOES和西GOES）、欧洲的Meteosat、中国的风云二号和日本的GMS、MTSAT等。
1）美国GOES
GOES，即地球静止业务环境卫星。美国于1970年提出发展GOES系列卫星，发展计划由美国国家航空航天局（NASA）管理。从1974～2010年共发射了15颗GOES系列卫星，如表1-2所示，分为东GOES（GOESEast-75°W）和西GOES（GOESWest-135°W）（Menzeland Purdom，1994）。GOES可以实现高时间分辨率观测，而且从地球同步轨道对地球任意地理位置都有一个一致的视场几何校正方法，因此空间分辨率和大气倾斜光路不变，由此可对天气过程做空间和时间演变的最佳解释；但是只能监测全球中低纬度的大气参数及其发展过程。GOES可监测的过程和参数如表1-3所示（黎光清，1998）。
2）欧洲Meteosat
欧洲空间局（以下简称欧空局） 研制的Meteosat卫星系统，实现了从零经度的地球静止轨道进行气象观测，迄今为止共发射两代9颗卫星，详见表1-4。
欧洲第一代地球静止气象卫星中第一颗卫星Meteosat-1于1977年11月23日发射，最后一颗是1997年9月2号发射的Meteosat-7。这个卫星系统由一颗运行卫星和一颗后备卫星组成。它可以获取欧洲、非洲、中东和南美洲的东半部的图像，总覆盖超过100个国家和地区。Meteosat卫星播发的资料有三种：高分辨率（HRI）图像、低分辨率模拟云图（WEFAX）和气象资料分发系统（MDD）（Labarberaetal，1995）。
第二代气象卫星（Meteosat Second Generation，MSG）是由欧空局和欧洲气象卫星应用组织联合研制的，于2002年8月28日在法属圭亚那库鲁航天中心发射，现改名为Meteo-sat-8。与第一代气象卫星相比其设计功能更加强大，具有12个光谱通道，扫描周期为15min，位于0°E的赤道上空36000km。
随着MSG系列前两颗卫星成功投入服务，欧洲气象卫星组织和欧空局正积极策划下一代欧洲地球静止气象卫星业务系统——第三代气象卫星（Meteosat Third Generation，MTG）。计划于2015年发射的MTG系列卫星由于在设计性能上的巨大提高，将使天气预测和环境监测发生革命性的变化。
3）日本静止气象卫星
日本的第一颗静止气象卫星是1977年7月发射的GMS-1（地球静止气象卫星），日本至今总共发射了5颗GMS卫星。GMS-5于1995年3月发射，定位于140°E，GMS-5卫星的主要有效载荷为：4通道可见光和红外扫描辐射器，波段设置见表1-5（蔡淑英和郭陆军，1995；Le Marshall，1999）。GMS-5播发给用户的资料有两种：高分辨率数字资料（展宽数字资料，S-VISRR）和低分辨率模拟云图（WEFAX），图像产品见表1-6（徐建平，2000）。
MTSAT卫星系列是日本运输省和日本气象厅合作投资的多功能（气象观测和飞行控制）卫星。第1颗卫星MTSAT-1在1999年11月发射，但由于火箭故障，星箭具毁，之后重新生产了MTSAT-1R，于2005年2月26日发射。与GMS卫星系列相比，MTSAT卫星系列有4大变化：一是卫星由自旋稳定改为以三轴稳定方式控制姿态；二是扫描辐射计的通道数增加到5个；三是卫星星下点水平分辨率有所提高，详见表1-7；四是MTSAT播发的高分辨图像资料（HIRID）、高速率信息传输（HRIT）、低速率信息传输（LRI）和低分辨率模拟云图（WEFAX）（张鹏锐和王荣华，2005；YangandGuo，2010；Hongetal，2009）。
2006年2月18日，日本H2-A火箭搭载多功能卫星“MTSAT-2”从南部的鹿儿岛县种子岛宇宙中心升空，进入距离地面3.6万km的地球静止轨道，位于145°E。MTSAT-2卫星上搭载的成像仪拥有1个可见光波段和4个红外波段，成像仪依靠内部的扫描镜每30min拍摄1次北半球的图像。执行气象观测任务部分的设计寿命为5年，执行航空管制任务部分的设计寿命为10年（Zoccarato，1997）。
4）中国风云二号气象卫星
风云二号气象卫星（FY-2）是我国第一颗静止气象卫星，分两个批次进行研制和发射，即01批和02批。01批共发射两颗卫星：1997年6月发射FY-2A；2000年6月发射FY-2B。02批共三颗卫星，分别命名为FY-2C、FY-2D和FY-2E。与01批相比，02批星载扫描辐射计从三个光谱通道增加到五个光谱通道（表1-8），能对中长期天气预报、气候预测、生态监测和自然灾害监测发挥更重要的作用，更好地为防灾减灾服务。
FY-2C是我国第一颗业务型静止气象卫星，在2004年10月19日由长征3号甲运载火箭发射升空，定点在距地面36000km、105°E的赤道上空，以对亚太地区进行观测。升空10天后，顺利传回第一张气象云图。至此，FY-2C进入试运行阶段，2005年7月正式投入业务使用。
