全球環(huán)境變化的系統(tǒng)研究方法淺議_地理論文

1、全球環(huán)境變化的系統(tǒng)研究方法淺議_地理論文    文章摘要：                         提要總結(jié)和分析了數(shù)據(jù)獲取現(xiàn)代技術(shù)手段、地理信息系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型和地學(xué)信息圖譜的研究進展，從地球信息科學(xué)的角度探討了我國全球環(huán)境變化的系統(tǒng)研究方法。關(guān)鍵詞地球信息科學(xué)；全球環(huán)境變化；系統(tǒng)研究方法中圖分類號Q16；O2

2、3文獻標識碼A文章編號10003037(2001)010003061 引言全球環(huán)境變化是當(dāng)今環(huán)境研究的熱點，也是地球信息科學(xué)的應(yīng)用問題之一。土地利用變化通過與氣候、生態(tài)系統(tǒng)過程、生物地球化學(xué)循環(huán)、生物多樣性和人類活動的相互作用來影響全球變化，它是全球環(huán)境變化的主要驅(qū)動力之一，也是全球變化研究的中心內(nèi)容。在全球尺度，土地覆蓋變化是土地利用變化長期積累的結(jié)果。因為這些變化影響氣候、土壤、植被、水資源和生物多樣性等人類賴以生存的主要自然資源，所以它們在陸地生態(tài)系統(tǒng)中與可持續(xù)發(fā)展問題密切相關(guān)。為了分析土地利用變化過程、景觀空間異質(zhì)性動態(tài)、人類對土地覆蓋變化的反應(yīng)，我們至少需要以下兩個方面的數(shù)據(jù)：過去各

3、個歷史時期的景觀綜合圖和其它土地覆蓋的間接證據(jù)；反映近期土地變化的遙感數(shù)據(jù)。為了整理來源于遙感和景觀綜合圖等的有關(guān)信息，并在一個公用的空間框架中為地理、文化、政治、環(huán)境和統(tǒng)計數(shù)據(jù)提供輸入、儲存、處理、分析和顯示能力，我們需要地理信息系統(tǒng)。為了預(yù)測地球系統(tǒng)的變化趨勢，數(shù)學(xué)模型是必不可少的。土地利用變化的數(shù)學(xué)模型包括基于變化格局外推的診斷模型和基于土地利用變化過程的動態(tài)集成模型?，F(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型綜合了景觀變量和變化的近因，可以進行短中期預(yù)測。全球變化的長期預(yù)測需要分析土地覆蓋變化在不同地理和歷史背景下的主要人文驅(qū)動因素，分析氣候變化和全球生物地球化學(xué)因素對土地利用和土地覆蓋的影響。這些分析需要綜合土

4、地利用動態(tài)的案例研究，通過運用地學(xué)信息圖譜對這些大量典型案例研究的對比分析，在區(qū)域尺度得出土地利用變化的一般結(jié)論。為了使這些研究從區(qū)域尺度上升到全球尺度，我們必須進一步分析空間異質(zhì)性、技術(shù)創(chuàng)新、政策變化和城鄉(xiāng)動態(tài)等問題1。在全球環(huán)境變化方面我國已有很多研究成果24，同時也已產(chǎn)生了許多研究方法。例如，葉篤正等提出了全球變化的預(yù)研究方法5；張新時等改進了 Holdridge 模型，并據(jù)此研究了氣候變化對中國森林植被的可能影響6；李克讓等開發(fā)了氣候森林響應(yīng)動力學(xué)模型7。本文主要從地球信息科學(xué)的角度，討論我們對全球環(huán)境變化系統(tǒng)研究方法的一些認識。2 數(shù)據(jù)獲取第一手數(shù)據(jù)對全球環(huán)境變化研究是非常重要的，如

5、果第一手數(shù)據(jù)有問題，那么下面的所有分析和預(yù)測都將是建立在沙灘上的空中樓閣8。早在 1960 年代初，作者之一（陳述彭）利用海南島航空像片對包括坡度、土地利用、植被、土壤、坡向、地貌和地質(zhì)多要素解譯及地面實況進行了三級比例尺驗證。在航空像片綜合利用與農(nóng)業(yè)綜合制圖的實驗中，主張以地理的綜合方法作為解決熱帶航空像片分析與農(nóng)業(yè)制圖的基本途徑，即：按照地面控制考察與航空像片分析相結(jié)合的原則，從研究區(qū)域自然綜合體的自然歷史過程著手，摸清各種自然要素之間相互依存、相互制約的關(guān)系，綜合利用航空像片，相互闡明，彼此印證。根據(jù)像片判讀和量測的可能性，試制了大北部試點地區(qū)的 6 種基本自然條件與土地資源圖：微地貌結(jié)

