1、遙感在全球變化中的應用楊紅妍（華東師范大學資源與環境科學學院地理系，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，是全球環境變化研究中不可替代的重要手段。隨著遙感技術在國際上的蓬勃發展，遙感技術在我國全球環境變化研究中也開始得到了廣泛的應用。簡述了遙感技術在我國土地利用覆蓋、大氣、濕地、海洋調查與災害監測方面的應用情況以及所取得的成果。這些研究為遙感技術在全球環境變化研究中的深入應用奠定了基礎。關鍵詞：遙感、全球變化、土地利用、大氣、濕地、海洋、災害0 引言當前，人類面臨著人口膨脹、資源匱乏和環境惡化三大危機，而其中環境惡化制約著人類的生存和資源的可持續

2、利用，影響全球環境的溫室效應、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。面對全球環境日益惡化的嚴峻現實，科學家必須在研究全球變化現狀的基礎上，預測未來環境變化趨勢，從而為政府決策提供科學依據。環境惡化的全球性和全球變化對世界經濟發展的重要性，日益引起世界各國科學家和政府首腦對全球變化研究的關注，紛紛呼吁要采取全球性的合作。目前，國際上公認的全球變化研究的四個國際科學計劃-即WCRP、IGBP、IHDP、DIVERSITAS正是國際科學界努力的結果，四個計劃的實施極大地推動了全球變化研究。全球環境數據的獲取是全球變化研究中的第一優先,而遙感技術以其宏觀

3、快速能提供全球和區域地表的面上信息等優勢,必將在全球環境數據的獲取中起著重要的、不可或缺的作用。隨著遙感技術的日益完善-遙感技術已滲入到全球變化研究的眾多領域。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，遙感技術在全球變化研究中發揮著越來越重要的作用。1 全球變化和遙感技術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。全球變化是當今地球科學研究的熱點和難題,已引起世界各國政府的高度重視和大力支持。當前,已有一大批不同學科領域的科學家(水文、生態、大氣、氣候、遙感等)投身于全球變化或與之相關的研究。全球變化已成為地球系統科

4、學一個新的研究領域。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出現土地利用/覆蓋變化、碳循環、濕地以及大氣監測等熱點研究問題。具有全球觀測能力的遙感技術是全球變化研究中重要的、無可替代的技術手段。利用遙感既是獲取全球變化信息，時間周期很短。天空中運行的氣象衛星，可以一天兩次監測同一地區，發過SPOT地球觀測衛星，在需要時可以35天的間隔觀察同一地區，美國發射的地球觀測衛星，以1618天的時間間隔觀察同樣的地區。2 遙感技術在全球變化熱點問題研究中的應用全球變化研究涉及的學科和領域眾多，所需的數據量巨大，種類也繁多。下面是遙感技術所_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專業。E-mail： HYPERLINK mailto: 能提供的數據種類：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；反射率；風暴位置；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；浪高及方向；洋流；同溫層及中間層的化學構成；大地熱容量B地面溫度；同溫層與上層對流層的化學構成；地面風速及方向；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

6、及草場火災；積雪范圍與厚度。從這些數據可以看出，遙感技術已滲入到全球變化研究的很多領域.隨著遙感技術的發展，遙感數據的種類會更多，而且提供數據的質量將會有大的改觀，從而可滿足全球變化研究眾多領域研究的數據需求。下面僅從全球變化研究的幾個熱點問題中的遙感技術應用闡述遙感技術在全球變化研究中的應用潛力及進展情況!2.1遙感在土地利用 /覆蓋變化監測中的應用由于地球表面，尤其是土地利用土地覆蓋狀況處于頻繁的動態變化中，前期的研究成果往往很快就發生了變化，所獲得的數據變得陳舊，因而及時了解其變化就顯得尤為重要。利用遙感技術進行土地利用土地覆蓋變化的動態監測關鍵在于多時相遙感數據的選擇、不同時相數據的空

7、間及光譜的匹配、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測，過去大量的還是運用目視分析對比不同時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，也因各自分類標準不一，精度、可信度難以滿足實用需求。 隨著GIS的發展，人們借助于GIS的支持，進行專題信息的疊合分析，可直接檢測變化圖斑，進行動態分析，輸出動態變化圖和統計數據，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，人們往往不得不經過一個遙感專題制圖的過程

8、，再將不同時相的土地利用圖數字化或掃描輸入GIS進行分析。這樣一來原本快捷的動態監測過程卻要受到專題圖制作周期的影響，難以實現快速監測的目的。隨著RSGIS的有效整合，這一矛盾將逐步得以解決。另外，直接從動態遙感信息中提取變化因子，實現快速動態監測。如，不同時相遙感復合數據的分類提取、不同時相數據的植被指數變化圖、不同時相復合數據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路線圖下圖二：土地利用變化監測圖圖一：土地利用/土地覆蓋變化信息提取技術路線圖Flg.1(Land use /land cover change information extrac

