遙感在全球變化中的應(yīng)用

1、遙感在全球變化中的應(yīng)用楊紅妍（華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院地理系，上海 200062）摘 要：快速、多波段、周期性、大面積覆蓋等觀測能力的空間遙感技術(shù)，是全球環(huán)境變化研究中不可替代的重要手段。隨著遙感技術(shù)在國際上的蓬勃發(fā)展，遙感技術(shù)在我國全球環(huán)境變化研究中也開始得到了廣泛的應(yīng)用。簡述了遙感技術(shù)在我國土地利用覆蓋、大氣、濕地、海洋調(diào)查與災(zāi)害監(jiān)測方面的應(yīng)用情況以及所取得的成果。這些研究為遙感技術(shù)在全球環(huán)境變化研究中的深入應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：遙感、全球變化、土地利用、大氣、濕地、海洋、災(zāi)害0 引言當(dāng)前，人類面臨著人口膨脹、資源匱乏和環(huán)境惡化三大危機(jī)，而其中環(huán)境惡化制約著人類的生存和資源的可持續(xù)

2、利用，影響全球環(huán)境的溫室效應(yīng)、臭氧層破壞、森林銳減、物種滅絕、土地退化和淡水資源短缺等一系列重大問題困擾著人類社會。面對全球環(huán)境日益惡化的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，科學(xué)家必須在研究全球變化現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，預(yù)測未來環(huán)境變化趨勢，從而為政府決策提供科學(xué)依據(jù)。環(huán)境惡化的全球性和全球變化對世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性，日益引起世界各國科學(xué)家和政府首腦對全球變化研究的關(guān)注，紛紛呼吁要采取全球性的合作。目前，國際上公認(rèn)的全球變化研究的四個國際科學(xué)計(jì)劃-即WCRP、IGBP、IHDP、DIVERSITAS正是國際科學(xué)界努力的結(jié)果，四個計(jì)劃的實(shí)施極大地推動了全球變化研究。全球環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取是全球變化研究中的第一優(yōu)先,而遙感技術(shù)以其宏觀

3、快速能提供全球和區(qū)域地表的面上信息等優(yōu)勢,必將在全球環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取中起著重要的、不可或缺的作用。隨著遙感技術(shù)的日益完善-遙感技術(shù)已滲入到全球變化研究的眾多領(lǐng)域。從輔助手段到主要手段，乃至于某些專題研究中的唯一手段，遙感技術(shù)在全球變化研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。1 全球變化和遙感技術(shù)概要全球變化是指氣候和地表即地表以上各種因子間的相互作用造成的環(huán)境變化。它涉及到巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈。全球變化是當(dāng)今地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)和難題,已引起世界各國政府的高度重視和大力支持。當(dāng)前,已有一大批不同學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家(水文、生態(tài)、大氣、氣候、遙感等)投身于全球變化或與之相關(guān)的研究。全球變化已成為地球系統(tǒng)科

4、學(xué)一個新的研究領(lǐng)域。由于受到人類活動和自然過程的作用，目前全球變化研究中已經(jīng)出現(xiàn)土地利用/覆蓋變化、碳循環(huán)、濕地以及大氣監(jiān)測等熱點(diǎn)研究問題。具有全球觀測能力的遙感技術(shù)是全球變化研究中重要的、無可替代的技術(shù)手段。利用遙感既是獲取全球變化信息，時(shí)間周期很短。天空中運(yùn)行的氣象衛(wèi)星，可以一天兩次監(jiān)測同一地區(qū)，發(fā)過SPOT地球觀測衛(wèi)星，在需要時(shí)可以35天的間隔觀察同一地區(qū)，美國發(fā)射的地球觀測衛(wèi)星，以1618天的時(shí)間間隔觀察同樣的地區(qū)。2 遙感技術(shù)在全球變化熱點(diǎn)問題研究中的應(yīng)用全球變化研究涉及的學(xué)科和領(lǐng)域眾多，所需的數(shù)據(jù)量巨大，種類也繁多。下面是遙感技術(shù)所_作者簡介：楊紅妍，女，1982-，在讀碩士（51

