遙感技術(shù)在全球變化研究中的應(yīng)用

1、收稿日期:2001210216;修訂日期:2001211220作者簡介:馮筠(1951-,女,副研究員,主要從事科技情報分析研究和期刊編輯工作。遙感技術(shù)在全球變化研究中的應(yīng)用馮筠1,高峰1,2,孫成權(quán)1(1.中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心,甘肅蘭州730000(2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅蘭州730000摘要:首先通過全球衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)的介紹,闡述了遙感技術(shù)在全球環(huán)境數(shù)據(jù)獲取中的重要性。1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)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

2、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,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)計劃,即W CR P 、IGBP 、I HD P 、D I V ER S ITA S 正是國際科學(xué)界努力的結(jié)果,四個計劃的實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1,而遙感技術(shù)以其宏觀、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)

3、境數(shù)據(jù)的獲取中起著重要的、不可或缺的作用。國際上許多遙感計劃開始與全球變化研究計劃建立聯(lián)系,由美國NA SA 發(fā)起、多個國家參與的地球觀測系統(tǒng)計劃(EO S ,既是最宏偉的遙感衛(wèi)星計劃,也是全球變化研究計劃的一個重要組成部分2。遙感技術(shù)在全球環(huán)境的現(xiàn)狀及其變化趨勢預(yù)測研究方面具有不可替代的優(yōu)勢,如全球尺度的土地覆蓋及其變化的遙感監(jiān)測研究;在全球變化的一些熱點問題研究中遙感技術(shù)也逐步顯示出良好的應(yīng)用前景,如溫室氣體和臭氧的遙感監(jiān)測和評價研究。隨著遙感技術(shù)的日臻完善,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

4、要的作用。2全球衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)NA SA 宣稱,有關(guān)全球變化研究的歷史是與NA SA 的歷史平行的,從地球觀測系統(tǒng)(EO S 到地球科學(xué)探索(ESE 戰(zhàn)略計劃,揭開了地球空間觀測新的一頁3。EO S 計劃最初是為了參與美國全球變化研究計劃,以航天領(lǐng)域能做出貢獻(xiàn)為其目的緣起的,1985年獲得美國總統(tǒng)的明確支持,并把EO S 計劃置于利用空間觀測技術(shù)實施地球系統(tǒng)科學(xué)和全球變化研究的主要位置上。EO S 的目標(biāo)之一是建立全球的衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng),是目前全球變化研究中正在部署和實現(xiàn)的全球觀測系統(tǒng)1(地球觀測系統(tǒng)(EO S ,全球陸地觀測系統(tǒng)(GTO S 、全球氣候觀測系統(tǒng)(GCO S 、全球海洋觀測系

5、統(tǒng)(GOO S 和全球環(huán)境觀測系統(tǒng)(GE M S 的重要組成部分,在保障全球環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取方面起著舉足輕重的作用。圖1是EO S 計劃中全球衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的概念性框架模型。圖中圍繞地球觀測的四個衛(wèi)星分別是美第16卷第4期2001年12月遙感技術(shù)與應(yīng)用REMOTE SEN SI N G TECHNOLOGY AND A PPL I CA T I O NV ol .16N o .4D ec .2001國NA SA 研制的EO S 2AM 和EO S 2P M ,日本NA S 2DA 研制的衛(wèi)星AD EO S 2 和歐空局(ESA 研制的環(huán)境衛(wèi)星(ENV ISA T 。四個衛(wèi)星相互配合構(gòu)成一個完整的全

6、球衛(wèi)星觀測系統(tǒng)。下面主要介紹一下圖1中AD EO S 2 和EO S 2P M 這一對衛(wèi)星 。圖1全球衛(wèi)星觀測系統(tǒng)AD EO S 2 是AD EO S 的改進(jìn)型衛(wèi)星,其開發(fā)目的是獲取研究全球環(huán)境變化如全球變暖所需的數(shù)據(jù),是明確為全球變化研究所設(shè)計的衛(wèi)星。AD EO S 2 原定于2001年發(fā)射,現(xiàn)已推遲至2002年2月以后。AD EO S 2 為太陽同步準(zhǔn)回歸極軌衛(wèi)星,衛(wèi)星高度802.9km ,傾角98.62°,周期101分,回歸天數(shù)4天,降交點地方時為上午10:30分左右,設(shè)計壽命3年。AD EO S 2 上載有5個觀測儀器:高性能微波掃描輻射計(AM SR 、全球成像儀(GL I

