遥感技术在全球环境变化研究中的作用

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1、第13卷第3期 1998年6月地球科学进展 ADVANCE I N EARTH SC IENCESVol . 13 No. 3 Jun. , 1998遥感技术在全球环境变化研究中的作用王长耀 布和敖斯尔 (中国科学院遥感应用研究所 北京 100101)狄小春 (中国科学院地理研究所 北京 100101)摘 要 具有快速、 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覆盖、 森林与草场、 海洋调查与灾害监测方面的应用情况以及所取得的

2、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 遥感技术 全球环境变化研究分类号 TP79?X21遥感具有全球观测的能力,即遥感可从多波段、 多时相和全天候角度获得全球观测数据,这在全球环境变化研究中是其它任何方法或技术无可替代的。全球尺度环境问题的出现,诸如土地退化、 全球变暖、 海平面上升、 生物多样性丧失和全球性资源危机等,迫使人类从全球角度、 不同层面上去观测地球,研究地球各圈层、 各子系统间的物质、 能量循环及相互作用机理,甚至还要研究地球与星际空间的相互作用,这些促进了空间科学,特别是遥感技术的长足发展。 遥感技术的发展,无论是其平台技术,还是其传感器技术

3、,都以地球观测作为主要目标,不断提高了遥感平台光谱分辨率、 空间分辨率和时间分辨率。例如,美国、 日本和欧空局等不惜投入巨资,纷纷出台新的地球观测系统(EOS)计划,在航空、 航天等空间领域展开了激烈的竞争,从T IROS卫星到NOAA ,从L andsat M SS到L andsat TM ,从SPOT到新一代ADEOS以及Radarsat等无不提高其空间和时间分辨率,从更高、 更广、 更精确的角度获取全球或大尺度地球资源、 环境动态数据。 我国地处东亚季风区,水、 热和土地等农业自然条件的区域差异显著,为了掌握我国资源与环境国情,近30年来开展了遥感环境监测、资源调查,不断积累了土地覆盖动

4、态、 森林与草场动态、 海洋动态等方面的资料和经验,正在建设全球环境变化、 资源与环境的可持续利用方面的国家和区域的模式或系统。1 土地覆盖变化的遥感监测早在50年代,我国林业部门在大兴安岭和长白山等地开展了森林覆盖率和森林资源估第一作者简介:王长耀,男, 1941年2月出生,研究员,研究方向为资源环境与全球变化遥感研究。收稿日期: 1997207202;修改稿: 1997212231算的土地覆盖单要素遥感调查。60年代,结合农业生产的布局和农业资源调查,主要应用航 空黑白像片,开展了土地覆盖多要素的综合调查和解译、 制图工作。1962年在海南岛曾用黑 白航空像片进行了农业自然条件的判读和解译

5、、 制图,编制了系列专题图; 1963年,结合应 用黑白航空像片和陆地卫星多波段影像,对我国亚热带、 热带山地的土地利用、 森林覆盖、 森 林资源进行调查,分析了热带季雨林林相,寻找在水、 热条件变化背景下,亚热带经济作物种植的上限。70年代的主要工作是利用气象卫星和陆地卫星影像,结合局地航空遥感数据,进行土 地覆盖? 土地利用调查,特别是全国范围森林覆盖调查和在腾冲地区进行的航空遥感综合试 验,解译和判读分类各种土地利用类型和土壤特性,确定植被覆盖率、 不同植被(主要是森林 和其它植被)覆盖面积,划分植被类型,确定森林的郁闭度、 分层和高度等数量指标,综合分析区域生态环境条件,区分出森林群落

6、优势树种1。 进入80年代,土地覆盖? 土地利用变化的动态监测和研究成为现实。 我国全面开展了以 再生资源的遥感调查、 土地覆盖? 土地利用现状遥感调查、 “三北” 防护林遥感调查和水域变 迁、 脆弱生态环境遥感调查等资源与环境、 土地利用的遥感调查与研究。其中, 1984年开始 进行的西藏自治区土地开发利用现状调查中,针对西藏自治区特有的高原地理环境和土地开发利用程度,采用航天和航空遥感技术相结合的方法,解决了航空航天遥感图像综合分析 等一系列技术难题,完成了西藏自治区县级土地利用调查和地市、 自治区两级数据的汇总、 制图、 建立数据库和分析研究工作,为开展全国范围土地覆盖? 土地利用遥感调

