信息技术在全球变化研究中的应用

信息技术在全球变化研究中的应用纪丽平10748318（计算机应用[e-mail]）摘要：摘要内容。概括地陈述论文研究的目的、方法、结果、结论，要求200～300字。应排除本学科领域已成为常识的内容；不要把应在引言中出现的内容写入摘要，不引用参考文献；不要对论文内容作诠释和评论。不得简单重复题名中已有的信息。用第三人称，不使用“本文”、“作者”等作为主语。使用规范化的名词术语，新术语或尚无合适的汉文术语的，可用原文或译出后加括号注明。除了无法变通之外，一般不用数学公式和化学结构式，不出现插图、表格。缩略语、略称、代号，除了相邻专业的读者也能清楚理解的以外，在首次出现时必须加括号说明。结构严谨，表达简明，语义确切。关键词：全球变化研究；遥感技术；数字地球；0引言引全球变化研究全球变化研究是当人类为迎接日益严重的全球环境挑战而提出的一项战略性研究计划。其主要的研究内容如下图所示：由于全球变化研究本身具有如下几个基本特点：1.是钩沉科交叉的综合性的研究；2.全球变化研究是多时间尺度的；3.在空间域上必须同时考虑区域尺度和全球尺度；4.全球变化研究是一个庞大的系统工程，因此，对该领域的研究还有很多的问题，如：多尺度转换，多要素集成，全球变化的不确定性等。要解决这些问题，必须引入新方法，新技术从不同角度加以研究。而地理信息技术和方法的引入全球变化研究必然有极大的帮助和促进。在本文中分别讨论了遥感技术和数字地球技术对其研究的作用及实例。1遥感技术在全球变化研究的热点问题研究的应用全球环境变化数据的获取是全球变化研究中的第一要素，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NASA发起，多个国家参与的地球观测系统计划（EOS）既是最宏伟的遥感卫星计划，也是全球环境变化研究的一个重要组成部分。遥感技术在全球环境的现状及其变化趋势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。如温室气体照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景正文5宋，首行缩进2字符。和臭氧的遥感监测和评价研究。随着遥感技术的日臻完善，遥感技术己经涌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要的作用。全球变化研究涉及的学科和领域众多，所需的数据量巨大，各类也繁多。下面是遥感技术所能提供的数据种类：大气的垂直温度剖面；降水量以及频度；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；太阳能入射能量；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；同温层及中间层化学构成；大地热容量；地面温度；同温层与上层对流的化学构成；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；地壤类型及变化；火山爆发与火山灰颁布；土壤温度及变化；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己涌入到全球变化的很多领域。随着遥感技术的发展，遥感数据的种类会更多，而且提供数据的质量将会有很大的改观，从而可满足全球变化研究众多领域的数据需要。正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作用及进展情况。1.1在土地覆盖及其变化研究中的应用土地覆盖及其变化研究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，是其他方法替代的，也是土地覆盖及其变化研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NOAAAVHRR的1km分辨率遥感数据建立全球陆地应用数据集。这经的最主要应用就是产生标准化差植被指数（NDVI），通过NDVI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。利用NDVI分类图，还可以研究冰川进退和沙漠的变化等。另外Landsat导航计划获得了70年代末80年代中和90年代三个时期的毁林程度。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己开展。Chondhury等的形容表明，37GHz的极化亮温差可以作业植被变化的指示因子，并尝利用温差对全球的植被覆盖进行制图研究。1.2在大气痕量氨酸监测中的应用臭氧，二氧化碳，甲烷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-7卫星上的臭氧总量制图光谱仪（TOMS）自1978年开始对大气中的臭氧朝廷卫星观测，积累了长期的臭氧卫星观测数据。Varotsos等利用1979~1992年13年的遥感数据分析到希腊上空的臭氧衰减，衰减率为0.8%。Choudhury建立了被动微波遥感数据（37GHZ极化差）与大气中二氧化碳浓度的关系，可以推算出大气中的二氧化碳的浓度。1.3在湿地研究中的应用湿地对碳的贮存以及产生甲烷，二氧化碳，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。由于建立全球性的的湿地观测网非常困难，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，与会代表初步地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，温度，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，地形与地豸，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调光谱遥感联合起来可对这些参数涉及的大部分朝廷观测和反演。评价认为，少变量的观测属高可靠，大部分属中等可靠。另有一属可能可靠。