7、 、海面風(fēng)觀測裝置(Sea W inds 、地表反射觀測裝置(POLD ER 以及改進(jìn)型大氣臨邊紅外分光計2 (I L A S 2 。EO S 2P M 由NA SA 研制,現(xiàn)稱為A qua 衛(wèi)星,原計劃于2000年12月發(fā)射升空,現(xiàn)推遲至2002年以后。A qua 是個極軌衛(wèi)星,穿越赤道時間為下午1:30。該星攜載有6個觀測儀器:改進(jìn)型高性能微波掃描輻射計(AM SR 2E ,大氣紅外探測儀(A I R S ,高性能微波探測裝置(AM SU ,巴西的濕度探測儀(H SB ,云與地球輻射能系統(tǒng)(CER ES ,中等分辨成像光譜儀(M OD IS 。值得一提的是,在AD EO S 2 和EO S

8、 2P M 這一對衛(wèi)星中,都攜載了性能相近、波段基本相同的高性能微波掃描輻射計(AM SR 和AM SR 2E ,從而可提供全球的、連續(xù)的、全天時全天候的微波觀測。此外,由于這對衛(wèi)星的降交點分別為上午和下午,因而可提供完整的日變化數(shù)據(jù)。AM SR 和AM SR 2E 在波段的設(shè)置上繼承并擴(kuò)展了S MM R 和SS M I 的波段,同時在分辨率上有較大的提高,因而未來的全球變化研究中微波遙感將占據(jù)重要位置。20世紀(jì)90年代,各國相繼研制發(fā)射了一批先進(jìn)的觀測衛(wèi)星,形成了太空中眾星爭奇斗艷的局面,如法國的SPO T 衛(wèi)星,歐洲遙感衛(wèi)星(1號、2號、加拿大的RADA R SA T 、日本的JER S

9、21、TRMM 等。這些衛(wèi)星上都攜載了能提供全球變化研究所需數(shù)據(jù)的傳感器,隨著專業(yè)觀測衛(wèi)星的發(fā)展,專事全球變化研究的衛(wèi)星也已開始研制,如日本正在研制的全球變化觀測衛(wèi)星(GCOM 。GCOM (Gl obal Change O bservati on M issi on 開發(fā)的目的是提高AD EO S 和AD EO S 2 對全球觀測的精度,同時長期觀測(15年自AD EO S 2 開始的全球環(huán)境參數(shù),以了解全球環(huán)境變化的機(jī)理。GCOM 2A 1星主要用于觀測臭氧和溫室氣體,載有臭氧動態(tài)變化紫外光譜儀(ODU S 以及監(jiān)測溫室氣體的儀器。GCOM 2B 1星主要用于觀測物質(zhì)和能量循環(huán),載有全球制

10、圖儀、AM SR 、A l phaSCA T 以及POLD ER 。借助這些傳感器,GCOM 2B 1可以測量氣溶膠、雪冰面積、水汽、浮游植物、色素濃度、海面風(fēng)、海面溫度(SST 等。實際上,從美國NOAA 和L and 2sat 系列衛(wèi)星,到RADA R SA T ,再到TRMM ,一直到今后幾年即將發(fā)射的諸多衛(wèi)星,構(gòu)成了廣義的全球衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng),可為全球變化研究提供多波段、多通道、多角度、多種分辨率的光學(xué)、微波和高光譜遙感數(shù)據(jù),衛(wèi)星遙感必將在全球變化研究中發(fā)揮應(yīng)有的作用。3遙感技術(shù)在全球變化熱點問題研究中的應(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)

11、所能提供的數(shù)據(jù)種類4: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?、地面溫?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