7、查积累了经 验,奠定了基础。 还进行了黄土高原土壤侵蚀遥感调查与研究和黄淮海平原水域动态遥感调 查,完成了遥感调查土壤侵蚀不同强度区域、 分布、 侵蚀速率的研究和黄淮海平原河、 湖、 海、海岸线等水体历史变迁的复原研究;近十几年在气候变化和人类活动影响下黄淮海平原湖 泊(如白洋绽)、 河流水系变化动态及其机理、 原因的研究,编制了系列图件,并在古河道变 迁、 地下埋藏古河道、 古湖泊、 古海岸线复原的遥感调查方法与技术方面积累了经验2。 除此 之外,在松辽平原、 黄淮海平原、 太湖平原、 江汉平原大面积农作物估产的遥感研究中,应用 气象卫星和陆地卫星数据计算出地表植被指数和个别生物量,为土地覆

8、盖变化的遥感定量研究进行了试验和探索,取得了很好的效果。 进入90年代,各种遥感信息源日益丰富,各种信息和数据的积累也日益增多,L andsatTM和NOAA数据几乎覆盖我国全部国土面积,加之与其它信息源(如Radarsat、JERS- 1、ERS- 1、SPOT、L andsatM SS等)的互补技术能够得到覆盖全国的土地覆盖? 土 地利用的动态数据。在这种技术背景下,中国科学院在 “八五” 期间重大研究项目 “国家资源环境遥感宏观调查、 动态分析与遥感技术前沿的研究” 中,完成了中国东部平原区125万 比例尺、 西部区150万比例尺地图精度上的以土地资源与环境动态为主要内容的资源环 境的遥

9、感调查,建立了包括土地覆盖? 土地利用类型以及土地资源的生态环境背景在内的动 态数据库,并在GIS支撑下建立相关的信息系统。这是迄今为止我国比较完整的最大规模 的一次土地利用的遥感调查。 这为我国全面开展全国性土地覆盖? 土地利用的遥感动态调查与研究打下了良好的基础,也为在全球变化背景下我国土地覆盖? 土地利用变化的动态调查 与研究进行了开拓性的探索。 目前,在 “九五” 国家科技攻关项目中设立了 “遥感、 地理信息系统、 全球定位系统技术的 综合研究” 项目,其中第一个课题就是 “国家级基本资源与环境遥感动态信息服务体系的建972第3期 王长耀等:遥感技术在全球环境变化研究中的作用 立” 。

10、我们相信,经过 “九五” 的攻关,将会建立一个能快速反映我国土地覆盖? 土地利用变化 动态的系统3。2 森林? 草场覆盖变化动态的遥感监测在50年代、60年代和70年代遥感专项调查中,都曾进行过小区域森林和草场的覆盖面积、 分布、 覆盖程度等方面的遥感图像判读、 量测等研究。 早期研究一般都利用航空黑白像 片进行单一要素(森林或草场)的解译判读。70年代利用了M SS,例如在西藏自治区122km2范围内, 1977年曾利用M SS及航空像片,清查森林面积和蓄积量,绘制了森林分布图。 还进行过新疆80个县的草场分类与制图,比常规方法精度提高了10%13% ,节约经费40%。而大规模地进行森林和草

11、场专题遥感调查则属 “三北” 防护林地遥感调查(森林为主)和内蒙古草场遥感调查(草场)1, 4, 5。2. 1 森林变化动态的遥感调查 “三北” 是指我国东北、 华北和西北地区,总面积为406. 9万km2。从1986年开始实施的 “三北” 防护林遥感综合调查,历时5年,完成了 “三北” 防护林区235个县(包括1996年重点 造林县和39个一般造林县)的遥感综合调查,调查面积达128万km2。编制平泉公共实验区和其它12个典型县110万比例尺专题系列图共94幅。如森林分布图、 森林动态图、 森林 立地条件类型图、 草地类型图和草地等级图等。编制 “三北”235个造林县150万比例尺专 题系列

