遥感前沿与应用

遥感前沿与应用,地理学研究进展、前沿领域与遥感应用,提要,学科背景进展和成就发展趋势前沿领域与重点对策建议,研究地球表层自然要素与人文要素相互作用与关系及其时空规律的科学.地球表层巨系统是由各种自然与人文现象组合在一起的复杂体系.跨越自然科学与社会科学性质，以综合性和区域性为特色.20世纪经历了近代地理学和现代地理学的发展阶段，进展显著、成就巨大.,学科背景(1),形成了区域学派、景观学派、生态学派、区位学派和数量学派等.研究领域不断扩大并深化，在理论、方法和技术上取得前所未有的进展；在现代地理学发展时期，教学科研机构增加，队伍扩大，科研成果和知识广泛应用；现代地理学成为涵盖自然地理学、人文地理学和地理信息科学的大科学体系.,学科背景(2),进展和成就,地域分异规律与区域系统地表自然过程的综合研究人地系统与区域发展研究国家地图集系列的编纂地理信息系统的建立与应用,进展和成就(1)地域分异规律与区域系统,地理地带性学说进一步发展和完善，地域分异规律得到检验和应用.,中国综合自然区划揭示出自然地域分异的特点和地带性规律，成为各部门研究和应用的重要依据.中国农业区划、中国自然地理系列专著等成果，均具有世界意义.,进展和成就(1)地域分异规律与区域系统,进展和成就(2)地表自然过程的综合研究,深入开展对地表物理过程、化学过程和生物过程的研究，并加以综合.土地科学的系统研究进展显著，并已发展为与全球环境变化相联系，开展了土地利用/土地覆被变化研究.冰川、冻土、沙漠、湖泊、湿地等专门自然地理的时空演变与过程研究的成就突出.通过黄土、冰芯、湖芯、树轮及历史文献等的深入研究在古地理气候与环境变化领域的成果瞩目.,人文地理研究热点之一的区位论，从农业、工业拓展到城市，创立了“中心地理论”，并开展了城市化研究；区位论的广泛应用，促进了人文地理学及其分支学科的发展，完成了不同尺度的经济区划和区域规划研究.,进展和成就(3)人地系统与区域发展研究,地理学家率先开辟对自然资源、自然灾害和人类环境的综合研究，成为当代地理学应用研究的主流；人地关系的地域系统研究从宏观深入到微观领域，涉及人口、资源、环境与经济社会发展；建立可持续发展的机理、指标体系、模型、动力学和决策支持系统等.,进展和成就(3)人地系统与区域发展研究,进展和成就(4)国家地图集系列的编撰,20世纪，国际地理学界有几次编制国家地图集的高潮；30年代以法国、瑞典为代表；60年代以英、美、苏为代表，苏联的国家地图集还延伸到全世界和海洋领域.中国近50年来先后编制国家、省区及历史、自然、人口、经济、农业地图集系列30余种；国家自然、人口、经济和农业等地图集的规模和质量均达国际先进水平.,地理信息系统是处理和分析大量地理数据的综合性技术系统，具有对空间信息的综合处理能力、对现实世界的模拟能力，并能产生新信息为决策服务；地理信息系统的发展，使地理学传统的综合性、区域性得到充分的技术保证，并形成了为地理战略咨询与地理工程建设服务的信息（资讯）产业。地理信息系统的成果广泛应用于资源、环境、市规划、作物估产、灾害预警评估等领域，成为重要的研究和管理工作手段。