12、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832遙感技術(shù)與應(yīng)用第16卷將會有大的改觀,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。3.1在土地覆蓋及其變化研究中的應(yīng)用土地覆蓋及其變化是全球變化研究計劃中的重要研究內(nèi)容,而區(qū)域和全球土地覆蓋的監(jiān)測正是遙感技術(shù)發(fā)揮重要作用的地方,是其它方法無法替代的,也是遙感技術(shù)在全球變化研究中應(yīng)用最成熟的一項技術(shù)。為監(jiān)測全球和大陸尺度上的植被狀況,自20世紀(jì)80年代開始籌劃利用NOAA AV HRR的1km分辨率遙感數(shù)據(jù)建立全球陸地應(yīng)用數(shù)據(jù)集,之后該

13、項工作并入IGBP計劃之中而成為IGBP2D IS 的一部分5。全球1km AV HRR陸地數(shù)據(jù)集的最主要應(yīng)用就是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)化差植被指數(shù)(NDV I,通過NDV I值生成全球陸地覆蓋圖(分類圖并用于監(jiān)測季節(jié)性植被狀況與變化5。利用NDV I分類圖,還可以研究冰川進(jìn)退和沙漠的變化等。另外,L andsat導(dǎo)航計劃獲得了70年代早期到現(xiàn)在的世界熱帶森林的1000幅L andsat M和TM圖像,分析這些圖像就可確定20世紀(jì)70年代末、80年代中和90年代三個時期的毀林程度6。隨著微波遙感技術(shù)的發(fā)展,利用微波遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測植被的工作也已開展。Chondhury等7的研究表明,37GH z的極化亮溫差T(

14、=T37V-T37H可以作為植被變化的指示因子,并嘗試?yán)肨對全球的植被覆蓋進(jìn)行制圖研究。3.2在大氣痕量氣體監(jiān)測中的應(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N i m bus27衛(wèi)星上的臭氧總量制圖光譜儀(TOM S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)。V aro ts o s等8利用19791992年13年的N i m bus27TOM S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%;C rackell等9也利用TOM S數(shù)據(jù)研究了蘇格蘭上空的臭氧衰減情況。利用ER S22上搭載的全球臭氧監(jiān)測實驗裝

15、置(GOM Z和大氣制圖學(xué) 化學(xué)掃描成像吸收光譜儀(SC I A2 M A CH Y可對CO和O3體積濃度進(jìn)行全球制圖5。日本于1996年發(fā)射的AD ED S2 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CFC s,等溫室氣體的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)10。Choudhury11建立了被動微波遙感數(shù)據(jù)(37 GH z極化差與大氣中CO2濃度的關(guān)系,可以此推算出大氣中CO2的濃度,T ucker12對此關(guān)系式進(jìn)行了進(jìn)一步的分析和驗證。M o rrissey等13利用ER S SA R和航空SA R數(shù)據(jù)對區(qū)域范圍的甲烷交換率進(jìn)行了研究,建立了SA R后向散射系數(shù)與濕地中植被葉面

16、積指數(shù)和積水深度間的對應(yīng)關(guān)系,可據(jù)此推算甲烷的交換率。3.3在濕地研究中的應(yīng)用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。由于建立全球性的濕地地面觀測網(wǎng)極其困難,因而在濕地研究中遙感資料顯得極為重要,遙感技術(shù)為推進(jìn)濕地的分類與分布研究提供了機(jī)遇。1996年5月在美國加州召開的IGBP濕地研討會上,與會代表初步提出了表征濕地對痕量物質(zhì)生物地球化學(xué)循環(huán)中作用的9個基本參數(shù):水文、濕度、初級生產(chǎn)量、植被、土壤類型、含鹽量、化學(xué)成分、有機(jī)物及沉積物的遷移、地形與地貌,并形成了關(guān)于濕地研究的IGBP46號報告。該報告對遙感技術(shù)觀測

