遥感高分蒸散监测与应用产业前景分析

遥感高分蒸散监测与应用产业前景分析摘要：遥感高分蒸散监测与应用产业前景十分广阔，正处于蓄势待发，万事俱备只欠东风阶段。产业投资规模0.58万亿元，经济效益1.35万亿元，社会经济综合效益2.60万亿元。其发展将开启中国数字水利、虚拟水利新时代，促进水利核心技术升级换代，为水资源可持续利用提供根本保障，为国民经济发展和生态环境保护提供水资源保障。促进中国高新技术与产品跨出国门走向世界，为一带一路建设，为共建利益共同体、命运共同、责任共同体再添新动力和新亮点。关键词：高分遥感ET产业前景水利一带一路中图分类号：P237文献标识码：A文章?号：1674-098X（2017）09（b）-0146-04Abstract：TheindustryofhighresolutionETmonitoringandapplybyusingofsatelliteremotesensinghasabrightprospect.Theindustrialdevelopmenthasmanyadvantages，andnowbeingaccumulatingstrengthforatake-off.Theindustrialdevelopmentneedtoinvestin0.58trillionyuan.Itwillbring1.35trillionyuaninvestmentbenefit，and2.60trillionyuansocialandeconomiccomprehensivebenefits.Thedevelopmentwillopenneweraofthediditalandvirtualwaterconservancy，andpromotecoretechnologyupgradingofwaterconservancyandsustainableutilizationofwaterresources.Itwillprovidesafeguardforthenationalsliencedevelopmentandecologicalencironment.ItwillpromoteChina’shighandnewtechnologyandproductsareexportedabroad.ItwillIncreasenewmomentumandhighlightforoneBeltandOneRoad.KeyWords：Highresolutionremotesensing；ET；Industryoutlook；Waterconservancy；OneBeltandOneRoad蒸腾蒸散（Evapotranspiration），简称蒸散（ET），包括土壤蒸发、水面蒸发、植物蒸腾，是地表水循环和生态过程的重要环节。ET一直是气象、水利、农业、生态环境、城镇建设等领域关注的重要参数与过程。遥感和ET监测理论与技术的进步，为ET监测和应用创造了新空间。遥感高分蒸散是指基于高分遥感技术的高精度ET产品，即基于高空间分辨率、高时间分辨率等高分遥感对地观测技术，结合地面校验技术，获取的陆面高精度ET产品。其相关的技术称为遥感高分蒸散（ET）技术，与此相关的上、下游行业集群称为遥感高分蒸散监测与应用产业，简称遥感高分ET产业。遥感高分ET主要应用于水利、农业、林业等国民经济基础行业数字化与现代化建设等，如水资源规划与管理、高效节水监测管理、水土流失治理、洪旱灾害防治与灾后重建、高效精准农业建设、森林与草场保护与修复、水权界定与保护等，具有广阔的应用前景。以前由于技术制约，其研究与应用主要集中在科研单位、个别领域或局部地区。近十几年我国遥感技术的飞速发展，为ET监测的跟踪研究、创新发展和应用示范以及ET业务化应用创造了有利条件。遥感高分ET产业，一个战略新兴产业正呼之欲出。