提高静止卫星数据在水利行业的业务化应用水平
地球静止轨道卫星（以下简称静止卫星）位于地球赤道上空距地面约36000km，轨道平面与赤道平面夹角为零，并且绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，故相对于地面静止。由于静止卫星与地球自转的同步性，卫星可以实现连续对地观测，在气象、通信、军事、农业、林业等行业都有较广泛的应用，特别是在气象和通信领域，已成为不可或缺的监测和数据获取工具和平台。
关键词：静止卫星,水利,应用,水文水资源监测,灾害监测,水利通信
水利行业中许多领域都存在对静止卫星的应用需求，如水资源日常监测、突发事件应急监测、灾害监测预警等，但总体上对静止卫星的应用仍处于起步阶段，多局限于气象预报产品应用等方面，应用范围有待进一步拓宽，应用程度有待进一步深入[1]。
本文通过对现有静止卫星主要参数和特点的归纳，以及对国内外静止卫星水利应用的调研和分析，基于静止卫星在我国水利行业的应用现状，提出未来我国静止卫星水利应用前景的设想和展望。
1国内外水利相关静止卫星发展状况
国外水利相关静止卫星发展较早。1975年，美国率先实现了人类首颗静止气象卫星GEOS-1业务运行；1977年，日本第一颗静止气象卫星GMS-1发射；1978年，欧空局的Meteosat静止气象卫星首次实现了水汽通道图像传输；1982年，印度第一代INSAT卫星发射，集通信、广播和气象探测于一身。
目前，美国的GEOS系列已经发展到了第四代，拥有更稳定的平台，支持更新的成像仪、空间环境探测器（SEM）、垂直探测器和太阳X射线成像仪（SXI）。新一代的GOES-R系列也已提上日程，预计于2014年实现业务运行，将搭载先进的基线成像仪（ABI）和超光谱环境监测仪（HES），性能将大幅提升，在同步卫星监测领域继续保持领先优势。
日本的MTSAT-2和MTSAT-1R双星在轨运行，互为备份，较上一代GMS-5的自旋稳定姿态控制不同，MTSAT采用三轴稳定方式，成像时间短、图像信噪比、灵敏度高。
欧盟第二代静止气象卫星MSG-2替代了上一代Meteosat，虽然仍采用自旋稳定方式，但在传感器通道数、空间分辨率、圆盘成像时间和量化级数上有了很大提高。MSG-3已于2012年7月发射，第三代静止气象卫星（MTG）将会在成像精度上和数据传输速率上有大辐改进，首颗卫星将于2018年开始服役。
俄罗斯在轨静止卫星二代GOMS-N2和印度在轨静止卫星INSAT-3D都采用先进的多通道扫描成像仪，拥有各自的特点。
我国水利相关静止卫星发展起步较晚。1997年6月10日，我国第一颗静止气象卫星FY-2A正式投入使用，2004年10月FY-2C发射成功，实现业务化运行，比美国晚了整整29年，总体水平也只相当于美国20世纪90年代初的水平，据估计这样的差距可能在风云四号才能赶上。不过风云二号也有很多自己的特色，尤其在图像定位配准方面已经达到了世界先进水平。2006年12月，FY-2D静止气象卫星发射成功，与FY-2C星实现了双星备份，主汛期每天每15分钟可提供一张图像。2008年12月，FY-2E星接替已经超期服役的FY-2C星继续运行。这三颗星均采用自旋稳定的姿态控制方式，搭载5通道扫描成像仪和空间环境探测仪，但是和发达国家相比，还是有一定的差距。表1是各国静止气象卫星搭载主要荷载对比。
2.1静止卫星在水利行业的可用性分析
2.1.1水利相关应用参数分析
随着水利现代化的不断深入，传统水利监测手段已经无法满足需求。在水资源监测方面，传统水文监测只采集站点数据，且水文站网密度有限，展布到面后精度有一定不确定性。水旱灾害监测也距实时、持续监测与预警的业务需求有一定差距。传统水质监测能力也落后于管理需求，指标不够全面，站点密度不够，快速机动监测能力差，突发性水污染预警系统不够完善。