6、構(gòu)圖、坡度組合圖、植被圖、土地利用圖、土壤土質(zhì)圖和農(nóng)用地形圖9。19781980 年間，中國科學(xué)院組織全國 80 多個單位，在云南騰沖地區(qū)首次進行了大規(guī)模的綜合航空遙感試驗。這次遙感試驗分為 33 個專題進行，包括地質(zhì)、農(nóng)林、水資源、測繪制圖等各個專業(yè)的解釋制圖工作，以及各種遙感儀器檢驗和波譜測試工作。在土地管理方面，根據(jù)地物波譜特性和遙感圖像的亮度系數(shù)，對土壤進行聚類。通過彩色紅外片的色散分析，鑒別主要森林樹種，利用遙感圖像解譯立地因子，回歸估算森林材積量和評價宜林地。利用彩色紅外像片，從圖像上直接解譯 20 多種土地利用類型和土壤特性，確定植被覆蓋率、森林和各類植被的覆蓋面積，劃分植被類型

7、，確定森林植被的郁閉度、分層和高度等數(shù)量指標，分析生態(tài)環(huán)境條件并分出優(yōu)勢樹種。在這次試驗過程中，通過地面實況觀察和航空像片解譯，編制了試驗區(qū)的自然景觀圖；結(jié)合應(yīng)用土壤、植被、水分等參數(shù)，通過航測地形圖的數(shù)據(jù)量測，建立了騰沖地區(qū)數(shù)字地形模型10。1981 年，在渡口二灘開展的第二步試驗中，以航空遙感資料為基礎(chǔ)，從土地覆蓋和環(huán)境污染著手，試驗多源的數(shù)據(jù)采集與空間配準的方法，探索了信息專題化和數(shù)字化的技術(shù)途徑11。其試驗內(nèi)容包括：彩色紅外正射影像地圖的編制；土地覆蓋圖的編碼；社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)的整理。自 1970 年代末以來，遙感技術(shù)在我國得到了較廣泛的應(yīng)用，例如：大地構(gòu)造學(xué)理論與板塊學(xué)說的驗證，水、

8、氣動力學(xué)現(xiàn)象與自然歷史軌跡的分析和生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測與環(huán)境科學(xué)的應(yīng)用12，陜北黃土高原地區(qū)遙感應(yīng)用研究13，資源環(huán)境動態(tài)遙感與模型分析試驗研究14，三北防護林遙感綜合調(diào)查研究15，城市遙感16和中國資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)研究17。遙感圖像和數(shù)據(jù)是現(xiàn)代地理信息的重要來源之一18。遙感圖像是一種綜合性的地理信息源（包括各種地理要素），同時，又是一種空間信息，為地理現(xiàn)象的空間分布提供了定位、定量的數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)比地圖更進一步強化了地理綜合體的形象和概念，它提供了具有全息性質(zhì)的交織在一起的可見景觀實體影像。人地關(guān)系錯綜復(fù)雜，難解難分，通過其中相互依存、相互制約的關(guān)系，人們可能由此及彼、由表及里，超越直

9、接的形象，借助于間接的標志，從中獲取極其豐富的二次信息。因此，遙感是一種運用物理手段、數(shù)學(xué)方法和地學(xué)規(guī)律相結(jié)合的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。在 20 世紀和 21 世紀之交的今天，遙感技術(shù)不再是孤立的系統(tǒng)，已達到了與全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合的水平，可以為全球環(huán)境變化研究提供多維和動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。3 地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的發(fā)展可劃分為 4 個相互重疊的階段19：1950 年代到 1970 年代中期是地理信息系統(tǒng)的開拓階段，1970 年代中期到 1980 年代初期是政府資助研究和正式試驗階段，1980 年代初期到 1980 年代后期是地理信息系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化階段，自 1980 年代后期以來地

10、理信息系統(tǒng)進入工作臺站網(wǎng)絡(luò)化和多媒體階段。我國自 1960 年代初期躋身于地理信息系統(tǒng)的探索、試驗和發(fā)展以來，在研究方面基本上保持著與國際同步發(fā)展的水平20。從歷史發(fā)展來說，地理信息系統(tǒng)脫胎于地圖21。地圖和地理信息系統(tǒng)都是地理學(xué)的信息載體。其所以稱為地理信息系統(tǒng)，是因為它的特定性質(zhì)屬于空間型，以區(qū)別于其它統(tǒng)計型的信息系統(tǒng)。它的主要特點是，每個數(shù)據(jù)項都按地理坐標來編碼，即首先是定位，然后是各種定性、定量屬性。以這些定位數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)而發(fā)展起來，具備愈來愈完善的分析功能的信息系統(tǒng)，則統(tǒng)稱為地理信息系統(tǒng)22。它的基本構(gòu)成包括三部分，地理基礎(chǔ)：按經(jīng)緯度、地形圖格網(wǎng)或行政區(qū)劃、流域等來建立格網(wǎng)的或多邊形