,进展和成就(5)地理信息系统的建立与应用,发展趋势,和相邻学科的交叉与融合加强地理学内部的综合研究深化地理过程的微观研究拓宽应用研究领域实验地理与技术手段现代化理论思维模式的转变,现代科学发展特点是从单一运动形态的研究走向多运动形态及其相互作用的综合研究；相邻学科之间的横向、交叉、渗透和融合成为明显的趋势，传统的学科界线变得模糊；以地球表层为研究客体的基础学科有地理学和生态学，应用领域有环境科学与资源科学；,和相邻学科的交叉与融合,发展趋势(1),地球表层,总体目标,应用学科,基础学科,地理学,生态学,环境科学,资源科学,全球环境变化区域可持续发展,以地球表层为研究客体的学科领域,地,球,表,层,发展趋势(1),系统论、信息论、控制论等横断科学为地理综合体的研究提供了武器，促进地理学现代化；学科的汇合、理论和方法的移植，提高了地理学的水平，不断开拓新的研究领域，形成新的边缘学科和交叉学科.地球的整体观念和圈层相互作用的研究极大地推动地球系统科学的发展.,和相邻学科的交叉与融合,发展趋势(1),地理学各分支的发展为在分析基础上的综合和在综合指导下的分析打下更坚实的基础；1930年代以来地理学专业分化的趋势比较明显；1970年代以来综合倾向逐渐增强,进一步专业分化和更高层次的综合同步进行；,加强地理学内部的综合研究,发展趋势(2),自然地理研究原则上不应该是纯自然主义的，人文地理研究也离不开自然地理和生态学基础；统一的地理学或综合的地理学是客观存在的，并且是社会发展所需要的.,加强地理学内部的综合研究,发展趋势(2),长期以来，自然地理和人文地理割裂对立的二元论阻碍了地理学整体综合研究的发展.,由静态、类型和结构的研究转变为动态、过程和机制的研究.地理过程的研究如水热平衡、地形发育、径流形成、元素迁移转化、土壤发生形成、植被演替、沙漠化、城市化等.地理系统中界面过程研究的综合性更强、难度更大。随着人类活动的加剧，人文地理过程越加重要，如城市化过程，环境退化过程等.历史过程和现代过程的研究是预测未来的根据.冰芯、湖岩芯、树轮等的深入研究将为全球变化预测提供依据。,深化地理过程的微观研究,发展趋势(3),针对描述性和认识性传统研究的局限，地理学家提出建设地理学的方向，它是有目的地改造和管理周围环境的科学；协调自然生态与社会经济系统的平衡发展，控制污染、抑制环境恶化，改善生存条件是环境地理研究的紧迫问题；传统上主要服务对象为农业，现在非农业应用领域受到重视，应用研究领域更趋多元化.,拓宽应用研究领域,发展趋势(4),实验地理与技术手段现代化,遥感、遥测，特别是对地观测系统、全球定位系统和卫星网络通讯系统的建立和应用；物质能量的定量测试，测年技术手段的新进展，为地理学研究水平的提高带来契机；室内模拟实验研究领域不断拓展，对自然界的认识也日益深化.,发展趋势(5),数量化方法将得到普遍应用，数学模式可表达经验概念、实验结果，揭示内在关系和规律；地理信息系统和遥感技术紧密结合以及具有专家系统水平的智能分析和决策等的深入应用，必将为地理研究带来新的突破.,实验地理与技术手段现代化,发展趋势(5),地理学传统思维模式以观察材料和事实为基础，认识和阐述规律、概括理论，属于经验归纳型综合；现代地理学综合模式的整体观念更强，从理论假设出发进行演绎，使分析与综合、归纳与演绎互相补充、辨证统一；综合的内容更加广泛，深入研究系统的结构、功能及动态演变过程.,理论思维模式的转变,发展趋势(6),综合的方法更具有逻辑性和精确性，通过结构分析、功能评价、过程监测与动态预测等途径来解决，并且表达形式多样化；意识到传统综合模式的局限，地理学家结合研究实践，发展系统综合集成的理论与方法.,理论思维模式的转变,发展趋势(6),模式研究数学模拟实验模拟,发展趋势,理论思维演绎推导归纳类比,技术手段GIS遥感/地图实验测试,基础工作定位试验/区域考察文献记载,人地关系,区,类,型,过,程,域,机遇与挑战,从学科目标与国家需求看，地理学面临着困难和挑战，也迎来发展的有利契机.