9、tion technology roadmap）Flg.1（圖二：土地利用變化監測圖Flg.2（land use change monitoring plans）土地利用/土地覆蓋變化信息提取技術路線 2.2遙感在大氣監測中應用臭氧(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行衛星觀測，積累了長期的O3衛星觀測數據。Varotsos等利用19791992年13年的Nimbus-7TOMS遙感數據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

10、數據研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測實驗裝置(GOMZ和大氣制圖學/化學掃描成像吸收光譜儀SCIAMACHY)可對CO和O3體積濃度進行全球制圖日本于1996年發射的ADEDS- 衛星上搭載有溫室氣體干涉監測儀，可提供全球大氣中的CO2、N2O、CH4和CFCs，等溫室氣體的遙感監測數據。地球觀測衛星是利用遙感技術進行大氣環境觀測的。應用于大氣環境監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)。用于大氣監測的遙感技術種類較多，一般有相關光譜技術、激光雷達技術及熱紅外掃描技術等。遙感技術在大氣監測方面，主要用于CO、CO

11、2、SO2、O3等化學污染物的濃度測定以及確定煙羽的擴散所及范圍和它的不透明度等。大氣領域的遙感可分為利用衛星的大范圍的遙感(RS)和通過激光雷達進行的地基的遙感。20世紀70年代的雨云衛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在發現臭氧洞方面做出了很大貢獻，取得了與平流層中臭氧層破壞的有關主要信息。2.3遙感在濕地研究中的應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、農田一起并列為全球三大生態系統。濕地因具有巨大的水文和元素循環功能，被稱為“地球之腎”，因具有巨大的食物網、支持多樣性的生物而被看作“生物超市”，是自然界最具生產力的生態系統和

12、人類最重要的生存環境之一。濕地對碳的貯存以及產生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域。及時、準確地掌握和研究該區濕地資源的現狀和動態變化過程對濕地的合理開發和保護有重要意義。2.4遙感在海洋及海岸帶的應用中國海洋遙感，圍繞大洋環流、近岸海流、海冰、海洋表層流場、港灣水質、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、近岸工程等領域大力開展了遙感調查和監測工作。遙感能為海洋學家提供跟蹤大尺度洋流、中尺度渦流實時調查信息(包括風浪場的準確信息)；為海洋氣象學的研究提供有關海面上空的云圖

13、和風暴潮、臺風信息；為海洋生物學的研究提供有關海洋初級生產力和海洋生物環境方面的信息；為海洋地質研究提供有關重力場、海平面、大地水準面等海面地形的測高資料；還能為海洋環境保護提供快速大尺度監測和區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用遠比海洋遙感應用活躍，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、植被生態和沿海海域初級生產力、災害監測等方面。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自然保護區的監測管理、沿海城市布局、交通、航運、城市環境污染、城市環境地質、港口碼頭建設和近岸工程等方面，已成為主要的監測手段和信息

14、源。所用的遙感信息源有NOAA衛星數據、Landsat MSS和TM數據、風云一號衛星數據和微波遙感數據。2.5遙感在重大自然災害實時監測、評價與災情預報的應用1）洪水災害評估針對遙感信息特征和災情分析的需求，對水體識別、云影消除、面積統計、淹沒損失、災情評估和動態監測六個方面如何綜合應用NOAA、風云一號氣象衛星和陸地衛星TM圖像提出了一套方法，并且在微機、SUN一10工作站上建立了相應的軟件和模型。在洪水行為模擬模型方面，主要針對河網化型、行洪型、潰決型和滯洪型，并分別在太湖、淮河中下游、遼河、三門峽庫區進行了實際應用，取得了滿意成果。2）森林火災監測對森林進行實時、快速監測的同時，提高了

15、林火調查的準確率。研究了用人工神經網絡和專家系統識別林火，識別精度有較大的提高；應用遙感手段對林火從預警到災后生態恢復全過程進行監測；初步建立了林火行為損失評價的仿真模型，著重獲取林火蔓延速度和范圍以火場內各點溫度的變化，將林火災區的林火蔓延速度和溫度場統一起來，進行實時林火模擬監測。3）干旱災害監測與評價干旱災害監測評價研究的特點是通過建立旱情監測評價的物理模型，在已建成的旱情背景數據庫和信息系統支持下，將遙感圖像和常規氣象數據有機地結合起來，對旱情進行大面積動態監測。根據“七五”攻關中新發現的日蒸散量的估算方程，在黃淮海平原不同土壤質地地區進行野外實驗，獲得了土壤水分及其熱量的關系，依據能