5、110801062）。地理系地理信息系統(tǒng)專業(yè)。E-mail： 能提供的數(shù)據(jù)種類：大氣的垂直溫度剖面；降水量及頻度；大氣與同溫層臭氧含量；云覆蓋率；海面溫度；雪線；海冰線及海冰厚度；植被指數(shù)；反射率；風(fēng)暴位置；太陽能入射量；太陽能通量及光譜；地球輻射量；海洋葉綠體含量；痕量氣體；海洋表面風(fēng)；浪高及方向；洋流；同溫層及中間層的化學(xué)構(gòu)成；大地?zé)崛萘緽地面溫度；同溫層與上層對流層的化學(xué)構(gòu)成；地面風(fēng)速及方向；同溫層微粒與臭氧；土地利用狀況；海洋泥沙含量；淺海地形；陸地冰的范圍與厚度；土壤類型及變化；火山爆發(fā)與火山灰分布；土壤濕度及變化；海岸灘涂及變化；大地徑流量；森林及草場

6、火災(zāi)；積雪范圍與厚度。從這些數(shù)據(jù)可以看出，遙感技術(shù)已滲入到全球變化研究的很多領(lǐng)域.隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的種類會更多，而且提供數(shù)據(jù)的質(zhì)量將會有大的改觀，從而可滿足全球變化研究眾多領(lǐng)域研究的數(shù)據(jù)需求。下面僅從全球變化研究的幾個熱點(diǎn)問題中的遙感技術(shù)應(yīng)用闡述遙感技術(shù)在全球變化研究中的應(yīng)用潛力及進(jìn)展情況!2.1遙感在土地利用 /覆蓋變化監(jiān)測中的應(yīng)用由于地球表面，尤其是土地利用土地覆蓋狀況處于頻繁的動態(tài)變化中，前期的研究成果往往很快就發(fā)生了變化，所獲得的數(shù)據(jù)變得陳舊，因而及時(shí)了解其變化就顯得尤為重要。利用遙感技術(shù)進(jìn)行土地利用土地覆蓋變化的動態(tài)監(jiān)測關(guān)鍵在于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的選擇、不同時(shí)相數(shù)據(jù)的空間及光

7、譜的匹配、變化檢測方法的選擇 以及變化信息的提取與制圖等。 遙感對土地利用變化的監(jiān)測，過去大量的還是運(yùn)用目視分析對比不同時(shí)相土地利用圖的差異，或用新的遙感分類圖與舊的土地利用專題圖比較以求得變化區(qū)域和變化量，其效率與精度往往不能滿足用戶的要求。即使是對不同時(shí)相遙感圖象先分類后再逐個象元的對比、檢測變化信息，也因各自分類標(biāo)準(zhǔn)不一，精度、可信度難以滿足實(shí)用需求。 隨著GIS的發(fā)展，人們借助于GIS的支持，進(jìn)行專題信息的疊合分析，可直接檢測變化圖斑，進(jìn)行動態(tài)分析，輸出動態(tài)變化圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，滿足用戶的不同需求。 但是以往由于GIS與遙感之間的接口并不暢通，人們往往不得不經(jīng)過一個遙感專題制圖的過程，再將

8、不同時(shí)相的土地利用圖數(shù)字化或掃描輸入GIS進(jìn)行分析。這樣一來原本快捷的動態(tài)監(jiān)測過程卻要受到專題圖制作周期的影響，難以實(shí)現(xiàn)快速監(jiān)測的目的。隨著RSGIS的有效整合，這一矛盾將逐步得以解決。另外，直接從動態(tài)遙感信息中提取變化因子，實(shí)現(xiàn)快速動態(tài)監(jiān)測。如，不同時(shí)相遙感復(fù)合數(shù)據(jù)的分類提取、不同時(shí)相數(shù)據(jù)的植被指數(shù)變化圖、不同時(shí)相復(fù)合數(shù)據(jù)的主成分分量合成圖等，均可以取得較好的效果。下圖一：土地利用/土地覆蓋變化信息提取技術(shù)路線圖下圖二：土地利用變化監(jiān)測圖圖一：土地利用/土地覆蓋變化信息提取技術(shù)路線圖Flg.1(Land use /land cover change information extractio

9、n technology roadmap）Flg.1（圖二：土地利用變化監(jiān)測圖Flg.2（land use change monitoring plans）土地利用/土地覆蓋變化信息提取技術(shù)路線 2.2遙感在大氣監(jiān)測中應(yīng)用臭氧(O3)、CO2、甲烷(CH4)等大氣痕量氣體在全球變化中起著不可忽視的作用。搭載在Nimbus-衛(wèi)星上的臭氧總量制圖光譜儀(TOMS)自1978年開始對大氣中臭氧進(jìn)行衛(wèi)星觀測，積累了長期的O3衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。Varotsos等利用19791992年13年的Nimbus-7TOMS遙感數(shù)據(jù)分析到希臘上空的臭氧衰減，衰減率為每年0.8%；Crackell等也利用TOMS數(shù)據(jù)研