17、這些參數(shù)的可能性給予了評價,光學(xué)遙感、主被動微波遙感以及高光譜遙感聯(lián)合起來,可對這些參數(shù)涉及的大部分變量進(jìn)行觀測和反演。評價認(rèn)為,少部分變量的觀測屬高可靠,大部分屬中等可靠,另有一部分屬可能可靠(需進(jìn)一步開發(fā)。如,利用NOAA AV HRR數(shù)據(jù)對濕地植被覆蓋的監(jiān)測、主動微波遙感對濕地積水面積和深度的監(jiān)測等都是發(fā)展成熟的技術(shù)。而利用高光譜數(shù)據(jù)可以識別木本與非木本植物、森林與灌叢、苔蘚,也可以用來估計水體中或水面浮游植物及葉綠素濃度的狀況,但這些尚需進(jìn)一步的研究和開發(fā)。3.4在地表參數(shù)定量反演中的應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)的一個重要應(yīng)用是為區(qū)域和全球的大氣環(huán)流模式、水文模型、生物地球化學(xué)循環(huán)模型提供面上的地表參

18、數(shù),這是定量遙感研究的重要方向。始于1983年的國際衛(wèi)星陸面氣候?qū)W計劃(ISL SCP,其目標(biāo)就是利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)定量反演的地表參數(shù)初始化和校正全球氣候模式15。根據(jù)Sellers等16的研究,水-能-碳循環(huán)模式需要的輸入?yún)?shù)有地表反射率、短波太陽入射、光合作用主動輻射(PA R、凈的長波輻射、蒸發(fā)量、粗糙度等,利用遙感數(shù)據(jù)可直接提供基本滿足模式精度需要的地表反射率、短波太陽入射、光合作用主動輻射;碳與生物地球化學(xué)循環(huán)模式所要求的陸地覆蓋類型、地表溫度、土壤濕度、痕量氣體等參數(shù)也可由遙感數(shù)據(jù)提供。遙感反演的這些參數(shù)有些精度已基本滿足模式的要求,有些932第4期馮筠等:遙感技術(shù)在全球變化研究中的

19、應(yīng)用參數(shù)的遙感反演尚在研發(fā)階段,如蒸發(fā)量、地表粗糙度、土壤濕度等。高峰等17綜述了利用光學(xué)遙感和微波遙感反演地表反射率、陸表溫度、土壤濕度等地表參數(shù)的研究進(jìn)展情況。柏延臣等18對積雪遙感研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。目前以光學(xué)遙感提取積雪面積信息,以被動微波遙感反演積雪深度的聯(lián)合遙感方法已在積雪遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)中應(yīng)用。在海氣相互作用研究中,海冰面積和厚度以及海面溫度(SST的遙感反演研究也取得了巨大成功,特別是SST的遙感反演比起陸面溫度的反演研究要早,而且更成熟19。4結(jié)語衛(wèi)星遙感以其周期性對全球觀測的特點滿足了全球變化研究的數(shù)據(jù)需求,使得遙感技術(shù)在全球變化研究中的應(yīng)用由淺入深,逐步從輔助手段發(fā)展到主要

20、手段,這也是遙感技術(shù)不斷發(fā)展的結(jié)果。以上僅對遙感技術(shù)在全球變化研究的幾個熱點問題中的應(yīng)用進(jìn)行了概要介紹,實際上,遙感技術(shù)在全球變化研究中的應(yīng)用非常之廣,進(jìn)一步挖掘遙感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域并深化和提高其應(yīng)用水平,是擺在遙感科研工作者面前的一項長期任務(wù)。我國遙感技術(shù)及應(yīng)用經(jīng)過四個五年計劃的發(fā)展,在為國民經(jīng)濟(jì)重大問題(如自然災(zāi)害監(jiān)測評估、農(nóng)作物估產(chǎn)、土地利用變化監(jiān)測服務(wù)的同時,也涉及了全球變化研究,取得了一些重要研究成果,形成了我國遙感技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展的特色。王長耀等20對此進(jìn)行了評述。今后我國遙感參與全球變化研究的機(jī)會更多。特別是隨著上世紀(jì)90年代掀起的衛(wèi)星遙感熱潮,本世紀(jì)初遙感技術(shù)參與全球變化研究將成為