在进入21世纪之际，人类社会面临着全球环境变化和可持续发展的一系列问题.可为评价自然条件、协调人地关系、促进区域发展、改善生态环境等作出积极贡献.要根据学科特点和优势，抓住机遇、迎接挑战，在前沿领域开拓创新，发展地球系统科学，建设人类家园的美好未来.,前沿领域与重点,陆地表层过程与格局的综合研究全球环境变化及其区域响应自然资源保障与生态环境建设区域可持续发展及人地系统机理调控地球信息科学、技术和数字地球研究,陆地表层过程与格局的综合研究,前沿领域与重点（1）,陆地表层过程与格局的综合研究,陆地表层系统是地球表层最复杂、受人类活动影响最大的一个子系统；陆地表层的环境变化是特定地域上地表过程在自然因素/人为因素作用下发生改变的结果；陆表过程的研究将朝微观深化和宏观综合两个方向发展，关键在于界面过程的综合研究.要关注海陆相互作用，特别是海洋对陆地过程的影响和作用.,前沿领域与重点（1）,陆地表层地域差异显著，对全球问题的认识水平取决于对其地域分异的研究深度；,从全球变化看，需要一个较好的、便于应用的，兼顾自然和人文的区域框架；地表过程和格局相互关系的综合研究，将成为发展陆地表层系统科学的基础理论.,前沿领域与重点（1）,陆地表层过程与格局的综合研究,水文循环过程与水量转化，水文循环界面过程的机理及其物理实验模拟流域系统中物质迁移过程及其对区域环境的影响坡地侵蚀发育过程与坡地的改良利用土地演变过程及其调控机理,重点研究方向,前沿领域与重点（1）,陆地表层过程与格局的综合研究,重点研究方向土壤植被大气连续系统过程及区域尺度转换生命元素、污染物质、重金属和稀土元素的环境生物地球化学过程及其健康效应自然地域系统的综合研究典型地区环境演化过程,前沿领域与重点（1）,陆地表层过程与格局的综合研究,全球环境变化及其区域响应,前沿领域与重点（2）,大气中CO2及其他温室气体浓度的增加可能导致全球气候变化；针对全球环境变化问题，已分别制订有关国际公约，开展合作；地球是有机的整体，全球各圈层间的相互作用密切；全球环境变化是国际地理学界的重要研究领域.,全球环境变化及其区域响应,前沿领域与重点（2）,全球环境变化及其区域响应涉及PAGES、LUCC、减轻自然灾害以及全球变化战略对策等.青藏高原、黄土高原和全球环境变化关系十分密切，是可以发挥特长的优势领域.,全球环境变化及其区域响应,前沿领域与重点（2）,全新世的古地理环境演变极地、高山和冰冻圈的综合研究土地利用和土地覆被变化及其驱动力环境脆弱地区对全球变化的响应,全球环境变化及其区域响应,前沿领域与重点（2）,重点研究方向,重点研究方向全球环境变化的战略对策研究自然地带推移变化土地利用与农林牧业的结构与布局能源结构调整海岸带的防御措施自然资源合理利用与自然灾害防治,全球环境变化及其区域响应,前沿领域与重点（2）,自然资源保障与生态环境建设,前沿领域与重点（3）,自然资源保障与生态环境建设,我国的水、土地和生物资源人均占有量少、空间分布不均衡，经济发展对资源的压力加大；不合理的开发和管理，导致自然资源枯竭、环境退化和生物多样性丧失，成为制约社会经济可持续发展的严重障碍；可持续发展要求在不同尺度区域内，社会经济发展与人口、资源、环境保持谐协的关系.,前沿领域与重点（3）,综合研究各类自然资源的格局、过程和动态，从整体性出发，揭示其组合特征和演变规律；研究自然