遥感在全球变化中的应用-供参考

1、遥感在全球变化中的应用杨红妍（华东师范大学资源与环境科学学院地理系，上海 200062）摘 要：快速、多波段、周期性、大面积覆盖等观测能力的空间遥感技术，是全球环境变化研究中不可替代的重要手段。随着遥感技术在国际上的蓬勃发展，遥感技术在我国全球环境变化研究中也开始得到了广泛的应用。简述了遥感技术在我国土地利用覆盖、大气、湿地、海洋调查与灾害监测方面的应用情况以及所取得的成果。这些研究为遥感技术在全球环境变化研究中的深入应用奠定了基础。关键词：遥感、全球变化、土地利用、大气、湿地、海洋、灾害0 引言当前，人类面临着人口膨胀、资源匮乏和环境恶化三大危机，而其中环境恶化制约着人类的生存和资源的可持续

2、利用，影响全球环境的温室效应、臭氧层破坏、森林锐减、物种灭绝、土地退化和淡水资源短缺等一系列重大问题困扰着人类社会。面对全球环境日益恶化的严峻现实，科学家必须在研究全球变化现状的基础上，预测未来环境变化趋势，从而为政府决策提供科学依据。环境恶化的全球性和全球变化对世界经济发展的重要性，日益引起世界各国科学家和政府首脑对全球变化研究的关注，纷纷呼吁要采取全球性的合作。目前，国际上公认的全球变化研究的四个国际科学计划-即WCRP、IGBP、IHDP、DIVERSITAS正是国际科学界努力的结果，四个计划的实施极大地推动了全球变化研究。全球环境数据的获取是全球变化研究中的第一优先,而遥感技术以其宏观

3、快速能提供全球和区域地表的面上信息等优势,必将在全球环境数据的获取中起着重要的、不可或缺的作用。随着遥感技术的日益完善-遥感技术已渗入到全球变化研究的众多领域。从辅助手段到主要手段，乃至于某些专题研究中的唯一手段，遥感技术在全球变化研究中发挥着越来越重要的作用。1 全球变化和遥感技术概要全球变化是指气候和地表即地表以上各种因子间的相互作用造成的环境变化。它涉及到岩石圈、大气圈、水圈和生物圈。全球变化是当今地球科学研究的热点和难题,已引起世界各国政府的高度重视和大力支持。当前,已有一大批不同学科领域的科学家(水文、生态、大气、气候、遥感等)投身于全球变化或与之相关的研究。全球变化已成为地球系统科

4、学一个新的研究领域。由于受到人类活动和自然过程的作用，目前全球变化研究中已经出现土地利用/覆盖变化、碳循环、湿地以及大气监测等热点研究问题。具有全球观测能力的遥感技术是全球变化研究中重要的、无可替代的技术手段。利用遥感既是获取全球变化信息，时间周期很短。天空中运行的气象卫星，可以一天两次监测同一地区，发过SPOT地球观测卫星，在需要时可以35天的间隔观察同一地区，美国发射的地球观测卫星，以1618天的时间间隔观察同样的地区。2 遥感技术在全球变化热点问题研究中的应用全球变化研究涉及的学科和领域众多，所需的数据量巨大，种类也繁多。下面是遥感技术所_作者简介：杨红妍，女，1982-，在读硕士（51

5、110801062）。地理系地理信息系统专业。E-mail： HYPERLINK mailto: 能提供的数据种类：大气的垂直温度剖面；降水量及频度；大气与同温层臭氧含量；云覆盖率；海面温度；雪线；海冰线及海冰厚度；植被指数；反射率；风暴位置；太阳能入射量；太阳能通量及光谱；地球辐射量；海洋叶绿体含量；痕量气体；海洋表面风；浪高及方向；洋流；同温层及中间层的化学构成；大地热容量B地面温度；同温层与上层对流层的化学构成；地面风速及方向；同温层微粒与臭氧；土地利用状况；海洋泥沙含量；浅海地形；陆地冰的范围与厚度；土壤类型及变化；火山爆发与火山灰分布；土壤湿度及变化；海岸滩涂及变化；大地径流量；森林

