遥感技术在全球变化研究中的应用

1、收稿日期:2001210216;修订日期:2001211220作者简介:冯筠(1951-,女,副研究员,主要从事科技情报分析研究和期刊编辑工作。遥感技术在全球变化研究中的应用冯筠1,高峰1,2,孙成权1(1.中国科学院资源环境科学信息中心,甘肃兰州730000(2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000摘要:首先通过全球卫星遥感监测系统的介绍,阐述了遥感技术在全球环境数据获取中的重要性。1引言当前,人类面临着人口膨胀、资源匮乏和环境恶化三大危机,而其中环境恶化制约着人类的生存和资源的可持续利用。影响全球环境的温室效应、臭氧层破坏、森林锐减、物种灭绝、土地退化和淡水资源短缺等一

2、系列重大问题困扰着人类社会。面对全球环境日益恶化的严峻现实,科学家必须在研究全球变化现状的基础上,预测未来环境变化趋势,从而为政府决策提供科学依据。环境恶化的全球性和全球变化对世界经济发展的重要性,日益引起世界各国科学家和政府首脑对全球变化研究的关注,纷纷呼吁要采取全球性的合作。目前,国际上公认的全球变化研究的四个国际科学计划,即W CR P 、IGBP 、I HD P 、D I V ER S ITA S 正是国际科学界努力的结果,四个计划的实施极大地推动了全球变化研究。全球环境数据的获取是全球变化研究中的第一优先1,而遥感技术以其宏观、快速、能提供全球和区域地表的面上信息等优势,必将在全球环

3、境数据的获取中起着重要的、不可或缺的作用。国际上许多遥感计划开始与全球变化研究计划建立联系,由美国NA SA 发起、多个国家参与的地球观测系统计划(EO S ,既是最宏伟的遥感卫星计划,也是全球变化研究计划的一个重要组成部分2。遥感技术在全球环境的现状及其变化趋势预测研究方面具有不可替代的优势,如全球尺度的土地覆盖及其变化的遥感监测研究;在全球变化的一些热点问题研究中遥感技术也逐步显示出良好的应用前景,如温室气体和臭氧的遥感监测和评价研究。随着遥感技术的日臻完善,遥感技术已渗入到全球变化研究的众多领域。从辅助手段到主要手段,乃至于某些专题研究中的唯一手段,遥感技术在全球变化研究中发挥着越来越重

4、要的作用。2全球卫星遥感监测系统NA SA 宣称,有关全球变化研究的历史是与NA SA 的历史平行的,从地球观测系统(EO S 到地球科学探索(ESE 战略计划,揭开了地球空间观测新的一页3。EO S 计划最初是为了参与美国全球变化研究计划,以航天领域能做出贡献为其目的缘起的,1985年获得美国总统的明确支持,并把EO S 计划置于利用空间观测技术实施地球系统科学和全球变化研究的主要位置上。EO S 的目标之一是建立全球的卫星遥感观测系统,是目前全球变化研究中正在部署和实现的全球观测系统1(地球观测系统(EO S ,全球陆地观测系统(GTO S 、全球气候观测系统(GCO S 、全球海洋观测系

5、统(GOO S 和全球环境观测系统(GE M S 的重要组成部分,在保障全球环境数据的获取方面起着举足轻重的作用。图1是EO S 计划中全球卫星观测系统的概念性框架模型。图中围绕地球观测的四个卫星分别是美第16卷第4期2001年12月遥感技术与应用REMOTE SEN SI N G TECHNOLOGY AND A PPL I CA T I O NV ol .16N o .4D ec .2001国NA SA 研制的EO S 2AM 和EO S 2P M ,日本NA S 2DA 研制的卫星AD EO S 2 和欧空局(ESA 研制的环境卫星(ENV ISA T 。四个卫星相互配合构成一个完整的全