10、究了蘇格蘭上空的臭氧衰減情況。利用ERS-2上搭載的全球臭氧監(jiān)測實(shí)驗(yàn)裝置(GOMZ和大氣制圖學(xué)/化學(xué)掃描成像吸收光譜儀SCIAMACHY)可對CO和O3體積濃度進(jìn)行全球制圖日本于1996年發(fā)射的ADEDS- 衛(wèi)星上搭載有溫室氣體干涉監(jiān)測儀，可提供全球大氣中的CO2、N2O、CH4和CFCs，等溫室氣體的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)。地球觀測衛(wèi)星是利用遙感技術(shù)進(jìn)行大氣環(huán)境觀測的。應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測的電磁波譜主要是近紫外線到紅外線范圍(0.425)，以及微波范圍(10200GHZ)。用于大氣監(jiān)測的遙感技術(shù)種類較多，一般有相關(guān)光譜技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)及熱紅外掃描技術(shù)等。遙感技術(shù)在大氣監(jiān)測方面，主要用于CO、CO2、S

11、O2、O3等化學(xué)污染物的濃度測定以及確定煙羽的擴(kuò)散所及范圍和它的不透明度等。大氣領(lǐng)域的遙感可分為利用衛(wèi)星的大范圍的遙感(RS)和通過激光雷達(dá)進(jìn)行的地基的遙感。20世紀(jì)70年代的雨云衛(wèi)星系列第一次獲得了溫度、2、4、在全球大氣中的分布信息。搭載于雨云7號上的TOMS在發(fā)現(xiàn)臭氧洞方面做出了很大貢獻(xiàn)，取得了與平流層中臭氧層破壞的有關(guān)主要信息。2.3遙感在濕地研究中的應(yīng)用濕地是水陸相互作用形成的特殊自然綜合體，濕地與森林、農(nóng)田一起并列為全球三大生態(tài)系統(tǒng)。濕地因具有巨大的水文和元素循環(huán)功能，被稱為“地球之腎”，因具有巨大的食物網(wǎng)、支持多樣性的生物而被看作“生物超市”，是自然界最具生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)和人類最

12、重要的生存環(huán)境之一。濕地對碳的貯存以及產(chǎn)生CH4、CO2、S、N等微量氣體等方面起著特別重要的作用，是全球變化研究中的一個重要的研究領(lǐng)域。及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握和研究該區(qū)濕地資源的現(xiàn)狀和動態(tài)變化過程對濕地的合理開發(fā)和保護(hù)有重要意義。2.4遙感在海洋及海岸帶的應(yīng)用中國海洋遙感，圍繞大洋環(huán)流、近岸海流、海冰、海洋表層流場、港灣水質(zhì)、近岸工程、圍墾、懸浮沙、淺灘地形、沿海表面葉綠素濃度等海洋水文、氣象、生物、物理及海水動力、海洋污染、近岸工程等領(lǐng)域大力開展了遙感調(diào)查和監(jiān)測工作。遙感能為海洋學(xué)家提供跟蹤大尺度洋流、中尺度渦流實(shí)時(shí)調(diào)查信息(包括風(fēng)浪場的準(zhǔn)確信息)；為海洋氣象學(xué)的研究提供有關(guān)海面上空的云圖和風(fēng)暴

13、潮、臺風(fēng)信息；為海洋生物學(xué)的研究提供有關(guān)海洋初級生產(chǎn)力和海洋生物環(huán)境方面的信息；為海洋地質(zhì)研究提供有關(guān)重力場、海平面、大地水準(zhǔn)面等海面地形的測高資料；還能為海洋環(huán)境保護(hù)提供快速大尺度監(jiān)測和區(qū)分海面溢油及其它海面污染的方法與圖像。近年來海岸帶遙感應(yīng)用遠(yuǎn)比海洋遙感應(yīng)用活躍，例如海岸帶和海島遙感活躍在海岸帶和海島大地測量與制圖、海岸帶和海島土地利用、植被生態(tài)和沿海海域初級生產(chǎn)力、災(zāi)害監(jiān)測等方面。在海岸帶潮汐灘涂的測繪、量算、分類，包括灘涂紅樹林、海岸珊瑚礁及其生態(tài)自然保護(hù)區(qū)的監(jiān)測管理、沿海城市布局、交通、航運(yùn)、城市環(huán)境污染、城市環(huán)境地質(zhì)、港口碼頭建設(shè)和近岸工程等方面，已成為主要的監(jiān)測手段和信息源。所