6、及草场火灾；积雪范围与厚度。从这些数据可以看出，遥感技术已渗入到全球变化研究的很多领域.随着遥感技术的发展，遥感数据的种类会更多，而且提供数据的质量将会有大的改观，从而可满足全球变化研究众多领域研究的数据需求。下面仅从全球变化研究的几个热点问题中的遥感技术应用阐述遥感技术在全球变化研究中的应用潜力及进展情况!2.1遥感在土地利用 /覆盖变化监测中的应用由于地球表面，尤其是土地利用土地覆盖状况处于频繁的动态变化中，前期的研究成果往往很快就发生了变化，所获得的数据变得陈旧，因而及时了解其变化就显得尤为重要。利用遥感技术进行土地利用土地覆盖变化的动态监测关键在于多时相遥感数据的选择、不同时相数据的空

7、间及光谱的匹配、变化检测方法的选择 以及变化信息的提取与制图等。 遥感对土地利用变化的监测，过去大量的还是运用目视分析对比不同时相土地利用图的差异，或用新的遥感分类图与旧的土地利用专题图比较以求得变化区域和变化量，其效率与精度往往不能满足用户的要求。即使是对不同时相遥感图象先分类后再逐个象元的对比、检测变化信息，也因各自分类标准不一，精度、可信度难以满足实用需求。 随着GIS的发展，人们借助于GIS的支持，进行专题信息的叠合分析，可直接检测变化图斑，进行动态分析，输出动态变化图和统计数据，满足用户的不同需求。 但是以往由于GIS与遥感之间的接口并不畅通，人们往往不得不经过一个遥感专题制图的过程

8、，再将不同时相的土地利用图数字化或扫描输入GIS进行分析。这样一来原本快捷的动态监测过程却要受到专题图制作周期的影响，难以实现快速监测的目的。随着RSGIS的有效整合，这一矛盾将逐步得以解决。另外，直接从动态遥感信息中提取变化因子，实现快速动态监测。如，不同时相遥感复合数据的分类提取、不同时相数据的植被指数变化图、不同时相复合数据的主成分分量合成图等，均可以取得较好的效果。下图一：土地利用/土地覆盖变化信息提取技术路线图下图二：土地利用变化监测图图一：土地利用/土地覆盖变化信息提取技术路线图Flg.1(Land use /land cover change information extrac

9、tion technology roadmap）Flg.1（图二：土地利用变化监测图Flg.2（land use change monitoring plans）土地利用/土地覆盖变化信息提取技术路线 2.2遥感在大气监测中应用臭氧(O3)、CO2、甲烷(CH4)等大气痕量气体在全球变化中起着不可忽视的作用。搭载在Nimbus-卫星上的臭氧总量制图光谱仪(TOMS)自1978年开始对大气中臭氧进行卫星观测，积累了长期的O3卫星观测数据。Varotsos等利用19791992年13年的Nimbus-7TOMS遥感数据分析到希腊上空的臭氧衰减，衰减率为每年0.8%；Crackell等也利用TOMS

10、数据研究了苏格兰上空的臭氧衰减情况。利用ERS-2上搭载的全球臭氧监测实验装置(GOMZ和大气制图学/化学扫描成像吸收光谱仪SCIAMACHY)可对CO和O3体积浓度进行全球制图日本于1996年发射的ADEDS- 卫星上搭载有温室气体干涉监测仪，可提供全球大气中的CO2、N2O、CH4和CFCs，等温室气体的遥感监测数据。地球观测卫星是利用遥感技术进行大气环境观测的。应用于大气环境监测的电磁波谱主要是近紫外线到红外线范围(0.425)，以及微波范围(10200GHZ)。用于大气监测的遥感技术种类较多，一般有相关光谱技术、激光雷达技术及热红外扫描技术等。遥感技术在大气监测方面，主要用于CO、CO

11、2、SO2、O3等化学污染物的浓度测定以及确定烟羽的扩散所及范围和它的不透明度等。大气领域的遥感可分为利用卫星的大范围的遥感(RS)和通过激光雷达进行的地基的遥感。20世纪70年代的雨云卫星系列第一次获得了温度、2、4、在全球大气中的分布信息。搭载于雨云7号上的TOMS在发现臭氧洞方面做出了很大贡献，取得了与平流层中臭氧层破坏的有关主要信息。2.3遥感在湿地研究中的应用湿地是水陆相互作用形成的特殊自然综合体，湿地与森林、农田一起并列为全球三大生态系统。湿地因具有巨大的水文和元素循环功能，被称为“地球之肾”，因具有巨大的食物网、支持多样性的生物而被看作“生物超市”，是自然界最具生产力的生态系统和

