新大遥感地学分析讲义第10章 遥感与全球变化.docx

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1、第10章遥感与全球变化全球变化是指气候和地表即地表以上各种因子间的相互作用造成的环境变化。它涉及到 岩石圈、大气圈、水圈和生物圈。全球变化是当今地球科学研究的热点和难题，已引起世界 各国政府的高度重视和大力支持。当前，已有一大批不同学科领域的科学家（水文、生态、大 气、气候、遥感等）投身于全球变化或与之相关的研究。全球变化已成为地球系统科学一个 新的研究领域。由于受到人类活动和自然过程的作用，目前全球变化研究中已经出现土地利用/覆盖变 化、碳循环、湿地以及大气监测等热点研究问题。具有全球观测能力的遥感技术是全球变化 研究中重要的、无可替代的技术手段。利用遥感既是获取全球变化信息，时间周期很短。

2、天 空中运行的气象卫星，可以一天两次监测同一地区，发过SPOT地球观测卫星，在需要时可 以35天的间隔观察同一地区，美国发射的地球观测卫星，以1618天的时间间隔观察同 样的地区。本章简要介绍了遥感技术在土地利用/覆盖变化、碳循环、湿地以及大气监测等 四个领域中应用概况。10.1 遥感在土地利用/覆盖变化研究中的应用土地利用/覆盖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。10.1.1 土地利用研究方法（1） 土地利用调查研究土地利用调查研究一般方法如下：遥感数据及

3、辅助资料的采集根据区域特点及详查、概查的要求，进行地类可判读性及判对率的研究、评价，以确定 采用何种（空间分辨率的）遥感图象。不同分辨率遥感图像地类判识率、可判地类级别的估 价。根据研究区的作物的农事历、自然植被的物候期及环境因素的变化确定遥感图象的时间 分辨率。如三北（东北、西北、华北）防护林地区遥感调查的最佳时相是春末夏初和秋中季节。 此季相的耕地、林地、草地及居民点用地之间色调差异明显，且同一类型内部色调差异也大 （主要是植被长势及土壤水分差异大所致），易于判读。根据遥感数据、信息量及相关性等研究，选择其最佳波段及波段组合。辅助资料，包括地形图、各类专题图、生物、地学要素、社会经济统计数

4、据、历史资料 等。遥感图象的预处理主要指遥感图象的几何纠正、辐射纠正、以及图象增强。其中图象增强，多采用线性灰 度拉伸、比值处理、主成分分析及彩色合成等，以便获得最佳视觉效果的假彩色合成图象解译标志的建立首先，根据区域特点,确定以国家一、二级分类系统为基础的研究区土地利用分类系统。 其次，根据各地类的影象特征（色调、形状、纹理结构等），通过图象分析，包括目视解译或 对部分数字图象训练区的专题特征提取，以建立各地类的“初步解译标志”。再通过野外调 研对“初步解译标志”进行实地检验修正以及对初 判中的疑难点进行实地属性确认，以最 终建立全区各土地利用类型的解译标志。室内遥感图象判读成图根据己建立的

5、解译标志，以目视判读为主，辅以数字图象处理，进行逐级的地类判读及 界线的勾绘。判读中注意先整体后局部，先易后难，并注意运用地学相关分析、对比研究以 及先验知识的加入和逻辑推理等，以确保解译内容和图斑勾绘的正确性。野外调查（查证）野外实地考察，解决两方面问题:室内解译难以确定地类的;验证室内解译图斑准确性。 经野外调查后修改解译图件，成图。地类面积量算按“层层控制、分级量算、按面积比例平差”的原则，进行地类面积量算和统计。线性 地物和细小地物的扣除。由于一些线性地物如道路、沟渠、田填、林带等，往往在遥感图象 上难以独立勾绘和量算，而混入耕地中。为了提高耕地面积的准确度，多通过系数扣除法或 建立线

6、性地物实测（宽度）数据与对应的图象（宽度）数据间的回归方程,来进行耕地中线性地 物的扣除。由于分辨率和解译图比例尺等限制，在卫星遥感土地利用调查（如耕地调查）中， 所得图斑面积为毛面积，与实际面积数据有较大误差，需进行细小地物校正。采用方法有样 区调查校正（野外实地或大比例尺航片样区调查），结合地学分析方法的应用。成果总结成果总结包括专业制图、数据整理汇总、建数据库、土地利用现状分析、以及提交研究 报告等。（2） 土地利用变化监测分析由于地球表面，尤其是土地利用/土地覆盖状况处于频繁的动态变化中，前期的研究成 果往往很快就发生了变化，所获得的数据变得陈旧，因而及时了解其变化就显得尤为重要。 利