14、用的遙感信息源有NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)、Landsat MSS和TM數(shù)據(jù)、風(fēng)云一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)和微波遙感數(shù)據(jù)。2.5遙感在重大自然災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測、評價(jià)與災(zāi)情預(yù)報(bào)的應(yīng)用1）洪水災(zāi)害評估針對遙感信息特征和災(zāi)情分析的需求，對水體識別、云影消除、面積統(tǒng)計(jì)、淹沒損失、災(zāi)情評估和動態(tài)監(jiān)測六個方面如何綜合應(yīng)用NOAA、風(fēng)云一號氣象衛(wèi)星和陸地衛(wèi)星TM圖像提出了一套方法，并且在微機(jī)、SUN一10工作站上建立了相應(yīng)的軟件和模型。在洪水行為模擬模型方面，主要針對河網(wǎng)化型、行洪型、潰決型和滯洪型，并分別在太湖、淮河中下游、遼河、三門峽庫區(qū)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了滿意成果。2）森林火災(zāi)監(jiān)測對森林進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測的同時(shí)，提高了林火調(diào)

15、查的準(zhǔn)確率。研究了用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)識別林火，識別精度有較大的提高；應(yīng)用遙感手段對林火從預(yù)警到災(zāi)后生態(tài)恢復(fù)全過程進(jìn)行監(jiān)測；初步建立了林火行為損失評價(jià)的仿真模型，著重獲取林火蔓延速度和范圍以火場內(nèi)各點(diǎn)溫度的變化，將林火災(zāi)區(qū)的林火蔓延速度和溫度場統(tǒng)一起來，進(jìn)行實(shí)時(shí)林火模擬監(jiān)測。3）干旱災(zāi)害監(jiān)測與評價(jià)干旱災(zāi)害監(jiān)測評價(jià)研究的特點(diǎn)是通過建立旱情監(jiān)測評價(jià)的物理模型，在已建成的旱情背景數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)支持下，將遙感圖像和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合起來，對旱情進(jìn)行大面積動態(tài)監(jiān)測。根據(jù)“七五”攻關(guān)中新發(fā)現(xiàn)的日蒸散量的估算方程，在黃淮海平原不同土壤質(zhì)地地區(qū)進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)，獲得了土壤水分及其熱量的關(guān)系，依據(jù)能量平衡

16、建立了土壤熱量模型和土壤水分及其熱慣量的關(guān)系，可直接從遙感圖像上大面積估算土壤水分，減少了對地面數(shù)據(jù)的依賴。在以上基礎(chǔ)上建立的作物缺水指數(shù)模型，可用NOAAAVHRR數(shù)字圖像和氣象數(shù)據(jù)大面積監(jiān)測旱情，使旱情分布圖及不同旱情等級的面積和比例一目了然。4）雪災(zāi)損失評估通過攻關(guān)建立了牧區(qū)雪災(zāi)多因子組合分級指標(biāo)體系，并據(jù)此剝用氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)結(jié)合牧區(qū)草場長勢、畜群結(jié)構(gòu)和其它不利氣象條件等，在GIS支持下，提出牧區(qū)雪災(zāi)判別、雪災(zāi)發(fā)展趨勢預(yù)測和雪災(zāi)損失評估模型，突破了以往僅僅依據(jù)l、2個不利氣象因素確定成災(zāi)與否，劃分災(zāi)情等級以及根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)估算雪災(zāi)損失的傳統(tǒng)做法，提高了牧區(qū)雪災(zāi)防治和減災(zāi)對策研究水平。5）

17、地震災(zāi)害通過編制“中國未來50年地震災(zāi)害損失區(qū)劃圖”的工作，研究了利用概率進(jìn)行地震災(zāi)害預(yù)測，建立了地震災(zāi)害的期望損失式和一套各類建筑物易損性矩陣。突破了以往地震災(zāi)害長期預(yù)測沒有準(zhǔn)確時(shí)間尺度、經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡指標(biāo)的傳統(tǒng)做法，對中國今后幾十年內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的戰(zhàn)略部署和抗震設(shè)防均具有重要的參考價(jià)值。6）沙漠化監(jiān)測利用航天遙感和航空遙感資料完成了l：400萬中國土地沙漠化圖件的編制，初步研制和建立了沙漠化災(zāi)害遙感監(jiān)測評繪模型庫，內(nèi)容主要包括沙漠化災(zāi)害分類的數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型、沙漠化災(zāi)害發(fā)展趨勢的灰色預(yù)測模型、沙漠化災(zāi)害評價(jià)的系統(tǒng)動力學(xué)模型等，這些模型激進(jìn)行了初步的模擬與應(yīng)用。3 小結(jié)隨著遙感獲取技術(shù)的不斷發(fā)展