11、的地理坐標；標準化和數(shù)字化：將統(tǒng)計數(shù)據(jù)、地圖或影像加以規(guī)格化和數(shù)字化，以適應(yīng)計算機輸入和輸出，以便于人文與自然要素之間的對比與相關(guān)分析；多維結(jié)構(gòu)：實現(xiàn)三維的空間信息結(jié)構(gòu)并按時間序列延續(xù)，從而具備信息存儲、更新和轉(zhuǎn)換的能力23。地理信息系統(tǒng)是具有多層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、多功能綜合分析能力的空間型信息系統(tǒng)，可把全球或地球的大量自然因子和人文要素的屬性，按照地理位置建成關(guān)系數(shù)據(jù)庫，再加上遙感衛(wèi)星的周期性大范圍掃描數(shù)據(jù)以及結(jié)合經(jīng)濟統(tǒng)計的實時傳輸，使數(shù)據(jù)保持在經(jīng)常的更新狀態(tài)之中。因此，我們可以根據(jù)地理系統(tǒng)建立空間分析模型，對全球環(huán)境變化進行動態(tài)模擬和預(yù)測24。4 數(shù)學(xué)模型建立新一代空間動態(tài)模型是全球變化研究面臨

12、的主要挑戰(zhàn)1，而總結(jié)和評價現(xiàn)存的有關(guān)模型是新一代模型必不可少的基礎(chǔ)。為此，我們自 1998 年 7 月開始進行數(shù)學(xué)模型文檔庫建設(shè)。由于資源環(huán)境數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性，有關(guān)模擬系統(tǒng)質(zhì)量的隱含和明確假設(shè)對模型用戶常常并不是不言自明的，所以，標準化數(shù)學(xué)模型文檔庫中的每一個模型包含有 6 個層次的信息，它們所包含信息的詳細程度逐漸提高。即：注冊信息層：包括有關(guān)模型的整體信息，例如摘要、作者聯(lián)系地址和參考文獻等；科技信息層：包含層次 1 中的所有信息以及模型的詳細科技信息，例如，模型的數(shù)學(xué)方程、參數(shù)變量、隱含假設(shè)和資源環(huán)境背景等；數(shù)學(xué)信息層：包含層次 2 中的所有信息及模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；過程信息層：包含層次 3

13、 中的所有信息及模型的構(gòu)建過程或論證過程；程序信息層：包含層次 4 中的所有信息及模型的原程序；案例信息層：包含層次 5 中的所有信息及模型的應(yīng)用案例。通過比較分析文檔庫中的模型，對現(xiàn)存建模方法的局限性和尚待創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型有了一個全面的認識，并因此派生了具有創(chuàng)新意義的模型。例如，以綜合生物多樣性模型25為核心的景觀空間異質(zhì)性動態(tài)模型體系，以生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性模型26、連通性模型和基于植被指數(shù)的土地生產(chǎn)力模型為核心的土地利用變化過程模型體系，以數(shù)據(jù)挖掘模型27為核心的氣候變化模型體系和以土地管理虛擬系統(tǒng)28為核心的人類對土地覆蓋變化的反應(yīng)模型等。5 地學(xué)信息圖譜發(fā)展和完善一種方法來反演 (backc

14、asting) 土地利用和土地覆蓋變化的過去和預(yù)測 (forec asting)其未來，是全球變化研究的具體目標之一1。地學(xué)信息圖譜正是迎合這一研究目標的有效可選方法之一。地學(xué)信息圖譜是在繼承中國傳統(tǒng)研究成果的基礎(chǔ)上，運用衛(wèi)星遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò)等當(dāng)代先進技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)理論發(fā)展起來的，它是一種圖譜生成過程智能化的系統(tǒng)理論。地學(xué)信息圖譜吸收了景觀綜合圖簡潔和數(shù)學(xué)模型抽象的特點，它的發(fā)展經(jīng)歷了景觀制圖實驗29、圖譜概念的提出30、圖譜方法的應(yīng)用31、32和地學(xué)信息圖譜理論33的形成 4 個階段。地學(xué)信息圖譜由征兆圖、診斷圖和實施圖組成。征兆圖是信息提取模型對有關(guān)數(shù)據(jù)的運行結(jié)果

