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遥感技术与全球变化研究
王长耀 牛铮
中国科学院遥感应用研究所
1． 引言
全球变化是指由于自然和人为的因素而造成的全球性的环境变化，主要包括大气组成变化、气候变化以及由于人口、经济、技术和社会的压力而引起的土地利用的变化3个方面。目前，国际上公认的全球变化研究的四个国际科学计划，即WCRP、IGBP、IHDP、DIVERSITAS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。全球变化已成为人类面临的最大的挑战之一，各国政府都在积极寻找应对措施。然而，决策者做出合理决策的前提是更好的地理解全球变化的规律及其发展趋势，为此迫切需要一种全新的方法来认识全球变化。
在研究全球变化中，政府间气候变化专门委员会(IPCC)起着举足轻重的作用。政府间气候变化专门委员会(IPCC)是由世界气象组织(WMO)和联合国环境规划署(UNEP)于1988年联合建立的，其主要职责是评估有关气候变化问题的科学信息、评价气候变化的环境和社会经济后果并制定现实的应对策略。这些评估吸收了世界上所有地区的数百位专家的工作成果。IPCC设有三个工作组：第一工作组评估气候系统和气候变化的科学问题；第二工作组的工作针对气候变化导致社会经济和自然系统的脆弱性、气候变化的正负两方面后果及其适应方案；第三工作组评估限制温室气体排放和减缓气候变化的方案。另外还设立一个国家温室气体清单专题组。
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[1]，遥感技术在全球变化研究中发挥着越来越重要的作用。 2． 全球变化的研究进展
近年来，随着科学、社会和经济的发展以及政治的需要，从太空对地面进行观测变得越来越重要，通过对地球有规律的监测，可以使人们对地球和它的环境有更进一步的了解，还可为各种各样范围很广的应用提供服务，也可为地缘政治学提供基本数据。为此世界各主要大国都制定了相应的地球观测计划，借助于先进的遥感技术来长期的观测全球变化。美国航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)资金雄厚，技术先进，它们的计划引领世界潮流，这里主要介绍他们的地球观测计划。
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2.1 NASA[5]
NASA 致力于了解地球大气圈，岩石圈，水圈，冰冻圈和生物圈组成的这一复杂系统，观测和跟踪全球和区域尺度的变化，研究其内在的联系，并能够观测到人类活动作为驱动力引起的变化。NASA期望通过提供可靠的科学依据，研究这个动态的行星的人类活动影响、连续变异和驱动响应，提高国家关于气候、天气、自然灾害和空间环境的预测能力，帮助决策者做出明智的决定，改善生活质量，提高经济管理，并提高美国工业在全球市场的竞争力。
NASA地球科学部管理着7个计划：地球系统任务、地球科学探路者计划、地球科学研究、应用科学、日地系统的多任务运行、地球科学技术以及教育和宣传。有14个在轨运作任务(卫星)，5个实施任务和2个计划任务。NASA围绕地球科学主要开展6个重点领域的研究：(1)气候变异和变化；(2)大气成分；(3)碳循环，生态系统和生物地球化学；(4)水和能量的循环；(5)天气；(6)地球的表面和内部。
2.2 ESA
针对全球变化不断增加的市场需求和鉴于从太空对地球进行观测的战略重要性的增长，欧空局制定了2000年后的空间观测战略计划，即“双重战略任务”[3]。它包括两个任务类型—— “地球探测”和“地球观察”。
(1)地球探测任务：这些研究任务的着重点是提高我们对地球上不同的生态系统的认识，这项计划起始是为科研任务提供帮助，但是也为业务机构提供服务，每个任务都针对不同的科研领域，一些新的特殊观测技术和相关技术也归入这个范畴。这类任务将完全由欧空局全权负责，在完成任务期间要及时调整使之适应特定任务需要。