6、球卫星观测系统。下面主要介绍一下图1中AD EO S 2 和EO S 2P M 这一对卫星 。图1全球卫星观测系统AD EO S 2 是AD EO S 的改进型卫星,其开发目的是获取研究全球环境变化如全球变暖所需的数据,是明确为全球变化研究所设计的卫星。AD EO S 2 原定于2001年发射,现已推迟至2002年2月以后。AD EO S 2 为太阳同步准回归极轨卫星,卫星高度802.9km ,倾角98.62°,周期101分,回归天数4天,降交点地方时为上午10:30分左右,设计寿命3年。AD EO S 2 上载有5个观测仪器:高性能微波扫描辐射计(AM SR 、全球成像仪(GL I

7、 、海面风观测装置(Sea W inds 、地表反射观测装置(POLD ER 以及改进型大气临边红外分光计2 (I L A S 2 。EO S 2P M 由NA SA 研制,现称为A qua 卫星,原计划于2000年12月发射升空,现推迟至2002年以后。A qua 是个极轨卫星,穿越赤道时间为下午1:30。该星携载有6个观测仪器:改进型高性能微波扫描辐射计(AM SR 2E ,大气红外探测仪(A I R S ,高性能微波探测装置(AM SU ,巴西的湿度探测仪(H SB ,云与地球辐射能系统(CER ES ,中等分辨成像光谱仪(M OD IS 。值得一提的是,在AD EO S 2 和EO S

8、 2P M 这一对卫星中,都携载了性能相近、波段基本相同的高性能微波扫描辐射计(AM SR 和AM SR 2E ,从而可提供全球的、连续的、全天时全天候的微波观测。此外,由于这对卫星的降交点分别为上午和下午,因而可提供完整的日变化数据。AM SR 和AM SR 2E 在波段的设置上继承并扩展了S MM R 和SS M I 的波段,同时在分辨率上有较大的提高,因而未来的全球变化研究中微波遥感将占据重要位置。20世纪90年代,各国相继研制发射了一批先进的观测卫星,形成了太空中众星争奇斗艳的局面,如法国的SPO T 卫星,欧洲遥感卫星(1号、2号、加拿大的RADA R SA T 、日本的JER S

9、21、TRMM 等。这些卫星上都携载了能提供全球变化研究所需数据的传感器,随着专业观测卫星的发展,专事全球变化研究的卫星也已开始研制,如日本正在研制的全球变化观测卫星(GCOM 。GCOM (Gl obal Change O bservati on M issi on 开发的目的是提高AD EO S 和AD EO S 2 对全球观测的精度,同时长期观测(15年自AD EO S 2 开始的全球环境参数,以了解全球环境变化的机理。GCOM 2A 1星主要用于观测臭氧和温室气体,载有臭氧动态变化紫外光谱仪(ODU S 以及监测温室气体的仪器。GCOM 2B 1星主要用于观测物质和能量循环,载有全球制

10、图仪、AM SR 、A l phaSCA T 以及POLD ER 。借助这些传感器,GCOM 2B 1可以测量气溶胶、雪冰面积、水汽、浮游植物、色素浓度、海面风、海面温度(SST 等。实际上,从美国NOAA 和L and 2sat 系列卫星,到RADA R SA T ,再到TRMM ,一直到今后几年即将发射的诸多卫星,构成了广义的全球卫星遥感监测系统,可为全球变化研究提供多波段、多通道、多角度、多种分辨率的光学、微波和高光谱遥感数据,卫星遥感必将在全球变化研究中发挥应有的作用。3遥感技术在全球变化热点问题研究中的应用全球变化研究涉及的学科和领域众多,所需的数据量巨大,种类也繁多。下面是遥感技术

11、所能提供的数据种类4:大气的垂直温度剖面;降水量及频度;大气与同温层臭氧含量;云覆盖率;海面温度;雪线;海冰线及海冰厚度;植被指数;反射率;风暴位置;太阳能入射量;太阳能通量及光谱;地球辐射量;海洋叶绿体含量;痕量气体;海洋表面风;浪高及方向;洋流;同温层及中间层的化学构成;大地热容量、地面温度;同温层与上层对流层的化学构成;地面风速及方向;同温层微粒与臭氧;土地利用状况;海洋泥沙含量;浅海地形;陆地冰的范围与厚度;土壤类型及变化;火山爆发与火山灰分布;土壤湿度及变化;海岸滩涂及变化;大地径流量;森林及草场火灾;积雪范围与厚度。从这些数据可以看出,遥感技术已渗入到全球变化研究的很多领域。随着遥