如：利用NOAAAVHRR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尝试的监测等都是发展成熟的技术。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者水面浮游植物及叶绿素浓度的状况，但这些及需要进一步的研究和开发。1.4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游模式，水文模型，生物地球化学循环模型提供面上的地表参数，这是定量遥感研究的重要方向。始于1983年的国际卫星气候学计划（ISLSCP），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。根据研究，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（PAR），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需要的陆地覆盖类型，地表温度，土壤温度，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己基本满足模式的要求。有些参数的遥感反演尚在研发阶段，如蒸发量，地表粗糙度，土壤温度等。高峰等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，土壤温度等地表参数的研究进展情况。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己经积雪遥感监测业务中应用。在稍顷气相互作用研究中，海冰面积和以及海面温度（SST）的遥感反演研究也取得了巨大，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。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作用由浅入深，逐步从辅助手段发展到主要手段，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朝廷了概要介绍。实际上，遥感技术在全球变化研究的应用非常之广，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。2数字地球在全球变化研究中的应用数字地球的基本概念：数字地球是一个开放的的巨系统，它是以信息高速公路为基础，以空间数据基础设施为依托的全球性的信息综合体系。数字地球是集地球科学，信息科学，空间技术，计算机科学和数字等一系列科学与技术于一枪柄的产物，涵盖了从地球表层信息数字化，到模型的建立，虚拟现实的技术体系。数字地球在全球变化研究中的应用可如下图：数字地球在全球变化研究中的应用展望全球变化研究中的应用己经使得现代地球科学问题的研究发生了巨大的变化，其研究对象包括不同时空尺度下的固体地球系统，流体地球系统和生物地球系统，以及这些系统之间的相互作用机制，还包括人类在内的由岩石圈，土壤圈，水圈，大气圈和生物圈等各相态物质相互作用组成的地球表层系统及区域系统的研究。因此它不公需要多学科多部门之间的攻关协作，而且需要现代化技术手段的支持和基础科学理论的指导。数字地球战略的提出使得全球变化研究中进入了一个崭新的阶段。3S技术，VR技术和4D技术等的发展，极大的促进了全球变化研究工作的开展。它提供了一个从区域到国家乃至全球范围内的信息资料。在数字地球的框架下，人类可以实现全球性的资料共享。2.1数字地球在全球变化观测数学中的应用努力发展一项以全球尺度的多源多类无缝数据系统为基础的研究计划，是了解和预测全球变化的关键。空间技术是全球变化动态监测的主要手段，通过空间技术（RS和航天技术），可以获得不同时相的高分辨率的地球系统变化数据，同时运用地面测量技术（GPS，全站仪测量技术）可弥补空间测量的不足以及为空间观测提供地面校准。如：从全球的角度观测地壳活动构造和地表物质运动系统。应用高精度全球定位系统（GPS）技术，使我们能够对全球地壳活动构造系统朝廷高精度的测量。进而建立全球构造运动系统的动力学，为预测地壳运动，特别是地震朝代了一条崭新的途径，我国己启动的有关科学工程正是主要基于GPS技术进行的。红外航空和航天遥感技术的广泛使用，使人们己经能够对地表及地面一定尝试的异常热源及其活动进行动态检测，进而使对天然火灾，以及地震活动前兆，滑坡，泥石流等地质灾害朝廷监测，为减轻这些灾害千万的损失提供科学依据。2.2数字地球应用于全球变化数据的贮存和管理全球变化研究所涉及的数据量大，数据源广，在针对某一项研究时，必须将不同学科不同类型的数据结合起来，将数据和信息结合起来。因此，对观测数据进行有效的管理和分类就成为全球变化研究者的一个关键问题。利用数字地球的分布式数据库可方便地对数据进行动态，统一管理，保证数据的安全性，实时快速地为用户提供各种数据。如：从全球的角度观测地球表面自然地带和土地利用—覆盖的。通过全面地开发利用各种对地观测技术所取得的数据使我们己能够获得地球表面植被带摆的地哉差异及其动态变化规律；通过应用NOAAAVHRR，TM和MSS技术，对土地利用—覆盖变化的全球观测，己使人类有望提示人类活动是如何驱动全球气候变化的过程，进而使人们能够探求以土地利用—覆盖格局变化为诱因的沙漠化成因的机制。结合对第四纪全球冷暖和干湿变化规律的认识使我们有可能揭开人类在荒漠化加剧过程中所占分额之迹。通过对全球气候系统的遥感观测，应用时空分辨率较高的数学地球表面覆盖数据和数字大气系统的测量数据，有可能构造全球气候系统模型，从而使对气候变化的长期，超长期预报成为可能，为人类迎战各种气象和气候灾害提供科学依据。2.3应用虚拟技术解决全球变化研究中的难题利用模型模拟全球变化是全球变化研究的一个重要方法。广泛利用数字地球技术系统，建立地球表面二维或者三维模型，模拟地球表面的地表变化，如土壤侵蚀，风蚀沙化，冰川冰雪区灾害灾情过程等的地球表层动力学模型，进而实现人类对地球系统过程的仿真模拟，为进一步认识全球变化研究中的难题寻找有效的科学途径。建立各种地球系统模型，对大气，洋流，生态，水资源，人类活动等各种过程及其相互作用进行严格的定量分析。根据变化规律及区哉实地情况进行参数的调整，构建新的全球变化模型，区域模式，局