极轨等高空间分辨率遥感卫星重访周期长，幅宽窄，可能在区域性单次监测上精度较高，但在大尺度动态监测方面较为薄弱。静止卫星可每30min获取一次影像，尺度可覆盖全球，并且新一代静止卫星多配置高分辨率多通道传感器，将为水利业务监测提供多指标、真实可靠的实时监测数据，大幅提高日常管理和应急能力。
从GEOS-1只搭载单台扫描成像仪，提供单一气象资料，到如今搭载多种高分辨率空间探测器，并依托各国静止气象卫星建立起的全球静止气象卫星观测系统，静止卫星已实现为水文监测、重大水旱灾害监测和实时水情数据传输提供动态数据和多种定量产品支持，表2是全球主要静止气象卫星的水利相关应用领域。除提供初级遥感信息外，静止卫星还可提供多种定量产品，为水利行业提供更深入、针对性强的业务应用产品，表3是我国FY-2C卫星提供的水利相关定量产品。此外，静止卫星还为水利部门提供相关数据转发和卫星通信系统网络支持，20世纪90年代，我国水利部就购买了亚洲二号半个转发器，并以此为依托建立了水利卫星通信系统。另外，静止卫星移动通信系统和全球导航系统也可应用于水利行业。静止卫星移动通信系统主要有全球覆盖的国际海事卫星（Inmarsat）通信系统和区域覆盖北美的移动卫星（MSAT）通信系统、亚洲蜂窝卫星（ACeS）通信系统、瑟拉亚（Thuraya）卫星通信系统等。比较成熟的卫星导航系统有美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS和我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），即北斗卫星导航系统。目前，为我国水利通信建设提供服务的静止卫星系统主要是Inmarsat-C海事卫星系统和北斗卫星导航系统。相对于传统地面观测和其它卫星在水利中的应用，静止轨道卫星的主要优势在于可以高时间分辨率探测信息，有效的动态跟踪和监测大尺度系统的形成、发展及演变规律。一颗静止轨道气象卫星每30min就能获得近地球的气象图片资料，对水资源运行调度管理实时监测、水旱灾害监测，洪水、暴雨和突发水污染事故应急监测以及水情数据转发具有突出的能力。因此，静止卫星在水利方面的应用有着广阔的前景。
在水资源监测方面，传统水文监测只采集站点的数据，扩展到面后精度不高，且许多地区水文站网密度不够，甚至还存在无监测地区，降水、径流监测和预报等技术手段尚不能完全不能满足水资源评价、规划与管理等方面的需求，而极轨等高空间分辨率遥感卫星由于重访周期过长，幅宽较窄，可能在区域性水资源监测精度较高，但对于大尺度动态水资源监测方面较为薄弱。在水资源管理方面，由于人工侧支循环，使得流域水资源的分配和转换关系异常复杂，分配层次多，流域降水和径流变化趋势不同步，降雨径流预报和水资源趋势预测依然是世界级难题，满足不了流域水资源配置和调度管理的需要。静止轨道卫星每30min就能获得水文监测资料，尺度可覆盖全球，相信配备高空间分辨率传感器的静止轨道卫星会在全球水资源领域有更深入的应用。
在水旱灾害遥感监测方面的，我国虽已开展多年，但距实时、持续监测与预警的行业需求还有一定的差距。高分辨率的静止轨道卫星数据，进一步提高业务化程度，以形成一套完整的水旱灾害遥感监测产品。
2.2在水文水资源监测中的应用进展
2.2.1降水监测
降水是水文循环中的基本环节，在水资源评价、管理、水循环模拟等方面都有着大量的数据需求。从1978年美国人L.E.SpaydJr.和R.A.Scofield[12]第一次基于GOES数据提出估算热带气旋降雨量方法并业务化应用以来，不论是在理论还是手段上，基于静止卫星的降水监测技术都已相当成熟，方法呈现多样化。美国NOAA的NESDIS发展了利用GEOS红外资料估算降水量的系统并于1997年投入业务运用[13]，我国水利部信息中心也使用云分类方法对GMS卫星数字云图估算面雨量[14]，张云惠、史可传[15]基于GMS卫星云图对哈密地区降雨进行估算，徐亮等[16]基于静止卫星气象数字化产品采用多元决策加权法估算降雨，熊秋芬[17]提出了基于GMS卫星4通道资料的人工神经网络技术估算降雨的方法，并进行了实例验证。