12、感技术的发展,遥感数据的种类会更多,而且提供数据的质量832遥感技术与应用第16卷将会有大的改观,从而可满足全球变化研究众多领域研究的数据需求。下面仅从全球变化研究的几个热点问题中的遥感技术应用阐述遥感技术在全球变化研究中的应用潜力及进展情况。3.1在土地覆盖及其变化研究中的应用土地覆盖及其变化是全球变化研究计划中的重要研究内容,而区域和全球土地覆盖的监测正是遥感技术发挥重要作用的地方,是其它方法无法替代的,也是遥感技术在全球变化研究中应用最成熟的一项技术。为监测全球和大陆尺度上的植被状况,自20世纪80年代开始筹划利用NOAA AV HRR的1km分辨率遥感数据建立全球陆地应用数据集,之后该

13、项工作并入IGBP计划之中而成为IGBP2D IS 的一部分5。全球1km AV HRR陆地数据集的最主要应用就是产生标准化差植被指数(NDV I,通过NDV I值生成全球陆地覆盖图(分类图并用于监测季节性植被状况与变化5。利用NDV I分类图,还可以研究冰川进退和沙漠的变化等。另外,L andsat导航计划获得了70年代早期到现在的世界热带森林的1000幅L andsat M和TM图像,分析这些图像就可确定20世纪70年代末、80年代中和90年代三个时期的毁林程度6。随着微波遥感技术的发展,利用微波遥感数据监测植被的工作也已开展。Chondhury等7的研究表明,37GH z的极化亮温差T(

14、=T37V-T37H可以作为植被变化的指示因子,并尝试利用T对全球的植被覆盖进行制图研究。3.2在大气痕量气体监测中的应用臭氧(O3、CO2、甲烷(CH4等大气痕量气体在全球变化中起着不可忽视的作用。搭载在N i m bus27卫星上的臭氧总量制图光谱仪(TOM S自1978年开始对大气中臭氧进行卫星观测,积累了长期的O3卫星观测数据。V aro ts o s等8利用19791992年13年的N i m bus27TOM S遥感数据分析到希腊上空的臭氧衰减,衰减率为每年0.8%;C rackell等9也利用TOM S数据研究了苏格兰上空的臭氧衰减情况。利用ER S22上搭载的全球臭氧监测实验装

15、置(GOM Z和大气制图学 化学扫描成像吸收光谱仪(SC I A2 M A CH Y可对CO和O3体积浓度进行全球制图5。日本于1996年发射的AD ED S2 卫星上搭载有温室气体干涉监测仪,可提供全球大气中的CO2、N2O、CH4和CFC s,等温室气体的遥感监测数据10。Choudhury11建立了被动微波遥感数据(37 GH z极化差与大气中CO2浓度的关系,可以此推算出大气中CO2的浓度,T ucker12对此关系式进行了进一步的分析和验证。M o rrissey等13利用ER S SA R和航空SA R数据对区域范围的甲烷交换率进行了研究,建立了SA R后向散射系数与湿地中植被叶面

16、积指数和积水深度间的对应关系,可据此推算甲烷的交换率。3.3在湿地研究中的应用湿地对碳的贮存以及产生CH4、CO2、S、N等微量气体等方面起着特别重要的作用,是全球变化研究中的一个重要的研究领域。由于建立全球性的湿地地面观测网极其困难,因而在湿地研究中遥感资料显得极为重要,遥感技术为推进湿地的分类与分布研究提供了机遇。1996年5月在美国加州召开的IGBP湿地研讨会上,与会代表初步提出了表征湿地对痕量物质生物地球化学循环中作用的9个基本参数:水文、湿度、初级生产量、植被、土壤类型、含盐量、化学成分、有机物及沉积物的迁移、地形与地貌,并形成了关于湿地研究的IGBP46号报告。该报告对遥感技术观测