资源与生态环境间的相互关系，评估其开发利用的环境效应，阐明人类经营活动的影响，提出其调控机制与对策；研究不同地域类型土地退化和生态恶化的成因机制、动态过程及发展趋势，提出宏观整治战略及生态与环境建设的途径与措施.,前沿领域与重点（3）,自然资源保障与生态环境建设,重点研究方向水循环、水资源演变规律及动态评价水资源高效利用途径及优化配置决策土地质量演变机理及其可持续利用水土资源的耦合机理及其调控生态系统公益功能及资产价值评估环境质量评价、预测与区划典型区域生态与环境的动态监测与趋势生态地理区划及环境脆弱区域的研究重点区域生态与环境演变机理及调控,前沿领域与重点（3）,自然资源保障与生态环境建设,区域可持续发展及人地系统机理调控,前沿领域与重点（4）,可持续发展的概念应当包含地理学的区域性，其研究也具有不同的空间尺度；区域经济增长和社会发展要建立在有效控制人口增长、合理利用资源、改善环境质量的基础上；将人口、资源、环境与发展作为一个整体，研究其结构功能、相互作用机理，预测其发展趋势，拟订调控对策，提出区域发展优化模型.,区域可持续发展及人地系统机理调控,前沿领域与重点（4）,人地系统是自然、经济和社会子系统组成的复杂系统，是地球表层人与地在特定地域中相互作用形成的动态结构；人地系统包括人对地的依赖性和人的能动作用，人类应按照客观规律去利用和改造地，以达到可持续发展的目标.,区域可持续发展及人地系统机理调控,前沿领域与重点（4）,在人地关系协调中，人口与经济社会发展同自然资源和环境之间，存在着直接和间接的反馈作用并相互交织；任何区域开发、区域规划和区域管理必须以促进人地相互作用在地域系统中的良性循环为目标.,区域可持续发展及人地系统机理调控,前沿领域与重点（4）,重点研究方向区域可持续发展的指标体系社会经济要素空间分异规律及其结构优化人类聚落及城市化研究人文因素对自然环境的影响及其调控区域可持续发展机理及结构优化与调控人地系统的动力学机制人地系统类型分析及其地域分异人地系统演替过程的动态模拟及系统调控环境伦理与区域可持续发展,区域可持续发展及人地系统机理调控,前沿领域与重点（4）,地球信息科学、技术和数字地球研究,前沿领域与重点（5）,地球信息科学是地球系统科学、空间技术和信息科学等交叉、融合的产物；以信息流为手段研究地球系统的物质流、能量流和人流的运动状态和方式；为地球系统的综合研究和大型地学问题的解决提供强有力的支持，促进了地球系统科学研究的现代化与信息化.,地球信息科学、技术和数字地球研究,前沿领域与重点（5）,“数字地球”的核心思想是用数字化的手段，整体性地研究解决地球问题；“数字地球”为地球可视化提供平台，为地球科学实验提供基本模型框架，重演地球整体各圈层的演变历史，评价现状，预测未来；地球信息科学研究为“数字地球”关键技术的解决奠定科学基础，其发展将有助于推动“数字地球战略与中国对策”的研究.,地球信息科学、技术和数字地球研究,前沿领域与重点（5）,重点研究方向地球空间信息机理的基础理论与方法地球空间信息的认知、表达、解释与反演地理空间数据模型地球信息空间分析与模型研究多源空间数据融合大型地学空间数据库知识发现地球信息图谱地图语言与认知空间信息模型,地球信息科学、技术和数字地球研究,前沿领域与重点（5）,重点研究方向数字化与信息共享数字流域与城市的地理信息综合数字化和网络化专题地图的研制空间信息基础设施和信息共享,地球信息科学、技术和数字地球研究,前沿领域与重点（5）,地理学的上述5个前沿领域是密切联系、互相支持的。