为了弥补静止卫星空间分辨率的不足和发挥其高时间采样频率的优势，静止卫星降水监测主要采用多种传感器联合监测的方法。现在水利行业应用较广的全球降水监测数据集——全球卫星降水制图（GSMaP）和GPCP就是多种传感器联合监测的成果。GSMaP数据集采用的GEOS卫星的可见光/红外数据，空间分辨率为0.03635°（在赤道上相当于4km），时间分辨率约为30分钟，覆盖区域为60°N～60°S，在海洋上的监测效果最好，在高山上的表现最差。在陆地和海岸带地区，GSMaP数据难于识别强降水，同时低估强度大于10mm/h的降水。GPCP数据集主要数据源是GOES、GMS、Meteosat卫星，逐月、逐日和每5日降水分析资料空间分辨率分别为2.5°、1°和2.5°。
2.2.2土壤含水量与蒸散发监测
土壤含水量与蒸散发监测是水资源评价、管理中的重要一环，获取实时连续监测数据是做好实时调度和管理工作的必要保障。静止气象卫星的红外扫描辐射计在土壤墒情、温度、温度和植被监测方面均有所应用。赵长森等[18]提出了基于静止卫星的陆面区域蒸散模型，并采用FY-2C数据对淮河流域蚌埠以上农业区进行了多时间尺度的区域耗水模拟，开创了利用静止卫星模型模拟区域耗水的先河。裴浩等[19]借鉴极轨气象卫星监测植被和土壤墒情的研究成果，采用GMS的多通道数据监测土壤墒情和植被指数。杨晓春[20]利用FY-2数据对土壤湿度进行模拟，并在多年干旱监测中得到了应用。
为了弥补静止卫星在空间分辨率上的不足，舒云巧等[21]提出利用FY-2C结合MODIS产品估算河北灌溉农田实际蒸散量的方法，利用静止卫星时间分辨率强的优势，提高了遥感监测的质量。由于静止卫星的红外传感器空间分辨率往往都是千米级的，因此，比较适于大、中区域尺度高时间分辨率的地表参数反演。张霄羽和王娇[29]利用风云二号静止气象卫星数据，提出了多时相热红外/可见光反演地表水分的算法，在中尺度区域上定量化土壤表面含水量，并在中国西北地区进行应用，获得了5km×5km空间尺度的日均土壤含水量，并且与先进的AMSR土壤水分产品相比，均方根误差为0.025g/cm3，最大估算误差在0.07g/cm3以内。这一研究为中尺度高时间分辨率土壤含水量产品的获取提出了一种思路。
2.2.3冰雪监测
冰雪融量的计算是水文学上的一个重要问题，静止卫星也在大尺度连续动态观测冰雪上很有优势，但由于空间分辨率较低，目前还处于初探阶段。裴浩等[19]尝试利用GMS可见光通道探测冰雪分布并取得了较好的精度。中国科学院冰川所利用气象卫星云图来计算雪被覆盖的范围、厚度、冰雪融量，并追索其连续演变，进行了祁连山冰川水文学的研究。
2.3在水旱灾害监测中的应用进展
2.3.1洪灾监测
静止气象卫星在全天候洪水监测和汛期降雨预报方面均有应用，是防洪减灾辅助决策的重要信息来源。中国气象局国家卫星气象中心从20世纪80年代中期开展提供气象卫星监测洪涝灾害的科研服务，曾成功对1991年江淮大水、1996年华北水灾以及1998年长江洪水等重大洪涝灾害进行了监测[19]。王庆斋等[23]也根据GMS-5静止气象卫星数字化卫星云图曲灰度分布，建立云顶温度与地面实测降水关系曲线，实现对黄河流域汛期降水的预报。
2.3.2旱灾监测静止气象卫星监测旱情问题，已引起国内外学者的关注，并进行了一些研究尝试。张元元[24]利用FY-2/VISSR数据生成PRETA干旱指数产品，应用于全国范围的旱情连续监测，与极轨卫星同类产品相比，在监测范围和频次上都具有明显的优势，很好地反映了2009年秋季至2010年春季西南大旱的旱情时空变化。姬菊枝等[25]利用风云二号卫星并结合NOAA的数据用热惯量法估计了2003年哈尔滨春季干旱受灾情况，提出了防治措施。
2.3.3冰雪灾害监测
静止气象卫星在重大冰雪灾害也有一些应用。朱小祥等[26]利用FY-2C、D星结合modis数据在2008年南方雪灾中向有关部门提供降雪天气预报、受灾区积雪覆盖范围等方面的遥感监测信息。
2.4在国内水利通信中的应用进展