18、，時(shí)間、空間、光譜分辨率的逐步提高，大量的遙感數(shù)據(jù)可以用來實(shí)時(shí)快速的監(jiān)測全球環(huán)境變化。遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用，避免了傳統(tǒng)方法以點(diǎn)代面的局限性，使得監(jiān)測結(jié)果更為準(zhǔn)確、手段更為實(shí)用，為合理評估全球環(huán)境變化提供科學(xué)依據(jù)；通過數(shù)據(jù)同化/數(shù)據(jù)-模型融合技術(shù)將常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)同化到過程模型，加強(qiáng)遙感數(shù)據(jù)的使用，對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使模型估算精度提高，降低模型的不確定性，推動地學(xué)多學(xué)科研究發(fā)展；利用多尺度遙感數(shù)據(jù)，整合全球或區(qū)域尺度模型，促進(jìn)地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展；獲取全球環(huán)境變化的第一手資料，揭示其時(shí)空變化特征，可以為中國參與聯(lián)合國氣候變化框架公約（UNFCCC）的外交談判提供必要的知識、技術(shù)和數(shù)據(jù)貯備；全球變化

19、遙感的研究，可以為中國的數(shù)字信息工程建設(shè)提供理論與方法基礎(chǔ)。4 展望遙感在我國資源與環(huán)境變化動態(tài)監(jiān)測調(diào)查方面發(fā)揮著越來越重要的作甩。我國地處東亞季風(fēng)氣候區(qū)，自然環(huán)境和生態(tài)結(jié)構(gòu)的各種類型比較齊全，我國資源與生態(tài)環(huán)境的變化在一定程度上代表著整個東亞季風(fēng)及其控制區(qū)域環(huán)境與生態(tài)的變化。我們正以遙感作為主要監(jiān)測手段，建立長時(shí)間序列的資源與環(huán)境數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)，并將對全球變化研究以及全球變化的各國家或各大區(qū)域模式、模型研究做出我們的貢獻(xiàn)。感謝：全球變化是一種新的地球觀，它以地球系統(tǒng)的概念為基礎(chǔ)，從整體上研究地球系統(tǒng)在各個時(shí)間尺度上隨時(shí)間的變化，揭示地球各子系統(tǒng)之間的相互作用規(guī)律。首先，我要感謝本門課程的授

20、課老師戴雪榮老師，他的靈活式、自由式、討論式和引導(dǎo)式授課風(fēng)格使我受益匪淺，最重要的是我從這門課程學(xué)到了如何用整體的、聯(lián)系的和辯證的方法去思考科研中遇到的問題。還有，我要感謝我的同學(xué)們，感謝他們幫助我開闊眼界與思維。 最后，對文章中所提及的研究人員一致表示感謝。參考文獻(xiàn)：1 馮筠，高蜂，孫成權(quán)遙感技術(shù)在全球變化研究中的應(yīng)用J。遙感按術(shù)與應(yīng)用，2001，16(4)：2372412 王長耀，布和敖斯?fàn)?，狄小春遙感技術(shù)在全球環(huán)境變化研究中的作用J地理科學(xué)進(jìn)展，1998，13(3)：2782833 高彥春，牛錚，王長耀遙感技術(shù)與其全球變化的研究J地球信息科學(xué)，2000(2)：42464 陳述彭。遙感應(yīng)用

21、。地學(xué)探索（第三卷）M。北京：科學(xué)出版社，1990：67815 王長耀黃淮海平原水域動態(tài)演變遙感分析C中溪童地到用土地覆蓋研究論文集北京：科學(xué)出版社，1996：192l。6 劉紀(jì)遠(yuǎn)中國國家資源環(huán)境遙感信息服務(wù)體系C中外空間太空科學(xué)討論會論文集北宋：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1996：1271337 徐冠華三北防護(hù)林地區(qū)再生資源遙感的理論及其技術(shù)應(yīng)用M北京：中國林業(yè)出版社，1994：1998 林敏基海洋與海岸帶遙感應(yīng)用M北京：海洋出版社，1991：29842l。Application of Remote Sensing Technology to Global Environment ChangeYangHongyan(Department of Geography, College of Resources and Environmental Sciences, East China Normal University)Abstract：Global environment change is the top research