应当发挥地理学的综合优势，将自然地理、人文地理和地理信息科学技术融为一体，进行综合集成。,前沿领域与重点,遥感前沿,遥感的作用和局限性,1.遥感信息的二维性和尺度转换2.遥感数据仅是电磁波信息，需要建模作信息转换3.地质部对遥感认识的曲折过程4.以辩证的观点对待遥感5.遥感不是万能也不是无能6.遥感是交叉科学、实验科学，多数反演方程是病态的，需要多做实验，积累先验知识。,定量遥感在监测生态环境中的应用和尺度转换,遥感前沿之一定量遥感,问题认识自然：定量测定是地学的主要内涵之一如何将地表蒸散测定方法进行从点到面的突破？目前水平衡分量估算的区域不确定性又如何？美国全国的碳汇估算量的不确定性非常大。在1999年Brown和Schroeder的估算值是每年平均0.17pg，在1995年Birdsey和Heath的估算值是每年平均0.3pg，在1999年Houghtonetal的估算值是每年平均0.15-0.35pg,在2000年田汉勤利用VEMAP模型的估算值是每年平均0.08pgHanqinTian,2000。,主要内容,1.下垫面的特征和作物缺水估算需求2.大叶模型的误差和二层模型的必要性3.遥感监测地表通量的技术路线4.同步观测和野外模拟试验5.信息转换基本模型6.已建立的地表通量监测系统的概况7.蒸腾、蒸发和土壤水分利用率的区域分布,定量热红外遥感在监测区域生态参数中的作用,遥感监测地表通量的技术路线,一.大气辐射传输和大气的水平非均匀性高、中、低反射率三靶定标法高、中、低表面涡度三靶定标法劈窗技术（SWT）劈窗技术和MODRAN4大气辐射传输算法的结合,定量遥感监测生态参数的不确定性和我们的对策,同步观测和地面定标和验证,一.反演地表温度的三大要素卫星传感器获取的辐射温度以大气下行热辐射为主的环境辐射照度地物比辐射率的测定。反演TEStemperatureemissivityseparation以多光谱数据反演的病态：N个方程和N1个未知数，先验知识的应用，神经网络和遗传算法的协助,地表辐射的非朗伯体（Lambet）效应及其转换参与热量平衡的是反照率和半球比辐射率方向反射率转换反照率方向比辐射率转换为半球比辐射率多角度遥感是信息挖掘的重要步骤,像元尺度代表性的的地表通量的获取LASIMETER（蒸渗仪）的局限性下垫面的非一致性，严重受平流影响涡度相关法（装置）的优缺点基本不受平流影响，灵敏度高，精度高，仪器贵，国内无产品，受大涡影响，波文比法（装置）的优缺点以热量平衡为机理，与遥感地表通量原理一致，受平流影响,空气动力学阻力的获取空间分布复杂计算复杂：风速、粗糙度、稳定度的函数模型多，急需有直接测定法的验证直接测定装置的良好效果粗糙度的遥感途径，粗糙度遥感的三个阶段,克服非均匀地平流干扰的试验非均匀下垫面的现实风浪区（Fetch）的地气相互作用的原理和地表通量观测数据代表性干热平流湿热平流干冷平流湿冷平流,信息转换基本模型,热红外遥感与地学信息转换,一.地球表面作为地圈、生物圈、大气圈的界面的重要性。A.界面参数的时空分布融合了各个系统发展、演变的信息。B.地表能量交换陆面温度又是地表能量交换的核心信息，是地球系统中水、热、碳各种循环和过程的主导因子，其中精确定量反演陆面温度的成果将推动旱灾预报和作物缺水研究、农作物产量估算、数值天气预报、全球变化和全球碳平衡等领域研究的发展。C.一个科学堡垒来攻克国际遥感界，以及美国宇宙航局把精确地反演1度的陆面温度作为近期奋斗目标，,信息转