17、这些参数的可能性给予了评价,光学遥感、主被动微波遥感以及高光谱遥感联合起来,可对这些参数涉及的大部分变量进行观测和反演。评价认为,少部分变量的观测属高可靠,大部分属中等可靠,另有一部分属可能可靠(需进一步开发。如,利用NOAA AV HRR数据对湿地植被覆盖的监测、主动微波遥感对湿地积水面积和深度的监测等都是发展成熟的技术。而利用高光谱数据可以识别木本与非木本植物、森林与灌丛、苔藓,也可以用来估计水体中或水面浮游植物及叶绿素浓度的状况,但这些尚需进一步的研究和开发。3.4在地表参数定量反演中的应用遥感数据的一个重要应用是为区域和全球的大气环流模式、水文模型、生物地球化学循环模型提供面上的地表参

18、数,这是定量遥感研究的重要方向。始于1983年的国际卫星陆面气候学计划(ISL SCP,其目标就是利用卫星遥感数据定量反演的地表参数初始化和校正全球气候模式15。根据Sellers等16的研究,水-能-碳循环模式需要的输入参数有地表反射率、短波太阳入射、光合作用主动辐射(PA R、净的长波辐射、蒸发量、粗糙度等,利用遥感数据可直接提供基本满足模式精度需要的地表反射率、短波太阳入射、光合作用主动辐射;碳与生物地球化学循环模式所要求的陆地覆盖类型、地表温度、土壤湿度、痕量气体等参数也可由遥感数据提供。遥感反演的这些参数有些精度已基本满足模式的要求,有些932第4期冯筠等:遥感技术在全球变化研究中的

19、应用参数的遥感反演尚在研发阶段,如蒸发量、地表粗糙度、土壤湿度等。高峰等17综述了利用光学遥感和微波遥感反演地表反射率、陆表温度、土壤湿度等地表参数的研究进展情况。柏延臣等18对积雪遥感研究的现状进行了综述。目前以光学遥感提取积雪面积信息,以被动微波遥感反演积雪深度的联合遥感方法已在积雪遥感监测业务中应用。在海气相互作用研究中,海冰面积和厚度以及海面温度(SST的遥感反演研究也取得了巨大成功,特别是SST的遥感反演比起陆面温度的反演研究要早,而且更成熟19。4结语卫星遥感以其周期性对全球观测的特点满足了全球变化研究的数据需求,使得遥感技术在全球变化研究中的应用由浅入深,逐步从辅助手段发展到主要

20、手段,这也是遥感技术不断发展的结果。以上仅对遥感技术在全球变化研究的几个热点问题中的应用进行了概要介绍,实际上,遥感技术在全球变化研究中的应用非常之广,进一步挖掘遥感技术的应用领域并深化和提高其应用水平,是摆在遥感科研工作者面前的一项长期任务。我国遥感技术及应用经过四个五年计划的发展,在为国民经济重大问题(如自然灾害监测评估、农作物估产、土地利用变化监测服务的同时,也涉及了全球变化研究,取得了一些重要研究成果,形成了我国遥感技术和应用发展的特色。王长耀等20对此进行了评述。今后我国遥感参与全球变化研究的机会更多。特别是随着上世纪90年代掀起的卫星遥感热潮,本世纪初遥感技术参与全球变化研究将成为

21、国际研究热点。我国处于东亚季风区,有世界“三极”之一的青藏高原,在全球变化研究中具有举足轻重的地位。因此,如何拓展我国遥感技术在全球变化研究中的应用也是摆在我国遥感科研工作者面前的一大课题。参考文献:1林海.中国全球变化研究的战略思考J.地学前缘,1997,(3:915.2高峰.地球观测系统(EO S.见:曹月华主编.世界环境与生态系统监测和研究网络M.北京:科学出版社,1997.7784.3NA S A.Earth Science Enterp rise Strategic P lanR.www4李小文.全球变化研究中的遥感技术J.地球科学进展, 1988,(1:2835.5Loveland

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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