15、，可為我們進一步研究提供線索和依據(jù)28；診斷圖可表達為各種基礎(chǔ)圖的不同組合，可反映資源環(huán)境動態(tài)的變化與發(fā)展趨勢34；實施圖以診斷圖為依據(jù)，通過改變各種邊界條件，分析推理不同控制條件下的決策方案，可為進行規(guī)劃實驗提供依據(jù)和預(yù)案35。圖譜是一種源遠流長的中國傳統(tǒng)方式，主要運用圖型語言進行時間與空間的綜合表達與分析；地學(xué)信息圖譜則是應(yīng)用地學(xué)分析的系列多維圖解來描述現(xiàn)狀，并通過建立時空模型來重建過去和虛擬未來33。也就是說，地學(xué)信息圖譜不僅應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)開發(fā)利用，而且服務(wù)于科學(xué)預(yù)測與決策方案的虛擬。地學(xué)信息圖譜具有以下 4 個重要功能：借助圖譜可以反演和模擬時空變化，即可反演過去、預(yù)測未來；可利

16、用圖的形象表達能力，對復(fù)雜現(xiàn)象進行簡潔的表達；多維的空間信息可展示在二維地圖上，從而大大減小了模型模擬的復(fù)雜性；在數(shù)學(xué)模型的建立過程中，圖譜有助于模型構(gòu)建者對空間信息及其過程的理解35。6 討論事實上，許多科學(xué)家已經(jīng)認識到了全球環(huán)境變化系統(tǒng)研究方法的重要性。例如，一些專家認為36，為了解決全球環(huán)境變化亟待解決的問題，必須重視以下幾個最重要的方面：優(yōu)化衛(wèi)星觀測系統(tǒng)和地面監(jiān)測網(wǎng)；建立有效的地理信息系統(tǒng)，集成源于野外工作、航空照片、衛(wèi)星影像和地圖的有關(guān)數(shù)據(jù)；構(gòu)建和發(fā)展地球物理與生物過程模型、優(yōu)化氣候模型中的生物圈參數(shù)，以分析衛(wèi)星觀測的時間序列數(shù)據(jù)；發(fā)展基于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)和分析模型的全球變

17、化預(yù)測理論。有的專家提出37，重建過去的生態(tài)景觀過程、模擬當(dāng)前的景觀動態(tài)、分析其驅(qū)動因素、發(fā)展典型案例研究支撐的地理信息系統(tǒng)是最有前途的全球環(huán)境變化研究方法，數(shù)字影像處理、地理信息系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型的集成為我們更準確全面地監(jiān)測和預(yù)測環(huán)境變化提供了新的可能性。因為我們目前還沒有精確、詳細的全球尺度空間數(shù)據(jù)，所以空間抽樣研究是全球變化研究的一個重要手段1。例如，根據(jù)土地覆蓋變化的生態(tài)和社會經(jīng)濟敏感性以及我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，我們可以首先對全球變化有重要意義的以下 4 個熱點地區(qū)進行深入研究。（1）黃河三角洲：它位于渤海灣和萊州灣的灣口，地處 37°2038°10N、118°

18、7119°10E，屬溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。地下蘊藏著豐富的油氣資源和其它沉積礦床，已建成我國第二個最大的石油工業(yè)基地。地面農(nóng)業(yè)資源多種多樣，擁有豐富的水沙資源、土地資源、草場資源和廣闊的灘涂，生產(chǎn)潛力很大。但由于對黃河三角洲地區(qū)特殊的自然環(huán)境缺乏全面的認識，以及旱、澇、鹽堿等不利因素的影響，生態(tài)平衡一度遭到破壞。為了為黃河三角洲的可持續(xù)發(fā)展建立遙感監(jiān)測系統(tǒng)和資源與環(huán)境信息系統(tǒng)，1985 年 10 月國土資源衛(wèi)星協(xié)調(diào)小組將黃河三角洲列為試驗區(qū)之一38，到目前為止，已形成了較完整的時空動態(tài)遙感數(shù)據(jù)系列。（2）珠江三角洲：珠江三角洲位于廣東省中南部，瀕臨南海，是我國南亞熱帶最大的沖積平原。自 1978 年以來，成為我國層次最高、發(fā)展最快的改革開放先行地區(qū)39。未來的珠江三角洲將是一個經(jīng)濟快速發(fā)展、城鄉(xiāng)融為一體的經(jīng)濟區(qū)和城市密集區(qū)40。為了保證珠江三角洲的可持續(xù)發(fā)展，我國即將啟動珠江三角洲地區(qū)的 11 萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫建設(shè)，并運用 1m 分辨率以上的各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)，建立包括 1m 分辨率的資源、環(huán)境、社會和經(jīng)濟方面的多分辨率數(shù)據(jù)庫