资源遥感——从区域调查到全球变化研究，本文主要内容关键词为：遥感论文,区域论文,全球论文,资源论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N8文献标识码：A文章编号：1007-7588(2000)03-0034-05
自然资源的一个重要特征是地域性（空间性），自然资源的数量、质量特征和时空分布规律是资源科学的重要研究内容之一[1,2]。遥感技术是20世纪60年代以来迅速崛起的新兴技术，人类借助卫星传感器，可以从宇宙空间全方位观测、研究人类生存的环境。遥感所具有的宏观、综合、动态、快速的特点，为地球资源调查与开发、国土整治、环境监测以及全球性研究提供了一种新的高技术手段，成为现代自然资源研究中最有效的手段之一。在自然资源研究中大量运用遥感技术是从70年代开始的，几十年来，随着遥感对地观测技术系统和计算机技术的发展和资源科学研究的深化，资源遥感应用的广度和深度在不断地变化，呈现出不同的特点。
1 遥感调查已成为资源科学研究的现代化手段
资源遥感是以地球资源作为调查研究对象的遥感方法和实践，概查自然资源和监测再生资源的动态变化[3]。1972年，美国发射了第一颗以勘测地球资源为主要目标的地球资源技术卫星，后来改称陆地卫星，携带多光谱扫描仪(MSS)，在其后的4、5号星上增加了改进的地面分辨率为30m的专题制图仪(TM)，具有从可见光到热红外的7个波段。陆地卫星影像被普遍用于资源调查与制图，开创了资源遥感调查的新时代。利用遥感信息勘测地球资源，成本低、速度快，有利于克服自然界恶劣环境的限制，减少勘测投资。例如，青藏高原的湖泊星罗棋布，一直说法不一，通过陆地卫星图像分析，其湖泊统计总数由原500个增加到800多个。其中250个的形状、大小和湖水的咸淡类型也得到了纠正[4]，使得青藏高原的水资源现状和环境变迁研究得到新的认识。遥感技术的发展和应用使野外考察的速度和精度大大提高，改进了资源调查的方法，已成为现代资源科学研究不可或缺的高技术手段。
中国资源遥感真正起步在70年代末期，以几次大型综合遥感试验为代表，如新疆哈密(1977)、云南腾冲(1978～1979)、长春净月潭(1979)等，使得遥感技术渗透到资源调查和勘测的各个领域[5]。1970年以来，先后发射了15颗返回式遥感卫星、极轨和地球同步轨道气象卫星，引进建立了遥感卫星地面接收站，在土地资源、森林资源、地质矿产、海洋资源调查，工程环境、城市环境及水灾、火灾等自然灾害监测与评价，农作物估产与资源遥感动态监测和测绘方面均取得显著成效和明显的经济效益。
2 区域资源遥感调查为资源科学的发展提供了有力的技术支撑
资源分布的地域性决定了资源科学研究的区域性。各种资源的地带性分布规律有很大差异，而且同一种资源因受不同属性的地带性规律影响，也表现出很大的空间差别。因此，作为综合资源学与部门资源学在具体空间地域的结合，区域资源学研究一直是资源科学研究的一个重要领域。资源遥感技术在区域资源系统的结构、功能和过程研究中的应用成为主流，在方法和实践上丰富、完善了资源研究的方法体系。
2.1 资源空间信息的定位研究
遥感技术作为地表信息的获取手段，通过特定的遥感仪器记录的地表信息的不同特征，解译分析出区域资源的空间分布和数量，进行专题制图。例如，应用红外扫描仪寻找地下水源和浅海淡水；利用多光谱扫描仪可以进行森林调查、土地利用现状调查、地质找矿、工程选线；应用测视雷达和合成孔径雷达(SAR)可以发现海面油污染、找矿、海洋资源调查等等。墨西哥利用200幅陆地卫星像片，完成了1.93×10[8]hm[2]的土壤调查，划分了11个类型，制成土壤图，每公顷的成本只是1美分。英国利用侧视雷达图像编制1:200 000地形图、1:100 000地质图；在秘鲁找到石油，在委内瑞拉发现铁矿和铀矿；在南级洲用侧视雷达在几个月的时间内便完成了1:1000 000地形图[4]。我国利用遥感技术先后进行并完成了全国土地资源概查、宜农土地资源调查、相继完成了全国1:1 000 000的土地利用、土地资源、草场资源、土壤类型和植被等系列图件。
