我国资源环境遥感监测技术及其进展

我国资源环境遥感监测技术及其进展

2015-02-05 作者: giser 浏览: 4286 次

摘要: 张增祥 摘 要 我国的资源环境遥感监测始于20世纪70年代。其遥感监测技术应用流程为,选择遥感数据类型及其时相,得到数据后进行纠正,进一步采用人机交互和计算机辅助分类与提取 的方法来获取专题信息。在资源研究中利用遥感技术对水、土地、地质矿产、生物等资源进行调查...

张增祥

摘 要 我国的资源环境遥感监测始于20世纪70年代。其遥感监测技术应用流程为,选择遥感数据类型及其时相,得到数据后进行纠正,进一步采用人机交互和计算机辅助分类与提取 的方法来获取专题信息。在资源研究中利用遥感技术对水、土地、地质矿产、生物等资源进行调查,由早期的1:100万比例尺向1:50万、1:25万、1:10万比例尺 变化,由早期的静态调查变为现在的动态监测,同时精度有了大幅度的提高。在环境监测中利用遥感技术对研究区域的生态环境状况、水土流失情况、土壤盐碱化、土地沙漠化等 方面进行研究,实现了由定性向定量转化,进而能够客观、快速、全面地评价区域的环境状况。随着遥感技术的空间分辨率、时间分辨率、波段分辨率的完善,遥感技术将在资源 与环境领域发挥重要的作用。

关键词

资源 环境 遥感监测

目前,遥感技术已形成多星种、多传感器、多分辨率共同发展的局面。遥感卫星包括资源卫星、环境卫星、海洋卫星、气象卫星等,所获取的遥感信息具有厘米到千米级的多种尺度,如63cm、lm、3m、4m、5m、lOm、20m、30m、60m、120m、150m、180m、250m、500m、1000m等多种分辨率。重访周期从1天到40-50天不等,在获取资源环境空间和时间信息方面构成很好的互补关系。遥感技术在资源与环境研究和测量任务中扮演着越来越重要的角色,它所具有的高度空间概括能力,有助于对区域的完整了解。不同卫星适宜的重访周期有利于对地表资源环境的动态监测和过程分析。以多光谱观测为主并辅以较高分辨率的全色数据,极大地提升了对地物的识别和分类。

一、遥感技术应用的一般技术流程

1.遥感数据类型选择

根据研究内容或希望达到的目的有针对性地选择合适的信息源,主要是对星种或传感器选择。多数情况下,选择还需要考虑经济因素。
在一般的资源环境研究中,目前采用光学传感器遥感信息较多,如Landsat的TM和ETM+,SPOT,NOAA的AVHRR,Terra的MODIS,CBERS的CCD等。
对于空间精度要求很高的研究工作,如数字城市建设、大比例尺资源环境调查、考古等专项遥感监测等,还需要在空间分辨率方面提出严格要求,通常选择米级或厘米级的遥感数据作为主要信息源,目前可以选择的米级数据包括SPOT5、IRS、IKONOS、QuickBird等。

2.遥感数据时相选择

不同研究对象要求不同时间获取遥感数据,具体包括两个方面:

在资源环境现状研究中,针对内容需要更清晰、更全面反映研究对象的遥感数据,土地利用和土地覆盖研究一般更多地要了解地表植被的信息,因而多选择植被生长旺期获取的遥感数据。为了了解植被的变化,以及在某些区域和植被类型间提高分类精度,还会要求相邻时相的遥感数据。大区域作业要求相邻景之间具有最接近的时相。
资源环境动态变化的遥感监测与研究,通常需要对不同年度相近似的季相遥感数据进行对比分析,年内变化则选择不同季节时间序列的同种遥感信息。

3.遥感数据纠正

在开展资源环境研究中,一般获取的遥感数据已经进行了初步的辐射纠正。几何校正通常要应用部门根据工作需要自行完成。几何纠正的主要目的是对遥感图像进行地理编码,使其具备希望的坐标系统和投影参数。

4.专题信息获取

从遥感数据到专题信息主要可以归纳为人机交互和计算机辅助分类与提取及其混合应用等三种方式。
遥感信息全数字人机交互分析方法的成熟与广泛应用,主要是在近10年左右的时间内,该方法需要投入大量的人力、物力和财力,而且需要投入相对更多的时间,但取得的成果质量相对更高,更便于应用,因而目前仍然被广泛采用。
计算机自动分类技术主要立足于遥感信息的定量分析和统计分析,但由于遥感信息传输中的各种干扰造成的偏差,以及不同时空条件下地物遥感信息的差异,会产生空间的不一致性和时间的不一致性,以及同物异谱和同谱异物的现象,自动分类精度还难以满足资源与环境监测的要求。所以在采用计算机自动分类技术产生结果的情况下,仍然需要依靠目视判读分析来进行改值干预,但最终结果仍会出现较多问题。
现有的自动分类方法基本上都是在限定区域内形成和实现的,在其他地区的应用往往需要模型的调整和参数的选择,很难在大区域而精度要求又较高的工作中实际应用。这种技术方法在特别大的区域内,而精度要求又相对较低的工作中可以应用,如全球性的植被研究、土地利用/土地覆盖分类、荒漠化监测等;在较小的区域,专门建立有针对性的模型,所确定的参数不需要根据区域复杂程度进行调整,遥感数据相对单一,不受或少受获取时相和外部环境参数的影响,应用效果也比较理想。