1产业前景分析1.1现代水资源规划管理通过ET、虚拟技术等，可以实现对水循环的精准模拟，为现代水资源规划管理提供关键精准信息。ET有潜力成为水利部门广泛采用的水管理工具[1]。持续、稳定的标准高分ET产品，将极大地降低ET技术的应用门槛，并促进其广泛应用。基于ET可摒弃传统水资源管理“长规划短管理”体制的弊端，创建“短规划长管理”新体制。ET技术可为三条红线的合理制定、最严格的水资源管理提供关键信息，为水资源开发利用提供实时、可视化的公共信息服务。1.2提高农业节水技术水平农业是用水大户，大约占区域用水的70%～90%。农业节水技术的提高关乎区域发展。基于ET的节水技术可以实现灌区真实节水[2]，开辟高效节水监测与管理新路。可以有效解决“重建设轻管理”问题；节水面积不断增加，节出水量不断减少问题等。可以为创新田间供排水技术和用水监测调控技术提供支撑。1.3水权界定与保护基于ET和景观生态学理论技术，可以为生态水权界定与保护提供技术服务和依据[3]。生态退化绝大多数情况是生态用水被挤占或过程被改变，无论生态学家多么努力，缺水一切努力将无果。上游节水下游遭殃问题，其根本原因是上游通过节水技术，截留了本该、或按历史惯例应该渗漏补给下游的地下水资源。地下水超采、偷采现象，上游地区过渡开发水资源等现象，在高分ET下将暴露无遗。高分ET技术是未来水权界定与保护的关键技术，其推广将为促进国家、地区和平用水、公平用水提供重要依据。为促进人类与生态和谐用水提供重要依据。1.4促进现代农业发展现代农业的主要标志是信息化、自动化、精准化、高产与高效益。ET可以为农业生产全过程提供监测、调控信息[4]。为农作物估产、种植结构调整、生产与销售提供信息。半数林地、草地退化与缺水有关，ET技术可以为林业、牧业以及生态环境保护提供依据[5]。1.5为一路一带建设再添新亮点ET的广泛应用将不断提升我国的高新技术水平，为社会与经济发展提供持续动力[6]。水资源短缺是世界多数国家共同面临和关注的问题，其节约用水、高效用水技术均需持续提高。21世纪由于用水矛盾激化，国家、地区冲突的概率在持续增加。如果依托我们目前已经形成的相对技术优势，快速推进高分ET产业，将会在短期内形成技术制高点，并辐射世界多数国家尤其是一带一路国家，为一带一路建设再添新亮点，同时也为维护世界和平贡献中国力量。2产业发展条件2.1理论技术深远而又不断刷新蒸散研究大致经过了三个阶段，即水面蒸发测定阶段、陆面蒸散测定阶段、遥感陆面蒸散估算阶段。水面蒸发测定阶段。1687年英国天文学家Halley首次使用蒸发皿测定蒸发，从此开启了水面蒸发观测序幕，该阶段主要技术包括水面蒸发测定、植物蒸腾测定、大水面蒸发计算等技术。这些技术至今仍在使用。陆面蒸散测定阶段，该阶段主要技术包括基于水量平衡、水热平衡以及基于微气象学方法如波文比-能量平衡法、涡度相关法、空气动力学法等的陆面蒸散计算。1998年联合国粮农组织（FAO）推荐将Penman_Monteith法作为计算参考作物腾发量的唯一标准方法。这些理论与方法至今仍在使用并为遥感反演ET提供真实检验。其特点是点的高精度ET监测，区域ET需要由点ET推算。由于陆面的复杂性和气象要素的多变性，区域蒸散量误差很难精准。陆面蒸散测定为农业、水利、生态过程的概略研究提供了良好依据和手段。遥感陆面蒸散估算阶段，20世纪70年代，随着遥感技术的不断发展，利用遥感数据估算蒸散的技术应运而生。主要基于可见光、近红外及热红外波段的反射和辐射信息反演ET。著名的模型有SEBAL模型、植被-温度梯度模型、互补关系模型等。特点是面ET估算，可以粗略估算区域蒸散量，区域ET精度较第二阶段大为提高。代表产品是30m空间分辨率、3-16日时间分辨率的ET估算产品；1km空间分辨率、日ET估算产品。开辟大尺度到特大尺度区域水平衡分析、真实节水研究、遥感农业估产新路。