12、人类最重要的生存环境之一。湿地对碳的贮存以及产生CH4、CO2、S、N等微量气体等方面起着特别重要的作用，是全球变化研究中的一个重要的研究领域。及时、准确地掌握和研究该区湿地资源的现状和动态变化过程对湿地的合理开发和保护有重要意义。2.4遥感在海洋及海岸带的应用中国海洋遥感，围绕大洋环流、近岸海流、海冰、海洋表层流场、港湾水质、近岸工程、围垦、悬浮沙、浅滩地形、沿海表面叶绿素浓度等海洋水文、气象、生物、物理及海水动力、海洋污染、近岸工程等领域大力开展了遥感调查和监测工作。遥感能为海洋学家提供跟踪大尺度洋流、中尺度涡流实时调查信息(包括风浪场的准确信息)；为海洋气象学的研究提供有关海面上空的云图

13、和风暴潮、台风信息；为海洋生物学的研究提供有关海洋初级生产力和海洋生物环境方面的信息；为海洋地质研究提供有关重力场、海平面、大地水准面等海面地形的测高资料；还能为海洋环境保护提供快速大尺度监测和区分海面溢油及其它海面污染的方法与图像。近年来海岸带遥感应用远比海洋遥感应用活跃，例如海岸带和海岛遥感活跃在海岸带和海岛大地测量与制图、海岸带和海岛土地利用、植被生态和沿海海域初级生产力、灾害监测等方面。在海岸带潮汐滩涂的测绘、量算、分类，包括滩涂红树林、海岸珊瑚礁及其生态自然保护区的监测管理、沿海城市布局、交通、航运、城市环境污染、城市环境地质、港口码头建设和近岸工程等方面，已成为主要的监测手段和信息

14、源。所用的遥感信息源有NOAA卫星数据、Landsat MSS和TM数据、风云一号卫星数据和微波遥感数据。2.5遥感在重大自然灾害实时监测、评价与灾情预报的应用1）洪水灾害评估针对遥感信息特征和灾情分析的需求，对水体识别、云影消除、面积统计、淹没损失、灾情评估和动态监测六个方面如何综合应用NOAA、风云一号气象卫星和陆地卫星TM图像提出了一套方法，并且在微机、SUN一10工作站上建立了相应的软件和模型。在洪水行为模拟模型方面，主要针对河网化型、行洪型、溃决型和滞洪型，并分别在太湖、淮河中下游、辽河、三门峡库区进行了实际应用，取得了满意成果。2）森林火灾监测对森林进行实时、快速监测的同时，提高了

15、林火调查的准确率。研究了用人工神经网络和专家系统识别林火，识别精度有较大的提高；应用遥感手段对林火从预警到灾后生态恢复全过程进行监测；初步建立了林火行为损失评价的仿真模型，着重获取林火蔓延速度和范围以火场内各点温度的变化，将林火灾区的林火蔓延速度和温度场统一起来，进行实时林火模拟监测。3）干旱灾害监测与评价干旱灾害监测评价研究的特点是通过建立旱情监测评价的物理模型，在已建成的旱情背景数据库和信息系统支持下，将遥感图像和常规气象数据有机地结合起来，对旱情进行大面积动态监测。根据“七五”攻关中新发现的日蒸散量的估算方程，在黄淮海平原不同土壤质地地区进行野外实验，获得了土壤水分及其热量的关系，依据能

16、量平衡建立了土壤热量模型和土壤水分及其热惯量的关系，可直接从遥感图像上大面积估算土壤水分，减少了对地面数据的依赖。在以上基础上建立的作物缺水指数模型，可用NOAAAVHRR数字图像和气象数据大面积监测旱情，使旱情分布图及不同旱情等级的面积和比例一目了然。4）雪灾损失评估通过攻关建立了牧区雪灾多因子组合分级指标体系，并据此剥用气象卫星遥感数据结合牧区草场长势、畜群结构和其它不利气象条件等，在GIS支持下，提出牧区雪灾判别、雪灾发展趋势预测和雪灾损失评估模型，突破了以往仅仅依据l、2个不利气象因素确定成灾与否，划分灾情等级以及根据历史经验估算雪灾损失的传统做法，提高了牧区雪灾防治和减灾对策研究水平