7、用遥感技术进行土地利用/土地覆盖变化的动态监测关键在于多时相遥感数据的选择、不 同时相数据的空间及光谱的匹配、变化检测方法的选择 以及变化信息的提取与制图等。遥感对土地利用变化的监测，过去大量的还是运用目视分析对比不同时相土地利用图的 差异，或用新的遥感分类图与旧的土地利用专题图比较以求得变化区域和变化量，其效率与 精度往往不能满足用户的要求。即使是对不同时相遥感图象先分类后再逐个象元的对比、检 测变化信息，也因各自分类标准不一，精度、可信度难以满足实用需求。随着GIS的发展，人们借助于GIS的支持，进行专题信息的叠合分析，可直接检测变化 图斑，进行动态分析，输出动态变化图和统计数据，满足用户

8、的不同需求。但是以往由于GIS与遥感之间的接口并不畅通，人们往往不得不经过一个遥感专题制图 的过程，再将不同时相的土地利用图数字化或扫描输入GIS进行分析。这样一来原本快捷的 动态监测过程却要受到专题图制作周期的影响，难以实现快速监测的目的。随着RS/GIS的有效整合，这一矛盾将逐步得以解决。另外，直接从动态遥感信息中提取 变化因子，实现快速动态监测。如，不同时相遥感复合数据的分类提取、不同时相数据的植 被指数变化图、不同时相复合数据的主成分分量合成图等，均可以取得较好的效果。10.L2 土地覆盖研究方法（1）目视解译定性分析方法此法着重于土地类型的遥感图象的分析解译以及相应的光谱特征的描述。

9、通过分类系统 的确定，解译标志的建立，图象的判读，绘制专题图。这里很少涉及土地覆盖与其它自然景 观要素的联系。（2）以数理统计理论为基础，结合人工解译的方法此方法在数理统计的基础上,进行遥感图象数据的自动分类（监督分类、非监督分类等）。 它具有算法成熟、充分利用人机交互等特点，但其用时多，对解译分析人员依赖性强，其结 果往往因地因时因人而异，难以相互比较和转换，很大程度上不具备可重复性等。这些局限 性影响了迅速、准确、客观地获取大面积土地覆盖信息。尽管如此，这一方法仍是目前大尺 度遥感分类的主导方法。（3） 土地遥感分类的新方法如人工智能神经元网络分类（Moody&Strahler, 1993

10、）、分类树方法（Hansen等，1996）、 多元数据的专家系统和计算机识别法等。其中分类树及神经元网络方法目前正应用于 EOS/MODIS 土地覆盖数据库的开发试验。而专家系统与计算机识别尚处于小范围研究阶段。(4)遥感与GIS的结合一一建立“灵活的土地覆盖数据库”运用多光谱、多时相的遥感数据，以及多种辅助数据，借助GIS将不同土地覆盖类型的 光谱特征、空间分布与土地覆盖类型的生物学特征(生物物理、生物气候)有机结合起来，建 立“灵活的土地覆盖数据库”，是当今土地覆盖研究的一个重要趋势。10.3 遥感在湿地研究中的应用.湿地是水陆相互作用形成的特殊自然综合体，湿地与森林、农田一起并列为全球三

11、大生 态系统。湿地因具有巨大的水文和元素循环功能，被称为“地球之肾”，因具有巨大的食物 网、支持多样性的生物而被看作“生物超市”，是自然界最具生产力的生态系统和人类最重 要的生存环境之一。湿地对碳的贮存以及产生CH八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。及时、准确地掌握和研究该区湿地资源的现状和动态变化过程对湿地的合理开发和保护有重 要意义。(1) 土地利用类型分析流程为了研究该地区湿地资源的变化，掌握湿地演变规律，选取1986年和2000年两个不同 时期美国陆地资源卫星4、3、2波段合成影像作为基本信息源，以1： 5万地形图为参考进 行儿何

12、精纠正。根据遥感影像信息源的季相以及东北地区区域生态环境的特点，参照全国土 地资源二级分类系统标准，依据国民经济主要用地构成、土地属性和利用方向，先解译出该 地区6种土地利用类型：耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地，然后在第一级基 础上，依据土地资源主要利用方式、利用条件、难易程度划分为25个类型。在遥感图像软 件的支持下，采用人机交互的方式判读解译得到两个不同时期的土地利用类型景观数据，并 结合野外实地考察情况，对解译数据进行了校正。(2)湿地资源动态数据分析流程在GIS软件的支持下，从土地利用数据中提取灌溉水田、水库坑塘、河流、湖泊、滩地、 沼泽地作为湿地资源,从而得到两个时期的湿

13、地资源数据。这6种湿地资源解译划分标准为:灌溉水田：指有水源保证和灌溉设施，在一般年景能正常灌溉，用以种植水稻等水生 农作物的耕地，包括实行水田和旱地轮作的耕地；水库坑塘：指人工修建的蓄水区常年水位以下的土地；河流：指天然形成的河流常年水位以下的土地；湖泊：指天然形成的积水区常年水位以下的土地；滩地：指河，湖水域平水期水位与洪水期水位之间的土地；沼泽地：指地势平坦低洼，排水不畅，长期潮湿，季节性积水或常年积水，表层生长 湿生植物的土地。根据湿地资源受人类干扰程度可分为人工湿地和天然湿地，其中灌溉水田、水库坑塘归 为人工湿地，河流、湖泊、滩地、沼泽地归为天然湿地。将两个时期的数据进行叠加，得到