中国遥感ET监测紧跟世界步伐，并已开始超越。20世纪50年代，中国在各省设置灌溉试验站[7]，观测不同作物的耗水量（ET）、变化规律和影响因素。积累了丰富资料，为当地罐区建设、管理及水资源规划提供了科学依据。在2000年前后，美国、巴基斯坦、印度等开始应用SEBAL估算ET。水利部在海河流域也开展了类似应用试验。并于2003年出版了利用遥感监测ET技术研究与应用专著，代表当时我国ET研究应用的最高水平，该研究促进了国内遥感ET反演及应用的发展。2007年水利部新疆水利水电勘测设计研究院在白杨河流域开展了基于ET的流域规划和生态水权界定应用。2006年―2009年，水利部中国水利水电科学院、清华大学水利水电工程系联合完成了“948”项目区域蒸散量遥感监测估算技术与设备引进项目。2014年水利部批准实施948项目遥感地面校验系统引进及应用技术开发项目，旨在探索高精度ET反演以及在农业的应用理论与技术。中国水利部高度重视ET监测技术与遥感ET监测技术，连续研究监测、跟踪引进、试验改进近60年，此举实属罕见，但也昭显ET监测研究的重要。受ET监测精度限制，目前基于ET的水资源管理仍处于探索阶段[8]。ET监测理论技术是古老而又换发着青春的理论技术。随着高分遥感技术的发展，它将迈入遥感高分ET新阶段。2.2中国遥感技术进步目前中国遥感卫星主要包括气象卫星系列、国土资源卫星系列、海洋卫星系列、环境与灾害小卫星星群、高分系列卫星以及其它小卫星和微卫星等。中国仅用不到20年时间，实现了遥感技术的跨越发展。目前国产遥感卫星已经达到的主要技术指标如下。光谱范围：覆盖紫外，可见光、近红外、短波红外、热红外、微波等。其中紫外0.16～0.40μm。可见光、近红外光谱0.43～0.95μm，短波红外1.55～3.90μm，热红外10.4～50μm。光谱分辨率：多光谱，高光谱0.45～0.95μm（110-128波段）时间分辨率：几十秒到几天，主要包括20s、3～5d等数据产品。空间分辨率：0.5m到几十km。主要包括2m、2.36m、4m、5m、10m、16m、19.5m、30m、150m、258m等多系列?b感数据以及1km至几十km的气象卫星数据等。就目前已经实现的指标来看，中国已经具备研究建设遥感高分ET卫星的能力。2.3遥感高分ET对地观测目前是空白目前国际上有许多对地观测项目或计划，如美国对地观测计划，欧盟哥白尼计划[9]等，但没有专门针对高分ET的监测卫星，ET主要基于气象卫星、陆地卫星等观测数据反演。如基于美国Landsat数据、反演15～30m空间分辨率，低时间分辨率ET；基于美国MODIS数据，反演250m～1000m空间分辨率，每日ET；基于美国的NOAA数据反演1.1km空间分辨率，每日ET。这些ET产品主要应用于研究试验，其空间分辨率、时间分辨率、精度难以满足水资源规划管理和农业生产等的实际需要。基于国产卫星数据反演高分ET还存在许多制约因素，研发新卫星或星座势在必行。3产业规模遥感高分ET产业包括遥感系和应用系统两大部分。遥感系统包括卫星系列、地面接收与处理系统、遥感地面校验场、ET标准产品服务系统、发射与维护系统等。应用系统包括：大数据中心与云服务平台、分布专业校验场、系统软件与应用软件等。应用软件包括GIS、遥感、数据库等基础软件，以及虚拟水资源规划管理、真实节水管理、水权界定与监测、遥感节水控制、精细农业管理、林业用水管理、水源地可视化管理、牧业用水管等专业应用软件。3.1遥感系统遥感系统建设费用各国差异很大，为了从定量角度说明遥感ET产业规模，采用基于单位有效荷载的国际平均指数估算。有效荷载按1500kg计算。卫星研究费用12.2亿元，发射费用9.8元，地面数据中心建设60亿，地面校验场2.8亿元。运行维护8年总计费用40.9亿元。总计遥感系统建设投资为125.4亿元。