17、。5）地震灾害通过编制“中国未来50年地震灾害损失区划图”的工作，研究了利用概率进行地震灾害预测，建立了地震灾害的期望损失式和一套各类建筑物易损性矩阵。突破了以往地震灾害长期预测没有准确时间尺度、经济损失和人员伤亡指标的传统做法，对中国今后几十年内经济建设的战略部署和抗震设防均具有重要的参考价值。6）沙漠化监测利用航天遥感和航空遥感资料完成了l：400万中国土地沙漠化图件的编制，初步研制和建立了沙漠化灾害遥感监测评绘模型库，内容主要包括沙漠化灾害分类的数理统计模型、沙漠化灾害发展趋势的灰色预测模型、沙漠化灾害评价的系统动力学模型等，这些模型激进行了初步的模拟与应用。3 小结随着遥感获取技术的不

18、断发展，时间、空间、光谱分辨率的逐步提高，大量的遥感数据可以用来实时快速的监测全球环境变化。遥感数据的应用，避免了传统方法以点代面的局限性，使得监测结果更为准确、手段更为实用，为合理评估全球环境变化提供科学依据；通过数据同化/数据-模型融合技术将常规观测数据和遥感数据同化到过程模型，加强遥感数据的使用，对模型参数进行优化，使模型估算精度提高，降低模型的不确定性，推动地学多学科研究发展；利用多尺度遥感数据，整合全球或区域尺度模型，促进地球系统科学发展；获取全球环境变化的第一手资料，揭示其时空变化特征，可以为中国参与联合国气候变化框架公约（UNFCCC）的外交谈判提供必要的知识、技术和数据贮备；全

19、球变化遥感的研究，可以为中国的数字信息工程建设提供理论与方法基础。4 展望遥感在我国资源与环境变化动态监测调查方面发挥着越来越重要的作甩。我国地处东亚季风气候区，自然环境和生态结构的各种类型比较齐全，我国资源与生态环境的变化在一定程度上代表着整个东亚季风及其控制区域环境与生态的变化。我们正以遥感作为主要监测手段，建立长时间序列的资源与环境数据库和信息系统，并将对全球变化研究以及全球变化的各国家或各大区域模式、模型研究做出我们的贡献。感谢：全球变化是一种新的地球观，它以地球系统的概念为基础，从整体上研究地球系统在各个时间尺度上随时间的变化，揭示地球各子系统之间的相互作用规律。首先，我要感谢本门课

20、程的授课老师戴雪荣老师，他的灵活式、自由式、讨论式和引导式授课风格使我受益匪浅，最重要的是我从这门课程学到了如何用整体的、联系的和辩证的方法去思考科研中遇到的问题。还有，我要感谢我的同学们，感谢他们帮助我开阔眼界与思维。 最后，对文章中所提及的研究人员一致表示感谢。参考文献：1 冯筠，高蜂，孙成权遥感技术在全球变化研究中的应用J。遥感按术与应用，2001，16(4)：2372412 王长耀，布和敖斯尔，狄小春遥感技术在全球环境变化研究中的作用J地理科学进展，1998，13(3)：2782833 高彦春，牛铮，王长耀遥感技术与其全球变化的研究J地球信息科学，2000(2)：42464 陈述彭。遥

21、感应用。地学探索（第三卷）M。北京：科学出版社，1990：67815 王长耀黄淮海平原水域动态演变遥感分析C中溪童地到用土地覆盖研究论文集北京：科学出版社，1996：192l。6 刘纪远中国国家资源环境遥感信息服务体系C中外空间太空科学讨论会论文集北宋：中国科学技术出版社，1996：1271337 徐冠华三北防护林地区再生资源遥感的理论及其技术应用M北京：中国林业出版社，1994：1998 林敏基海洋与海岸带遥感应用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 of earth scienceRemote sensing technol