2.2 资源动态的连续、快速监测
利用遥感卫星周期性重复对地观测的特点和长期的数据积累，通过时间序列的对比、分析，可以长期监测区域资源的变化状况。静止气象卫星每半小时可获取一次地表图像，极轨气象卫星1d两次；陆地卫星每16d一次。根据资源变化的特点和卫星探测器的性能，可以选择适合的遥感信息进行动态监测。利用短周期信息——气象卫星云图可以进行鱼情监测与预报，火山爆发和森林火灾的监测。1987年5月6日～6月2日，中国东北大兴安岭北部发生的特大森林火灾，在气象卫星红外波段图像上先后发现了多处火点，并监测了林火的全过程，对林火、救灾以及生态变化监测作出了贡献。利用卫星影像和历史数据的对比研究，可以低成本、快速地获得资源变化的情况。以土地资源监测为例，1991年～1995年，中科院组织完成了“国家资源环境遥感宏观调查与动态研究”，采用90年代陆地卫星TM最新图像作为信息源，利用地理信息系统技术、组合分类方法，构建多级分层地理单元，建成中国资源环境数据库，同80年代(1985)的全国概查数据相比，评价分析中国耕地10a的变化情况[6]，比常规土地调查节省了大量的人力、财力和时间，且全部以数字化方式存储于计算机中，为将来继续长期监测打下了基础。随着计算机运算速度和遥感信息自提取技术的发展，运用遥感数据进行资源动态监测的效率会更高，周期更短。
2.3 区域资源系统的定量综合分析
不同平台、不同类型探测系统获得的遥感图像和数据，包含了丰富的地表信息，比较全面地反映了一个区域自然条件和自然资源的内在联系，进行综合整理、多层次遥感数据提取、以及与地面资料的复合分析，可以获得区域资源的定量信息和系列地图，同时促使建立管理这些数据的空间数据库及信息系统，为地学分析模型、资源评价模型等定量化研究提供了充分的数据。遥感系列制图是区域资源综合研究的有效方法，它充分利用丰富的遥感信息，综合研究自然综合体发生、发展和变化规律，进行遥感信息提取和成图处理，以一套统一协调的专题地图来反映区域自然资源的多样性和特征。“七五”期间，中科院综考会在黄土高原62.4×10[4]km[2]地区开展了资源与环境遥感调查和系列制图研究，应用航空遥感及陆地卫星图像，制成了黄土高原地区1:500 000比例尺的7种系列专题图，包括土地利用图、土地资源图、草地资源图、土壤侵蚀、植被图等，并提交了相应的数据集，为黄土高原资源与环境的规划、治理提供了坚实的基础[7]。
3 90年代以后资源遥感进入全球变化研究的新阶段
3.1 全球变化研究成为国际热点
20世纪70年代以来，借助卫星遥感宏观影像，人们发现了许多严峻的全球性问题：南极臭氧洞的扩大，海冰在继续减少，热带森林在减少，沙漠化趋势明显；海水温度在升高，海平面上涨……以人口、资源、环境与发展为核心的“全球性问题”日益突出。因此，预测人类影响下未来全球环境的变化是一个关系到人类社会可持续发展的科学难题。从80年代中期开始，全球变化研究逐渐发展起来，形成和发展了地球系统和地球系统科学的概念，提出了地球系统科学这一新兴的前沿科学领域。即将地球作为一个完整的动力系统，利用全球观测技术，结合概念数字模型去探测地球各圈层的相互作用、反馈和变化趋势，减少地球系统未来行为的不确定性，最终发展成对自然和人类引起的全球环境变化的预测能力。国际社会开展了一系列大规模、跨学科、综合性的全球变化研究项目，相继组织了以全球环境变化为核心的四大国际研究计划。