5.专题信息处理与集成

人机交互一般直接获取矢量信息和属性信息。以计算机自动分类为主要特点的分类,获取的专题信息包括矢量与栅格两种,同时获取相关的属性信息。这些信息由获取到应用需要进行必要的数据处理与集成才能实现,一般包括图形的输入输出、图形的编辑、图形处理、面积平差和分类汇总等过程。

6.专题信息的更新

遥感为大量的数据更新创造了有利条件,由于技术的发展和适宜的重访周期,能够在各种情况下实现对同一地点的周期性观测。只有完整、连续、规范化的时间序列数据,才能够提供研究对象的更多信息,也才能够更全面和更深入地了解研究对象。

二、资源研究中遥感技术的应用

1.水资源

我国“六五”和“七五”期间开展并完成的“黄淮海平原地区水域动态演变遥感分析”,利用遥感技术对黄淮海平原地区的河流、湖泊、洼淀等地表水体开展了演变过程、空间差异等方面的系统研究。

2.土地资源

从20世纪80年代初期开始,我国已经利用资源卫星数据进行了多次全国范围的土地资源调查、土地利用监测等工作。1980年6月至1983年12月,在全国农业区划委员会办公室的组织下,利用地球资源卫星MSS进行全国土地资源概查。这是第一次利用MSS数据进行的全国15个地类的土地利用现状调查,完成了1:50万比例尺制图。1997~1998年,中国科学院和国家统计局共同完成了“全国农业土地资源遥感调查”,遥感调查完成的土地资源成果首次在国家统计工作中发挥实质性作用。
从1999年开始,国土资源部在全国相继开展了人口50万以上城市的土地利用动态遥感监测,采用SPOT、Landsm等卫星数据,成功地监测了全国60多个大中城市在近两三年间土地利用的变化情况,监测面积达71.4万km2。

3.地质与矿产资源

我国利用资源卫星资料在寻找多金属富集地段、金矿、铀矿、储油构造、煤田等方面也取得多项成果。在西部地区开展的1:25万地质调查及矿产资源勘查中,卫星遥感数据是基础数据源之一。同时,在金属矿藏、煤炭和油气资源的勘探中也发挥了重要的作用,获得了显著的经济效益。
在新的国土资源大调查中,利用新一代遥感影像进行区域地质填图、示矿遥感异常信息识别与提取、地质灾害监测等,使遥感技术在地质研究领域得到了更广泛的应用。

4.生物资源

(1)草资源

我国利用遥感技术已经开展了多项草地资源的调查、监测和资源评价,区域性和全国性的草地资源遥感应用成果已经发挥了作用。
1989~1993年,利用遥感技术开展了中国北方草原草畜动态平衡监测研究,建立了我国北方草原草畜动态平衡监测业务化运行系统,主要利用NOAA气象卫星资料估测草地生物量。20世纪80年代完成了1:100万比例尺的全国草地资源图。2003年完成的全国草地资源动态监测工作,建设完成了1:50万比例尺的草地资源数据库,包括草地资源的18个类和亚类等。

(2)森林资源

我国现行资源监测体系中除森林资源监测外,荒漠化监测、湿地监测、野生动物植物监测、森林火灾监测、森林病虫害监测等都广泛地应用了遥感技术,在林业的经营管理活动中 也逐步推广普及了资源卫星资料的应用。

1977年利用MSS图像,首次对我国西藏地区的森林资源进行了清查,填补了森林资源数据的空白。1993~1997年,由联合国开发计划署(UNDP)援助的“中国森林资源调查技术现代化”项目得到顺利执行。
目前,正在以全国林业监测站点数据和遥感数据为主要信息源,进行全国林地生态类型数据库的建设,将在空间和时间序列上完整、系统地反映林地区域不同的生态系统特点、林种、群落特征及其林(树)龄等。

三、环境研究中遥感技术的应用

1.环境综合评价

1991~2000年间,中国科学院与西藏自治区气象局合作,完成了西藏“一江两河”中部流域地区环境动态遥感监测工作。在获得比较丰富、全面的料的基础上,从土地利用、植被、土壤、水文、气候等方面,研究区域的生态环境状况,作出了比较科学、客观的分析评价和描述。
“九五”期间,针对土地资源利用的变化与分析的需要,利用1:100万和1:25万DEM数据、AVHRR数据和温度、降水等地面观测数据,构建了生态环境背景数据库,为土地利用数据的应用和综合分析提供了支持。
2000年国家环保部门充分利用资源卫星数据,对西部12个省、自治区、直辖市的生态环境现状进行了全面调查和分析,为我国西部大开发的生态环境战略提供了最新的科学依据。