3.2应用系统应用系统总计投资5658.1亿元。3.2.1大型数据中心与云服务平台10个一级水资源分区分别建设区域数据中心。全国建总数据中心，规模相当于5个区域数据中心。34个一级行政区各设1个数据中心。考虑部分省份已经建设省级、或区域数据中心，可以共享使用这些数据中心，实际1级行政区数据中心可以按10～20计算。在进行产业规模估算时，仍按每个一级行政区1个数据中心。除总数据中心单设异地备份中心外，其它采用同级异地数据备份。数据采用分级储存、处理模式。数据中心规模为大型，安装服务器机架4000-8000架，提供2.8万T到5.6万T的数据存储能力。因此总计应建54个大型数据中心。建设投资3240亿元，年运行及维护费3.3亿元。各县设置小型数据中心。3.2.2分布专业校验场建设以县为单位，每现20个自动子校验场，2个基本场。一个基本场相当于3个自动校验场。每县共计26校验场。全国2877县级行政单位，共计74802个校验场。建设投资374亿元。3.2.3软件及硬件以县为单位配置基础软件、应用软件及硬件，总计软硬件建设投资152.5亿元。基础软件包括操作系统、办公软件、GIS软件、数据软件、遥感软件。操作系统采用Windows，或linux系统。办公软件采用Office或国产办公系统软件。这两款软件随机销售，不单另计算软件费用。GIS软件采用ARCGIS、SUPERMAP、MAPGIS系统，介于国产GIS与国际知名GIS系统ArcGIS性能基本接近且部分功能已经超越，计价参照SUPERMAP，综合价格为40万元/套。数据库采用ORECE、SYSBASE、SQLSERVER数据库软件，国产DM软件虽然性能也比较优越，但考虑对GIS、遥感的支持不如国际主流软件，计价参照ORECE，综合价格为50万元/套。遥感软件采用ENVI、PCI、ERMapper、ERDASImagine或国产遥感软件，以目前使用较多的ENVI软件为计价参照，综合价格为20万元/套。按上述计价软件测算，每县基础软件共?费用110万元。应用软件包括：（1）GIS、（2）遥感、（3）数据库等基础软件，专业应用软件：（4）虚拟水资源规划管理系统、（5）真实节水管理业务系统、（6）水权界定与监测业务系统、（7）遥感节水控制系统、（8）精细农业管理系统、（9）林业用水管理系统、（10）水源地可视化管理系统、（11）牧业用水管理系统等。应用软件平均按每县10个子系统计算。应用软件开发因为不同地区差异较大，难以精确估算，按平均费用估算，每县应用软件及开发费用为110万元。模型建模需要投入适当的勘察、调研、研究等工作，不同地区、不同功能软件差异较大，采用平均费用估算，每县费用250万元。硬件：按小型计算数据中心建设，平均综合费用每个50万元。3.3总产业投资规模投资建设2年，运行8年。总静态投资5784亿元，其中遥感系统建设运行投资125亿元，应用系统建设运行投资5658亿元，遥感系统与应用系统投资比例为1∶45。4产业效益ET产业前期发展需要政府主导和扶持。一旦激活形成规模，将产生巨大的社会经济与环境效益。主要表现在：信息技术深刻融入国家基础产业或行业，为其持续发展奠定坚实基础；中国开启数字水利、虚拟水利新时代，水资源持续利用得到有效保障；高效精准农业蓬勃发展；工业城市发展用水更趋合理；生态环境用水得到切实保障。中国的水利、农业等高新技术以及遥感、信息等高新技术与产品跨出国门走向世界。中国在和平用水、公平用水国际领域担当更重要的角色。按照遥感与信息技术投入与效益一般比例3∶7计算，产业的形成将带来13495亿元投资效益。创造高新IT持续岗位37374个，为国家科技发展提供人才保障。其产业效益估算没有考虑投资残余值效益、边际效益、安全效益，如果考虑总效益应不低于2.6万亿元。5结语（1）遥感高分ET产业具有广阔的前景，产业规模大于0.58万亿元，经济效益大于1.35万亿元