遥感地学应用02-土地遥感

遥感地学应用第二章土地遥感1.土地含义•土地是土壤、地貌、岩石、植被、气候、水文诸因素组成的自然综合体，它不但是自然资源，也是人类赖以生存的一种物质基础。（土地的重要性和复杂性）•土地作为人类赖以生存的资源和环境，一方面，人类根据土地特点而加以不同利用，如农、林、牧业等；另一方面，反映了人类对它的改造，如城镇、交通、水利等。•土地利用实际上是上述二方面的表现，重点在于与土地相结合的人类活动而产生的不同利用形式。•土地利用是人类在生产活动中为达到一定的经济效益、社会效益和生态效益，对土地资源的开发、经营、使用方式的总称。•土地覆盖，主要是表示地球表面存在的不同类型和覆盖，强调土地表面的现状。现有的覆盖不强调与人类的经济功能关系，大多可从影像特征直接解译出来。我国土地覆盖情况土地覆盖的定义有：1)“国际地圈与生物圈计划”(IGBP)和“全球环境变化人文计划”（HDP）：地球陆地表层和近地面层的自然状态，是自然过程和人类活动共同作用的结果。2)美国“全球环境变化委员会”（USSGCR）：覆盖着地球表面的植被及其它特质。•从两者的定义可以看出，土地利用和土地覆盖既有一定的联系又有差别。•土地利用重点是表示与土地相结合的人类活动而产生的不同利用方式。•土地覆盖主要是表示地球表面存在的不同类型的覆盖特征，强调的是土地的表面形状•我国土地利用分类的目的是查清各县各种土地分类的面积、分布和利用状况，为国家制定国民经济计划，农业区划和规划，指导农业生产和服务与土地统计登记制度等管理工作。因此土地利用分类的主要依据是土地用途、土地经营方式、土地利用方式和土地覆盖特征等。土地覆盖只是土地利用分类的一个依据，但遥感图像最能够直接反映的是土地覆盖。•大多数遥感土地应用使用土地覆盖/利用的概念•遥感技术应用于土地资源调查有以下特点：•(1)能较为准确地观察分布在地球表面的土地资源类型及其构成的信息，具有覆盖面大、宏观性强的特点，尤其是卫星遥感图像。•(2)从红外到紫外光波均能获取遥感图像，扩大了波谱视域，因而利用多波段的遥感图像获取土地资源类型、土地利用类型的信息，信息丰富多样。•(3)获取土地信息具有多时相性、速度快，有利于土地资源的动态监测。•(4)与常规调查技术相比，遥感技术在土地资源调查中节约工作量和降低工作成本，大大提高工作效率，其中卫星遥感与航空遥感相比具有成本低，能达到信息现势性，在土地资源调查中航空遥感由于图像分辨率较高，主要用于大中比例尺调查；卫星遥感由于分辨率较低，主要用于中小比例尺土地资源调查及土地利用动态监测。2.土地利用分类的原则1统一性原则每个地类都有明确的含义;一、二级地类及其含义不得随意增删、合并和更改，只允许各省根据实际需要，在不打乱全国一、二级分类的前提下，在二级地类下续分三级地类。2科学性原则根据归纳共同性、区别差异性的原理，从总体到局部，从大到小逐级细分，即采用等级续分制，分层次组合排列，形成一个上下联系、逻辑分明的科学分类体系。第一、从一级地类开始，按土地利用综合性差异；8大类；第二、按单一性差异和隶属关系，在一级地类下按利用方式、经营特点、覆盖特征等不同，划分47个二级地类；第三、同一种二级地类，只准在一个大类中出现，不允许在另一大类中并存。3系统性原则有序排列外，还要有一个科学的编码系统，实行统一的编排顺序，以利于计划管理、统计和汇总，并为整理资料、建立土地资源数据库和广泛应用计算机技术创造有利条件。4适用性原则层次简明，命名通俗易懂，含义（即地类划分标准）准确明了。各类型的名称和含义，要尽可能与计划、统计和生产部门正在使用的分类名称与含义相一致。5地域性原则我国幅员辽阔，东西南北差异很大。为了体现各地区土地利用特点，揭示土地利用分布规律，在保证全国分类统一性、不打乱全国一、二级分类和编码的前提下，在二级地类之下可由各省、市、自治区根据需要续分三级地类。3.土地利用分类体系•《土地利用现状调查技术规程》中规定，土地利用现状按两级进行分类，统一编码排列，其中：•一级类型按土地用途划分为：耕地、园地、林地、牧草地、居民点及工矿用地、交通用地、水域、未利用土地8类。•二级类型按利用方式、经营特点及覆盖特征划分为47类。•地类编码，一级类型以一位阿拉伯数字1～8表示；二级类型用两位阿拉伯数字表示，前一位表示隶属的一级类型，后一位表示二级类型在该一级类型内的编码，如14，为耕地中的旱地，71为水域中的河流水面。4地表热量平衡①热量平衡方程②感热通量③潜热通量④土壤热通量⑤冷热源⑥全球热量平衡4.1热量平衡方程•R=LE+H+Qs+St•R：地表净辐射通量•LE：蒸发潜热•H：地表与大气间的湍流热通量，即感热通量•Qs：地表向下的热通量•St：地表面与生物、物理、化学过程有关的能l量通量4.2感热通量•感热：地表与大气间的湍流热通量，由地面与大气之间的温差造成的。zTktpcH其中ρ为空气密度，cp为空气定压比热，kT为湍流热交换系数。