2.水土流失

水土流失是复杂的人文和地理过程,受到诸如降水、下垫面基底岩性、地形坡度、土地覆盖类型及管理方式等众多因素的影响。其调查方法主要有实地定位观测法、定性遥感法和基于地理信息系统(GIS)的遥感定量法。其中,基于GIS的遥感定量法是近年来随着遥感技术的迅速发展才得以出现的水土流失调查新方法。
从1999年开始,水利部和中科院合作,利用资源卫星数据完成了全国土壤侵蚀数据库建设,完成了全国水蚀一风蚀交错区遥感调查工作。本项研究在实现全国土壤侵蚀动态监测与数据库快速更新能力等方面均有突破与创新,成果内容丰富,科学性、系统性、时效性强,对于我国生态建设与环境保护具有重要科学意义和应用价值。该项成果在宏观尺度和多类型土壤侵蚀综合调查方面达到了国际先进水平。基于此成果,水利部于2002年1月21日发布了《全国水土流失公告》。

3.土地退化

(1)土壤盐碱化方面的应用

20世纪90年代,在华北平原地区开展了基于陆地卫星TM数据的盐碱土分类研究。在土壤水分、土壤腐殖质含量、土壤氧化铁含量等方面开展了试验研究,利用TM的7个波段的数据对于盐碱土反射率特性的研究,辅之以植被指数、居民点分布、人口密度等空间化辅助数据指标,实现了盐碱土壤的细分类。

(2)土地沙漠化方面应用

黄河上游地区的共和盆地处于半干旱干旱草原和干旱荒漠草原的过渡带,生态环境极其脆弱,不合理的人类经济活动导致沙漠的强烈发展。在GIS技术支持下,利用陆地卫星TM遥感数据开展了动态监测。研究表明,在GIS技术支持下利用遥感数据开展沙漠化动态监测是定量研究沙漠化灾害的有效途径,实现了沙漠化土地的沙漠化程度分级,包括潜在沙漠化土地、正在发展中的沙漠化土地、强烈发展中的沙漠化土地及严重沙漠化土地等。
2002年末启动并实施的生态安全相关要素遥感定量反演研究中,土地退化的遥感监测与相关要素遥感定量反演研究是重要组成部分。该项目选择我国西北等地区土地退化相对显著的区域,从植被覆盖度、植被类型、生物量、土壤表层含水量、土壤盐碱化、土壤类型等方面进行研究,以期形成适用于大区域、相对快速的土地退化遥感监测研究,特别侧重于高时间分辨率遥感技术的应用,从时空两个方面系统、全面地了解、研究区域土地退化。

四、资源环境遥感应用研究的主要特点

随着应用研究的深入,遥感已不仅仅是在为相关研究提供信息获取的技术方法,在促进研究深度方面也发挥着越来越大的作用。各种传感器的发展和性能的提高,为研究工作提供了一个从更多方面了解研究对象的途径,能够获取一系列的遥感反演参数。
人机交互解译和计算机自动分类仍然是目前研究中最常采用的方法。在计算机自动分类技术研究不断取得进展的同时,由专业人员目视解译发展而来的交互分析方法已经发展到全数字作业方式,在专题数据信息获取、更新、管理、应用等方面具有明显优势,而且为GIS技术支持下开展多源数据的综合分析提供了方便。
遥感技术诞生以来的30多年时间里,航天遥感技术日臻完善,应用越来越广,除了普遍采用的中等分辨率的遥感数据外,米级和分米级、厘米级的遥感数据得到了发展,不同的空间分辨率不存在相互替代问题,而高、中、低空间分辨率的遥感数据又对其构成了很好的补充,可以在不同空间尺度下开展多方面的应用研究,可以满足资源环境等研究工作中对于不同尺度,不同研究对象自身发生、发展规律的需要。
应用研究的深入开展,加深了人们对于资源环境认识的深度和广度,特别是专门化传感器的发展,在海洋、环境、雨林等领域促进了专业卫星的研制,波谱分辨率进一步细化,数十波段至100~200波段的传感器逐步在资源环境领域得到应用,以期获取地物某方面的更有针对性和更具体的信息,同时波段总数的增加,为研究同一对象提供了更多的波段选择。通过综合应用各种方式的波段组合,可以极大地提高遥感技术的应用能力。目前,在高光谱遥感数据波段选择和具体应用研究等方面,基本上尚处于起步阶段,大量的研究还有待进一步深入。
新型遥感技术将在社会经济可持续发展过程中的资源环境研究领域日益发挥重要的作用。我国的信息化和数字化建设进一步加快,国家资源环境综合信息预警能力正在进一步加紧建设,特别需要通过遥感技术获取的客观、快速、全面的资源环境信息,遥感技术在我国未来的建设事业中有着极大的应用潜力。

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