遥感高分蒸散监测与应用产业前景分析

2017-11-08索建军

科技创新导报 2017年26期

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 文章編号：1674-098X（2017）09（b）-0146-04

Abstract： The industry of high resolution ET monitoring and apply by using of satellite remote sensing has a bright prospect. The industrial development has many advantages，and now being accumulating strength for a take-off.The industrial development need to invest in 0.58 trillion yuan.It will bring 1.35 trillion yuan investment benefit，and 2.60 trillion yuan social and economic comprehensive benefits.The development will open new era of the didital and virtual water conservancy ，and promote core technology upgrading of water conservancy and sustainable utilization of water resources.It will provide safeguard for the national slience development and ecological encironment.It will promote Chinas high and new technology and products are exported abroad.It will Increase new momentum and highlight for one Belt and One Road.

Key Words：High resolution remote sensing； ET； Industry outlook； Water conservancy； One Belt and One Road

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。endprint

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等多系列遙感数据以及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。endprint

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、ER Mapper、ERDAS Imagine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，每县基础软件共計费用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，社会经济综合效益大于2.60万亿元。

（2）产业形成的关键是尽快研建高分ET遥感系统。由政府主导依托相关行业强力推进应用系统建设和管理体制的改革。

（3）产业上、下游投入比例达1∶45，即使采用共享机制，减少大数据中心数量，其比例也将达1∶20左右，说明我国目前的基础行业信息化技术还存在巨大短板，需要快速弥补，以避免出现技术脱影响国家持续发展。

（4）遥感高分ET产业将成为中国和平崛起的重要基石。

参考文献

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