16、量平衡建立了土壤熱量模型和土壤水分及其熱慣量的關系，可直接從遙感圖像上大面積估算土壤水分，減少了對地面數據的依賴。在以上基礎上建立的作物缺水指數模型，可用NOAAAVHRR數字圖像和氣象數據大面積監測旱情，使旱情分布圖及不同旱情等級的面積和比例一目了然。4）雪災損失評估通過攻關建立了牧區雪災多因子組合分級指標體系，并據此剝用氣象衛星遙感數據結合牧區草場長勢、畜群結構和其它不利氣象條件等，在GIS支持下，提出牧區雪災判別、雪災發展趨勢預測和雪災損失評估模型，突破了以往僅僅依據l、2個不利氣象因素確定成災與否，劃分災情等級以及根據歷史經驗估算雪災損失的傳統做法，提高了牧區雪災防治和減災對策研究水平

17、。5）地震災害通過編制“中國未來50年地震災害損失區劃圖”的工作，研究了利用概率進行地震災害預測，建立了地震災害的期望損失式和一套各類建筑物易損性矩陣。突破了以往地震災害長期預測沒有準確時間尺度、經濟損失和人員傷亡指標的傳統做法，對中國今后幾十年內經濟建設的戰略部署和抗震設防均具有重要的參考價值。6）沙漠化監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害遙感監測評繪模型庫，內容主要包括沙漠化災害分類的數理統計模型、沙漠化災害發展趨勢的灰色預測模型、沙漠化災害評價的系統動力學模型等，這些模型激進行了初步的模擬與應用。3 小結隨著遙感獲取技術的不

18、斷發展，時間、空間、光譜分辨率的逐步提高，大量的遙感數據可以用來實時快速的監測全球環境變化。遙感數據的應用，避免了傳統方法以點代面的局限性，使得監測結果更為準確、手段更為實用，為合理評估全球環境變化提供科學依據；通過數據同化/數據-模型融合技術將常規觀測數據和遙感數據同化到過程模型，加強遙感數據的使用，對模型參數進行優化，使模型估算精度提高，降低模型的不確定性，推動地學多學科研究發展；利用多尺度遙感數據，整合全球或區域尺度模型，促進地球系統科學發展；獲取全球環境變化的第一手資料，揭示其時空變化特征，可以為中國參與聯合國氣候變化框架公約（UNFCCC）的外交談判提供必要的知識、技術和數據貯備；全

19、球變化遙感的研究，可以為中國的數字信息工程建設提供理論與方法基礎。4 展望遙感在我國資源與環境變化動態監測調查方面發揮著越來越重要的作甩。我國地處東亞季風氣候區，自然環境和生態結構的各種類型比較齊全，我國資源與生態環境的變化在一定程度上代表著整個東亞季風及其控制區域環境與生態的變化。我們正以遙感作為主要監測手段，建立長時間序列的資源與環境數據庫和信息系統，并將對全球變化研究以及全球變化的各國家或各大區域模式、模型研究做出我們的貢獻。感謝：全球變化是一種新的地球觀，它以地球系統的概念為基礎，從整體上研究地球系統在各個時間尺度上隨時間的變化，揭示地球各子系統之間的相互作用規律。首先，我要感謝本門課

20、程的授課老師戴雪榮老師，他的靈活式、自由式、討論式和引導式授課風格使我受益匪淺，最重要的是我從這門課程學到了如何用整體的、聯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：1 馮筠，高蜂，孫成權遙感技術在全球變化研究中的應用J。遙感按術與應用，2001，16(4)：2372412 王長耀，布和敖斯爾，狄小春遙感技術在全球環境變化研究中的作用J地理科學進展，1998，13(3)：2782833 高彥春，牛錚，王長耀遙感技術與其全球變化的研究J地球信息科學，2000(2)：42464 陳述彭。遙

21、感應用。地學探索（第三卷）M。北京：科學出版社，1990：67815 王長耀黃淮海平原水域動態演變遙感分析C中溪童地到用土地覆蓋研究論文集北京：科學出版社，1996：192l。6 劉紀遠中國國家資源環境遙感信息服務體系C中外空間太空科學討論會論文集北宋：中國科學技術出版社，1996：1271337 徐冠華三北防護林地區再生資源遙感的理論及其技術應用M北京：中國林業出版社，1994：1998 林敏基海洋與海岸帶遙感應用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