1979年国际科学联合会理事会(ICSU)和世界气象组织(WMO)联合开始建立的世界气候研究计划(WCRP)，以地球环境变化中最活跃的物理气候系统为对象，目的是确定气候在多大程度上能够预测，以及人类活动对气候的影响程度；ICSU于1986年发起执行的国际地圈—生物圈计划(IGBP)，以研究地球环境变化中最重要的生物地球化学循环过程及其与物理过程的相互作用为主要对象，以认识人类活动和自然因素在全球环境变化中的作用，并以预测未来几十年到百年尺度环境变化为目标。1990年开始建立的国际全球变化的人文学研究计划(IHDP)，由国际社会科学委员会(ISSC)组织，其目的是研究人类在全球环境变化中的作用及环境对人类社会的影响，目标是提出人类社会和全球环境协调发展的战略。由国际生物科学联合会(IUBS)、环境问题科学委员会(SCOPE)和联合国教科文组织(UNESCO)于1991年发起成立的生物多样性计划(DIVERSITAS)，是当前惟一在全球水平上协调生物多样性科学领域内各种研究活动的一项国际计划，目的是深入了解生物多样性的起源、组成、功能、维持和保护，从而提供有关生物多样性和地球生物资源可持续利用情况的准确信息和预测模型。这些国际合作计划的制定和实施，得到世界各国的普遍关注和支持，地球系统科学成为地学研究的前沿。全球性环境和生态问题归根结底是资源利用问题，因而资源科学研究必须在全球变化的大背景下紧紧围绕国际前沿开展工作。
3.2 遥感是全球变化研究的重要手段
建立和发展由空间遥感和地面（海面）观测站网组成的完整的全球监测系统是开展全球变化研究的基础。全球环境问题的国际性、跨学科、广域性的特殊性质，恰好是遥感发挥作用的领域；而全球研究所需全球范围的长时间连续、短周期同步实时观测，涉及物理、化学、牲学多种学科的，准确定位的海量数据则是对现有遥感观测系统的高要求和极大考验，同时也指出了遥感技术发展的方向——定量化遥感的综合技术体系。90年代，以美国为首，联合欧洲空间局、日本、加拿大等制定的对地观测系统计划(EOS,Earth Observing System)首先将推进地球科学的各个领域对地球更深刻的理解列为近期目的，揭示了作为系统的地球的概念，准备发射一系列第三代对地观测卫星，新一代的遥感卫星地面分辨率可达1m，光谱分辨率从可见光到微波达纳米级；卫星平台和传感器寿命延长以保证长时间连续观测；形成全天候、全方位的同步对地观测网络，源源不断地为人类提供着关于地球过程的定性和定量数据[8,9]。世界各国纷纷计划发射自己的资源或环境监测卫星，保证了全球变化研究的连续性（表1）。利用遥感数据进行全球尺度资源环境监测研究取得了一系列重要进展，如人类第一次利用卫星数据(NOAA/AVHRR)研制开发了全球具有统一分类方法，统一数据处理规范的全球1km空间分辨率土地覆盖数据库；全球1个经纬度间距地表生物物理量数据库；全球1个经纬度间距土地覆盖类型图等。这些土地覆盖及地表生物物理特征数据库的建立推动了全球气候与环境变化的研究，例如利用AVHRR 1km季节性土地覆盖数据库改进中尺度区域天气与气候模拟；作为全球环流模型的输入，检验和分析气候干湿变化及季节降水，温度和蒸发变化对于地表植被及其动态变化的依赖性和敏感性，以及各类生态系统模拟模型，极大地推动了全球变化研究的进程。
3.3 资源遥感的新特点和发展趋势
随着全球环境资源对人类生存及发展的进一步影响，可以预言，下一世纪人类将对地球系统进行更为全面和深入的观测和监测。资源遥感研究经过30a的摸索和发展，在全球变化研究中发挥着越来越大的作用，进入了蓬勃发展的新阶段，呈现出一些新的特点和趋势。