12、图共173幅,包括森林分布图、 森林立地条件类型图、 草地资源图和土地资源图等。 在GIS支撑下建立了 “三北” 全区和6个典型县的资源与环境信息系统4。 用到的信息源主要包括L andsat M SS和TM、SPOT - HRV影像、 我国国土资源卫星影像以及比例尺分别为113万、17. 5万和13万的彩红外航空像片。通过 “三北” 防护 林区遥感综合调查确定了70年代到80年代森林的变化。此次调查不仅把森林划分为有林 地和灌木林地、 疏林地和迹地,而且相当一部分类型划分到三级,如有林地中可以划分出树 种(个别为树种组)。在这样的分类体系要求下编制了森林分布图、 森林动态图、 宜林地立地 类

13、型图,清楚地反映和划分出成片林地分布及其面积、 带状林及林网的分布及其面积、 城乡四旁树的分布及其面积以及宜林地土壤和植被的理化分析以及林木生长状况与各地类型或 各生态因子的区域组合4。2. 2 草场动态的遥感监测 在 “三北” 防护林遥感综合调查中专门作过草场调查,完成了草场资源图。该图是 “三 北” 防护林地区重要的自然资源系列图之一。经过TM图像解译得到的这种草地资源图除了反映 “三北” 防护林地区草地的类型、 分布面积、 规律外,还反映了草地的数量与质量、 草地 的退化、 沙化、 严重水土流失区域及变化动态,全面地反映出草地的资源状况。与此同时,完 成了 “三北” 实验区(平泉县)和1

14、2个典型县的草地类型图、 草地等级图。 国家 “六五” 科技攻关项目 “内蒙古草场的遥感调查”(1983年间),在占国土面积12%的 内蒙古草原地区,开展了以草场为主的生态系统遥感调查。本次调查应用了多阶、 多信息源和多时相的L andsatM SS和TM卫星图像,获得了包括气候因素、 地貌条件、 土壤情况、 水 资源供给、 植被分布、 草场等级及其分布面积在内的数据资料,编制了系列图件。 采用了对植 被影像分析,在影像上可以清楚地看出不同草场植被类型、 草场退化、 草地沙化程度等。 草场 遥感调查表明,内蒙古天然草场植被退化现象已带普遍性,许多地方的草地光谱反射率较正082 地球科学进展第1

15、3卷常群落提高10%15%;内蒙古东部草原的高度、 盖度、 产量比60年代初下降30%;沙地、 低湿地植被退化更为严重。这次遥感调查解译完成全区域1: 35万、1: 50万专题系列图,编 制出版了1: 20万、1: 50万和1: 100万草场资源系列图和生态背景系列图件,后来又出版了 内蒙古自治区1: 150万比例尺资源系列图。总之,这次遥感调查是在内蒙古草场116. 09万km2范围内,利用43幅L andsatM SS及TM图像,调查编制1: 50万1: 100万草场类型、土地利用、 土壤、 植被等专题图,以草场生态系统为核心,以地带分异规律为标志,划分类型、 量测面积、 估算了产草量和载

16、畜量,是我国最大规模的一次草场遥感调查5。 近年来结合土地覆盖? 土地利用变化动态调查,也进行了一些草场植被指数、 生物量的 调查和估算以及草场月变化、 季节变化、 年际变化的动态调查,乃至进行一次降雨后的草场 变化动态调查。 “八五” 期间结合灾害的遥感监测,还进行了内蒙古和新疆森林与草场火灾、 草场雪灾、 草场旱灾的遥感监测,较好地为农业及畜牧业生产布局提供了科学数据。森林和 草场对全球变化,尤其是对全球气候变化比较敏感,草场和森林大多分布在我国季风与非季 风区的过渡地带,其生态环境比较脆弱,对人类活动和水热条件等外界的干扰敏感而成为开 展全球变化研究的典型区或实验区。因此,森林和草场的遥感调查,尤其今后应用雷达遥感 数据、 高光谱、 微波遥感数据进行植被土壤大气相互作用及界面反应动力学的遥感调查与定量研究,能为全球变化的研究提供比较好的技术手段。3 海洋及海岸带遥感我国海洋遥感,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