2006年12月8日，FY-2D发射升空，最终定位于86.5°E赤道上空。FY-2D既可以作为FY-2C的在轨备份星，也可以根据需要与FY-2C配合进行立体业务观测，实现中国静止气象卫星双星业务系统建设目标，增强中国气象卫星在轨连续、稳定运行的可靠性，为中国及周边国家天气观测、气象预报和减灾防灾发挥重要作用（晓昊，2004）。风云二号02批星的最后一颗卫星FY-2E，在2008年12月23日成功发射。
FY-2A播发给用户的资料有三种：高分辨率数字资料（展宽资料，S-VISSR）、低分辨率模拟云图（WEFAX）和低分辨率传真图（S-FAX）。FY-2A的S-VISSR的传输特性与GMS-5的S-VISSR接近，除了载波频率不同（GMS-5为1687.51MHz，FY-2为1687.5MHz）外，其他几乎相同。两者的数据模式也兼容。因此FY-2的S-VISSR资料接收站只要改变一下接收机的频率就可以接收GMS-5卫星的S-VISSR资料。处理系统的软件也只要略作修改。GMS卫星系列的WEFAX传输特性（包括载波频率）都完全相同，接收站不需做任何修改即可接收两颗卫星的WEFAX资料。
2.极轨气象卫星
极轨气象卫星又称为太阳同步卫星， 环绕地球进行扫描，时间分辨率以日为基本单位。自20世纪70年代末、80年代初美国NOAA系列极轨业务气象卫星投入运行以来，由于其快速、宏观、动态、低成本和相对丰富的多光谱数字信息的特点，在环境遥感领域中的应用得到了很大的发展。在我国，运用气象卫星在非气象领域中的遥感应用工作起始于80年代中期，采用了多时相准同步AVHRR数据，对我国东部植被季相动态规律进行了系统研究，同时也探讨了AVHRR数据的植被指数构成；随后国家先后开展了以中国气象局为主组织的北方10省市冬小麦估产试验、中国科学院主持的资源环境动态监测等。
1）美国NOAA/AVHRR
1979年6月美国发射了第三代极轨气象卫星系列的第一颗业务运行卫星NOAA-6（运行前称为NOAA-A），至今已发展到第五代卫星，包括NOAA-15―NOAA-19（NOAA-K、NOAA-L、NOAA-M、NOAA-N、NOAA-NPrime）。作为备用的第四代星，包括NOAA-9―NOAA-14。部分卫星的发射时间和基本轨道参数见表1-9。
NOAA卫星装载有6个光谱通道的可见光和红外扫描辐射计，包括1个可见光、2个近红外通道、1个中波红外通道和2个长波红外通道，各波段的基本情况见表1-10。数据量化等级10bit，NOAA-15/16/17/18/19（K/L/M/N/N摧）是美国第五代极轨业务环境卫星，星上主要携带有：改进的甚高分辨率辐射计3型（AVHRR/3）、高分辨率红外辐射探测仪3型（HIRS-3）、先进的微波探测装置A型（AMSU-A）、先进的微波探测装置B型（AMSU-B）。
其中HIRS-3、AMSU-A和AMSU-B统称为先进的TIROS业务垂直探测器（ATOVS）。
NOAA/AVHRR提供了多种多样的遥感资料，包括：可见光与红外云图、一系列气象及环境数据、由以上资料派生的气象要素以及空间环境监测资料。因此，可以广泛应用于资源与环境科学的各个领域，如水文学、海洋学、植物学、资源与环境监测，区域土壤水分分析，灾害监测等（Ehrlichetal，1994；赵英时，1990）。
2）中国风云一号气象卫星
1988年9月7日，中国启用“长征四号”火箭，在太原卫星发射中心成功地发射了我国第一颗极轨气象卫星——“风云一号”（FY-1A），这是中国自行研制和发射的第一颗传输型极轨遥感卫星。其基本功能是向世界各地实时广播卫星观测的局地可见、红外高分辨率卫星云图；获取全球的可红外卫星云图、地表图像和海温等气象、环境资料，为天气预报、减灾防灾、科学研究及政府决策服务。
1990年9月发射了第二颗极轨气象卫星FY-1B；FY-1C、FY-1D分别发射于1999年5月和2002年5月。其中，FY-1A/1B为试验卫星，FY-1C/1D为业务卫星。FY-1C在轨运行时间是设计寿命的3倍，于2004年3月失去业务能力，2007年1月作为中国卫星工程试验靶标被摧毁。FY-1D在轨运行8年，超龄服务6年仍稳定运行。
FY-1C、FY-1D卫星具有相同的有效载荷配置，是两台互为备份的10通道扫描辐射计，主要技术性能和在轨实测结果见表1-11。可见光和近红外通道定标精度达到10%；红外辐射定标精度达到1K；HRPT直接广播图像空间分辨率优于1.1km，GDPT记录回放图像空间分辨率优于4km。
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