3.3.1 多层、立体、粗细精互补的遥感对地长期观测网正在形成 表1中所列卫星计划只是世界上新的对地观测计划中的一部分，到2000年前后，将有上百颗各类遥感卫星构成覆盖全球的同步观测体系，高、中、低轨道结合，传感器高空间分辨率，高光谱分辨率、超多波段组合。由于商业公司的积极参与，一些空间分辨率达1m～5m的极高分辨率卫星将为人类提供高质量的地面数据，如美国Earth Watch公司发射的3m分辨率的早鸟(Earlybird)卫星，Space Imaging公司发射的1m分辨率的IKONOS卫星，Orbital Imaging公司计划发射1m分辨率的Orbview卫星遥感系统（原名Eyeglass）等，这些商业卫星与各国政府发射的资源遥感卫星一起形成对地观测的天罗地网，分辨率从1m到4km，为全球变化研究提供多层次的对地观测数据。此外，新型传感器光谱分辨率不断提高，几十至数百个波段的高光谱、超光谱新一代卫星，有利于遥感定量分析能力的提高。雷达遥感所特有的全天候、穿透云层的特性，成为实用化的对地观测系统中不可或缺的一员。20世纪90年代被称为雷达遥感年代，反映了国际上通过成像雷达技术解决全天候获取信息的努力。高分辨率雷达卫星，如俄罗斯发射的5m分辨率的Almaz卫星，加拿大计划发射的Radarsat-2，将会极大地推动遥感技术实用化的进程。
3.3.2 遥感、地理信息系统、全球定位系统的一体化综合集成 1994年6月，美国24颗全球定位系统(Global Positioning System,GPS)卫星发射成功并提供各国使用，实现了米级以内精度在全球坐标系中的定位，为遥感定位定量化创造了充分的条件和技术基础。地理信息系统(GIS)由空间、图形检索功能向智能化专家系统发展，可以弥补遥感瞬时信息的不足，提高影像分类精度并在数学模型中得到应用。这3种对地观测技术系统的综合集成，将有力地推动空间技术应用的发展。如今，全球定位系统(GPS)、遥感(RS)和地理信息系统(GIS)一体化的"3S"信息技术成为定量化遥感的发展方向之一[10～12]，它实现了从信息获取，信息处理到信息应用的一体化技术系统，具有获取准确、快速定位的现势遥感信息的能力，实现数据库的快速更新和在分析决策模型的支持下，快速完成多元、多维复合分析，使遥感对地观测技术跃上一个新台阶。
3.3.3 面临基于高速计算机和网络化的数字地球新时代 1998年1月31日，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心的演讲中提出“数字地球”(Digital Earth)的概念，受到政府、科技界的广泛关注。他说：“我相信我们需要一个‘数字地球’，即一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的和三维的地球的表示”[13]。“数字地球”也就是信息化的地球，其最主要的组成部分是“对地观测系统”、“信息高速公路”和“国家空间数据基础设施”，是将各种高新技术和可持续发展决策、农业、灾害、资源、全球变化、教育、军事等方面的社会需要联系在一起的整体。数字地球构想为资源遥感在新世纪的发展指明了方向，其涉及到一系列新的相关理论和技术，如新型对地观测技术系统、海量数据存贮和压缩、宽带网络技术、高性能计算机、空间数据仓库、多维虚拟现实技术和各类应用模型等。
3.3.4 可持续发展成为资源遥感应用的新目标 1992年世界环境与发展大会使得可持续发展成为世界各国共同接收的发展战略。大会通过的“21世纪议程”的数百个项目中，有相当一部分是空间遥感与信息技术可以发挥重要作用的。持续发展中对信息需求的多样性、动态性、现势性和准确性，给资源遥感的发展带来新的契机。应用对地观测技术和数据，长期、连续地监测研究人类生存的地球环境，加强对自然灾害、生态脆弱带和气候变化敏感地区环境变化的预警、监测和评估能力，以有效地保障区域的可持续发展将成为新世纪资源遥感的重要研究方向。
收稿日期：1999-01-25；收到修改稿日期：1999-10-08