14、湿地资源变化数据，然后进行统计分析制图。10.4 遥感在大气监测中应用臭氧(。3)、C02、甲烷(CHD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 Nimbus-卫星上的臭氧总量制图光谱仪(TOMS)自1978年开始对大气中臭氧进行卫星观测，积 累了长期的。3卫星观测数据。Varotsos等利用19791992年13年的Nimbus-7T0MS遥感数 据分析到希腊上空的臭氧衰减，衰减率为每年0.8%； Crackell等也利用TOMS数据研究了苏 格兰上空的臭氧衰减情况。利用ERS-2上搭载的全球臭氧监测实验装置(G0MZ和大气制图学 /化学扫描成像吸收光谱仪SCIAMACHY)可对

15、C0和体积浓度进行全球制图日本于1996年发 射的ADEDS-卫星上搭载有温室气体干涉监测仪，可提供全球大气中的C02、N20、CH,和CFCs, 等温室气体的遥感监测数据。应用原理当电磁波在大气中传输与目标物相遇时，会发生散射、吸收、频散等物理效应，同时目 标物本身也是某个波段电磁波发射源。当大气成分的浓度、温度、压力等大气状况发生变化 时，电磁波信号的强度、相位、频谱和偏振状态就会发生变化，从而贮存了丰富的大气信息， 分析接受到的电磁波中的各种物理特征，由此可以反推大气的状况。因此，可以利用气象雷 达，探测目标物的空间位置、形状、尺度、运动趋势、降水强度、云中含水量、降水粒子谱、 水平风场

16、、大气垂直速度、大气湍流场、大气温度层等。在美国气象学会第78届年会上， 一些学者报告了利用卫星观测资料研究对流层上层水汽传输的变化和对温室气体增暖的影 响，对比了卫星观测大气水汽变化，还研究了云过程对热带太平洋海温年变化的作用等。在 季节与年际气候预测方面，他们对控制EL Nin。形成的过程进行观测方面取得了图片。1042研究方法地球观测卫星是利用遥感技术进行大气环境观测的。应用于大气环境监测的电磁波谱主 要是近紫外线到红外线范围(0.425 um),以及微波范围(10200GHZ)。用于大气监测的 遥感技术种类较多，一般有相关光谱技术、激光雷达技术及热红外扫描技术等。相关光谱技术相关光谱技

17、术基于光的吸收原理，受监测气体选择吸收特定波长的光后，按光强衰减程 度来推算对象气体物的浓度。在测定过程中配合相关技术可以排除非对象组分的干扰。相关光谱系统采用的吸收光限于紫外光和可见光。在遥测中，需在自然光充分的条件下, 利用地表之上漫射光所汇聚的光源。在相关技术中使用二二成对的吸收光，每对吸收光是邻 近波长的，且所选定的波长要使它们通过监测对象时分别发生强吸收和弱吸收，这样有利于 提高监测的灵敏度。相关光谱系统装备在汽车或直升机上，即可大范围遥测大气污染物及其 分布的情况。相关光谱技术的实用对象目前还只限于NO、NO?和SO2。对它们进行同时连续测定 时，在系统中需3套相关器。监测这3种污

18、染物组分的实际工作波长范围分别是：NO为 195-230 nm, N O2为 420450 n m, S O2为 250310 n m。激光雷达技术激光雷达是一种主动遥感技术。因激光具有单色性好、高度方向性和能量集中等优点, 使得根据激光原理制作的传感器具有很高的灵敏度和良好的分辨率。故近期运用激光对大气 污染进行遥感的技术发展很快。激光脉冲射入环境监测对象介质后，首先因发生散射作用而衰减。射向大气的激光束遭 遇气态分子时，可能发生雷利散射和拉曼散射。散射作用在大气遥感中占有相当重要地位, 主动探测系统多是基于这种作用机制而建造的。红外激光-荧光遥感器可用于监测大气中CO、CO2、SO2、O3

19、等污染物及其浓度，其监测 频率在可见光至紫外光区域，根据荧光波长和强度可分别作定性和定量监测。应用紫外激光 -荧光遥感仪可监测大气中H0自由基浓度。由于激光单色性好，所以也可用简单的光吸收法监测大气中污染物浓度。根据激光雷达 在环境监测领域应用的技术特点，由于其技术难度大，工艺不成熟，对使用维护人员的要求 较高等问题，因而在技术推广和投入日常业务使用方面存在着困难。应用成果遥感技术在大气监测方面，主要用于CO、C()2、SO2、等化学污染物的浓度测定以及确 定烟羽的扩散所及范围和它的不透明度等。大气领域的遥感可分为利用卫星的大范围的遥感 (RS)和通过激光雷达进行的地基的遥感。20世纪70年代的雨云卫星系列第一次获得了温度、H2o. CH4、在全球大气中的分布信息。搭载于雨云7号上的TOMS在发现臭氧洞方面做出 了很大贡献，取得了与平流层中臭氧层破坏的有关主要信息。