静止卫星在水利行业中的应用除包含静止气象卫星提供水利相关应用的直接产品外，还承担着转发水情数据、进行水利通信的任务。1991年，北京海事卫星通信系统（Inmarsat-C）地面站正式运行，开始承担起用户、卫星与移动终端之间水情数据转发的任务，使得水情测报系统不受距离和下垫面条件的限制。我国自主研发的北斗导航系统也为水情部分流域的水情测报系统提供服务，承担着部分水利卫星通信任务，具有覆盖范围广、传输数据量大和成本低的优势。此外，我国从1976年开始投资水利通信网。1994年，水利部一次性购买了亚洲二号的半个Ku波段转发器，建设水利通信系统，经过十多年的努力，建立了以语音、数据、图像为媒介的水利通信网。2008年，亚洲二号退役，水利部又租用亚洲五号Ku波段转发器和亚太六号C波段转发器，实现混网组合，组建了新一代的水利通信系统，并于2010年投入使用，提高了抗雨衰能力，EIRP和G/T指数值在边远地区比前代提高了16倍，增强了发射和接收能力。新系统集图像、数据、语音和应急通信业务为一体，采用新型的DVB-S2通信体制，加大传输带宽，充分提高卫星信号传输能力，满足了防汛、抗旱卫星通信需求，有效保证了水利通信系统的业务应用。
3存在问题与展望
静止卫星自身虽然有覆盖范围广、成像周期短、资料来源均匀、连续、实时性强、成本低等先天性优势，但牺牲了传感器精度、荷载和传输速率等条件，造成业务应用面窄和深化程度不够的问题。因此，静止卫星在水利行业得到广泛应用还需要解决以下几个问题。
（1）提高卫星稳定性，保证监测数据的持续稳定获取。我国的FY-2号还采用自旋稳定姿态控制方式，卫星运行稳定性差，数据噪点多，难以实时稳定更新，改进静止卫星姿态控制方式，提高传感器灵敏度和稳定性，是保证监测数据高质量持续稳定传输的有效手段。
（2）提高传感器性能，满足行业应用精度要求，深化业务应用。目前水利行业采用的静止卫星数据源大多空间分辨率和光谱分辨率较低，离行业应用的精度要求尚有一定距离，另外，有效荷载种类过少，监测范围不足，相关应用领域较窄，需加大高轨、高分辨率传感器的研发投入，深化业务应用，在保证静止卫星同步、大尺度观测特性的同时，开展新型传感器的研究，扩展监测领域，进行精细化研究，提高传感器观测精度，保证行业应用的可靠性。
（3）做好与传统地面监测数据的协同应用。不管是单一静止卫星遥感监测数据，还是传统地面监测数据，都在反应真实水利应用状况时存在优缺点，做好和地面观测数据同化处理，实现与传统地面观测技术的结合应用，才能提供更加全面、真实、精确地监测数据。
（4）做好与高空间分辨率数据源的同化应用。静止卫星可提供全天候、大尺度的遥感监测资料，但不足之处是空间分辨率较低，数据精度有限，做好静止卫星数据与高空间分辨率遥感卫星数据的协同应用，是保证数据精度的发展方向之一。
目前，静止卫星在水利方面的应用还仅限于一些气象水文信息、水旱灾害的初级监测和水情的转发，像水土流失、水环境状况、灌溉面积监测、水利工程监测等更多水利信息的获取应用还不深入，并且由于应用理论水平的限制，也不能完全满足业务需求。但是，在高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率为代表的新型传感器的研发和高稳定姿态控制技术的发展下，随着数据传输能力的提高、地面数据处理技术的发展，静止卫星数据与传统监测数据和高空间分辨率数据的同化技术的深入研究，静止卫星数据的应用水平将不断提高。近期，依托高分辨率对地观测系统重大专项，我国将发射一颗高空间分辨率的光学静止卫星，将在卫星姿态控制和传感器物理指标上有重大突破，会大幅提升静止卫星的空间监测能力，为地表水体变化、水利工程运行状态监测、农作物长势监测以及水旱灾害监测与预警、突发水污染事件和其他突发灾害应急监测提供更加全面的监测数据，相信会更加深化静止卫星数据在水利行业的应用水平。
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