21、國際研究熱點。我國處于東亞季風(fēng)區(qū),有世界“三極”之一的青藏高原,在全球變化研究中具有舉足輕重的地位。因此,如何拓展我國遙感技術(shù)在全球變化研究中的應(yīng)用也是擺在我國遙感科研工作者面前的一大課題。參考文獻(xiàn):1林海.中國全球變化研究的戰(zhàn)略思考J.地學(xué)前緣,1997,(3:915.2高峰.地球觀測系統(tǒng)(EO S.見:曹月華主編.世界環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和研究網(wǎng)絡(luò)M.北京:科學(xué)出版社,1997.7784.3NA S A.Earth Science Enterp rise Strategic P lanR.www4李小文.全球變化研究中的遙感技術(shù)J.地球科學(xué)進(jìn)展, 1988,(1:2835.5Loveland

22、 T R,Bel w ard A S.The IGBP-D IS Gl obal1km L and Cover D ata Set,D ISCover:F irst ResultsJ.Int J Re2mote Sensing,1997,18(15:32893295.6孫成權(quán),張志強(qiáng),李明等.國際全球變化研究核心計劃(三M.北京:氣象出版社,1996.7Chondhury B J,Tucker C J.M onitoring Gl obalV egetati on U s2 ing N i m bus2737GH z D ata:Som e Emp irical Relati onsJ.Int

23、J Re mote Sensing,1987,8(7:10851090.8V arots os C A,C rackell A P.O zone D ep leti on O ver Greece asD educed from N i m bus27TOM S M easure m entsJ.Int J Re2mote Sensing,1993,14(11:20532060.9C racknell A P,V arots os C A.O zone D ep leti on O ver Scotland as D erived from N i m bus27TOM S M easure

24、m entsJ.Int J Re2mote Sensing,1994,15(13:26592668.10黃新宇編譯.日本的對地觀測衛(wèi)星計劃J.遙感技術(shù)與應(yīng)用, 1997,12(4:6469.11Chondhury B J.Relating N i m bus2737GH z D ata to Gl obal L and Surface Evaporating P ri m ary P roductivity and the A tmo2s pheric CO2Concentrati onJ.Int J Re mote Sensing,1988,9:169176.12Tucker C J.Rel

25、ating S MM R37GH z Polarizati on D ifference to P reci p itati on and A tmos pheric Carbon D i oxide Concentrati on:aReapp raisalJ.Int J Re mote Sensing,1992,13:177191.13M orrissey L A,L ivingston G P,D urden S L.U se of S A R in Re2 gi onal M ethane Exchange StudiesJ.Int J Re mote Sensing,1994,15(6

26、:13371342.14Sahagian D,M elack J.IGBP Report46:Gl obalW etland D istri2 buti on and Functi onal Characterizati on:T race Gases andLU CC the H ydrol ogic CycleR.GA I M,BA HC,IGBP2D IS,I2GA C and LU CC W orkshop,Santa Barbara,CA,U S A,16220M ay,1996.15Sellers P J.For word:Re mote Sensing of L and Surf

27、ace for Studies of Gl obal ChangeJ.Re mote Sens Environ,1995,51:12.16Sellers P J,M ess on B W,H all F G,et al.Re mote Sensing of L and Surface for Studies of Gl obal Change:M odels2A lgo2rithm s2Experi m entsJ.Re mote Sens Environ,1995,51:326.17高峰,王介民,孫成權(quán),馬耀明.遙感技術(shù)在陸面過程研究中的應(yīng)用J.地球科學(xué)進(jìn)展,16(3:359366.18柏延

28、臣,馮學(xué)智.積雪遙感動態(tài)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢J.遙感技術(shù)與應(yīng)用,1997,12(2:5965.19W an Z M,Dozier J.L and Surface Te mperature M easure m ent from Space:Physical P rinci p les and Inverse M odelingJ.IEEET rans on Geosci&Re mote Sens,1989,27(3:268277.20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.地球科學(xué)進(jìn)展,1998,13(3:278284.042遙感技術(shù)與應(yīng)用第16卷Appl i

29、 cati on of Re mote Sen si n g Technology i n Studi es of Global ChangeFEN G Yun 1,GAO Feng 1,2,SUN Cheng 2quan1(1.T he S cientif ic Inf or m ation Center f or R esou rces and E nv iron m ent ,T he Ch inese A cad e m y of S ciences ,L anzhou 730000,Ch ina (2.Cold &A rid R eg ion E nv iron m ent &E ng ineer