(2)地球观察任务：这项任务为与特殊的地球观测应用有关的用户和业务机构服务。除研制和开发阶段有欧空局和有关用户或业务机构提供资助外，这类任务将由业务机构全权负责。
这两种类型的任务相互交叉，地球探测任务侧重于接常规的业务应用今后可能要用到的新技术的验证试验；而地球观察任务则是提供一些支持科学研究的数据。 3． 土地利用/土地覆盖变化与全球变化
土地利用/土地覆盖变化研究是目前全球变化研究的核心主题之一，它是全球变化的主要原因。国际地圈生物圈计划(IGBP)和全球环境变化的人文因素计划(IHDP)于1995年共同拟定并发表了《土地利用/土地覆盖变化科学研究计划》(LUCC：Land Use/Land Cover Change)，将其列为核心项目之一[4]。LUCC研究的实质是为人类进一步理性化的土地利用服务，通过对人类土地利用及所带来的土地覆盖变化的研究，对人类现时的土地使用政策进行评估，预测由此所带来的种种后果，以求最终能提
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出土地利用的最优模式，实现可持续性的土地利用。
全球土地覆盖类型变化是全球环境变化的一个重要方面，并在很大程度上影响着地球系统其它组成的变化。人类通过对与土地有关的自然资源的利用活动，改变地球陆地表面的覆盖状况，其环境影响不只局限于当地，而远至于全球，而土地覆盖变化对区域水循环、环境质量、生物多样性及陆地生态系统的生产力和适应能力的影响则更为深刻[5，6]。
遥感技术因其大面积同步观测、获取数据的客观性、时效性、综合性与可比性，以及数据获取的经济性等特点，被广泛地应用于LUCC的制图及动态变化监测中[9]。今天，遥感信息的获取已经形成了从航空摄影到卫星遥感的立体对地观测系统，并实现了从局域观测跃进到全球准同步观测；从波谱上由可见光逐步延伸到红外、远红外乃至微波、超长波[7]。航空航天遥感技术总体上的发展趋势是：多平台、多时相、多光谱、多传感器、周期短地获取多源数据，高光谱技术是目前所关注的焦点，也是未来的遥感定量化发展的研究方向；成像光谱具有高光谱分辨率的同时，也具有相当高的空间分辨率，这为解决以往土地利用动态监测中的小图斑识别和几何精度差的问题提供了有利的条件[8]。
目前用于LUCC的遥感数据主要有NOAA/AVHRR、Landsat TM/ETM+、MODIS、SPOT、IKONOS和Quickbird。NOAA/AVHRR用于宏观LUCC评估和监测，优点是覆盖面积大，数据量少，重复周期短，不足之处是空间分辨率低；而MODIS传感器可获得具有250m、500m1000m的高空间分辨率以及36个分布在0.4~14um的光谱波段的数据，并在全球免费接收，这使其成为在全球和大区域尺度上土地覆盖研究中的最新数据源。TM和SPOT均属于区域尺度卫星影像，它们的土地覆盖分类解释效果较好，但对于一些较难解释的类型也需要其他数据的补充[9]。IKONOS、QuickBird等高分辨率遥感资料主要针对小尺度局部范围的城市街区、特定建筑物，目标的变化分析，适用于区域和局地尺度的土地利用和土地覆盖制图研究。 4． 碳循环与全球变化
全球变化研究的另一个重要内容是碳循环研究。在自然状态下，陆地生物圈与大气之间的碳循环保持平衡状态。工业革命以来，人类活动和化石燃料燃烧使得大气中CO2、CH4等温室气体浓度不断上升，并引发一系列严重的全球问题[10]。IGBP、世界气候研究计划(WCRP)和全球环境变化国际人文因素计划(IHDP)等联合提出了全球碳项目计划(The Globe Carbon Project)，美国、加拿大、日本和欧盟等国近年来也都启动了巨大规模的国家碳循环研究计划[11]。
在全球碳循环中，与人类活动关系最密切的是陆地生态系统碳循环。陆地生态系统中积累的有机物质是人类赖以生存的食物、木材、燃料等可更新资源生产的基
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