如令下垫面高度为：z=0，积分后则为：TTDcHp0其中D为外扩散参数。热量平衡法，也可以求得，即：TcqL1QRHps整体空气动力学法：TTuccH0Dp地表与大气之间感热输送的特点•1）无论是陆面或洋面，感热交换结果是由地表面向大气输送能量，在大陆上感热输送平均由高纬向低纬增加，干旱和潮湿地区差异很大，最大值出现在热带的沙漠地区。•2）感热输送随气侯湿润程度的增加而减小。•3）洋面上最大的感热输送发生在北半球的大洋的西部和北部海区。在赤道附近较小。•4）我国年平均感热通量分布呈北高南低分布。塔里木盆地和内蒙古高原为高值区，这里干旱、少云、多日照。低值区出现在四川、贵州一带。4.3潜热通量•潜热：地表蒸发时液态水气化所吸收的热量，它通过在大气中凝结液态水而向大气释放热量。zqkLLEgL为蒸发潜热，kg为水汽交换系数，当空气未饱和时，LE可写牛顿形式：qquCLLE0D引入鲍文比β1QRLEs•地面与大气之间的潜热输送的特点•1）在海陆分界处，洋面和陆面的潜热输送相差很大。这是由于大陆和海洋上净辐射的不同引起的蒸发力不同；大陆上由于地表水分的限制，制约了潜热的输送。•2）大陆表面的潜热输送具有明显的非带状分布特征。在充分湿润地区，潜热输送随净辐射自高纬向赤道增大而增大；在干旱地区，潜热输送随干旱程度的增加而减少。•3）大洋上潜热输送年总量的分布与洋面净辐射的分布基本相似。随纬度上升而下降，暖流所经处使潜热明显加大，而冷洋流作用的地区，潜热输送偏低。使潜热输送的带状分布特征遭到破坏。•4）我国年平均潜热输送通量等值线基本呈纬向分布，由南向北递减。这是因为南方较北方潮湿，且温度较北方高；低值中心在塔里木盆地。4.4土壤热通量•土壤热通量：地表土壤与下层土壤间热传导的热量通量。zTckzTQsλ为土壤导热率，c为土壤比热，k为土壤导温率。我国热平衡占采用各时段年内不同深度土壤温度差的关系计算：21wsS10kStCQ•Cw土壤容积热容量，•t为时间间隔。•k为土壤导温系数。•S1为各深度温度分布特征函数，•S2为10~20cm处土壤温度变化的特征函数。4.5冷热源•如果地表有热量向大气输送，称这个地区为地面热源，反之地表从大气得到热量，称这个地区为冷源（热汇）。•我国冷热源分布与气候的关系•冬季：热源呈现南高北低的特点，零等值线在40~48ºN之间，北部由于地表积雪反射率增大为冷源；南部为热源，四川盆地的云雾和阴雨较多，出现大低值中心；青藏高原的东南部旱季辐射加热作用较强，为热源；高原的主体部分也为热源区。•夏季：两大高值区分别位于内蒙古高原和淮河以南的整个东南和华南沿海地区。•低值区位于滇西南及青藏高原主体部分；另一低值区位于山东半岛。•内蒙高原的强大的热源是该地区很强的太阳辐射作用所造成的，而东南沿海高值区则是副高影响的结果，滇西南低值区是由于西南季风影响下的雨带造成的；青藏高原南部的高值区是由于夜雨造成的。4.6全球热量平衡•1.地气系统热量径向输送的特点(1)两半球30º之间的辐射过剩，中高纬地区辐射不足，低纬地区的过剩与中高纬地区的不足相抵，整个地区保持辐射平衡状态。(2)低纬地区的过剩与中高纬地区的辐射不足将使赤道与极地间的梯度加大，产生具有某些能量调节机制，从低纬向高纬进行能量的水平输送。(3)在纬度30º~40º之间的能量输送最大，从低纬度向高纬度输送的所有能量都必须经过这里。因此在中纬度地区平均说来，风速最大，出现剧烈的天气系统。（4）地纬向高纬总能量输送包括三部分：潜热输送、海洋输送和大气输送（感热）。•2.南北半球热量径向输送的差异(1)通过中纬度和热带地区的潜热输送，南半球比北半球大。(2)通过热带和副热带的海洋输送，北半球比南半球大得多。(3)由于南半球Hadley环流比北半球更为强大，使得通过热带的大气输送在南半球远大于北半球。(4)主要由大型涡旋通过中纬度的大气输送，在南半球较弱，南半球能量输送更多的是以潜热输送的形式进行。(5)南半球的净辐射略有盈余，辐射盈余对赤道以北的影响主要表现在海洋上，跨越赤道向北输送的巨大的潜热量主要由反向流动的大气输送来实现。•假定到达大气上界的太阳辐射为100。•①经大气、云的吸收，反射和地面反射，被地球吸收的只有51（长波辐射为21，潜热输送为23，感热输送为7）。•②被云、大气反射回太空的为30•③被大气中水汽、尘埃、臭氧、云吸收的为19•④地面反射的能量为51（⑤大气吸收为45，⑥透过大气射向太空的为6）•所以共吸收的量是：③+④=70•共向太空放出的量是：③+⑤+⑥=70•全球能量平衡的模型5.土壤类型遥感分析•土壤类型的空间分布规律–地带性土壤–隐域性土壤•土壤类型决定性因素直接因素(土壤的光谱特征)•间接因素–地带性气候因素–地貌因素–地质条件–地形起状特征案例分析•新疆南部的土壤遥感解译中，根据影像划分出山地、山前洪积扇、冲积平原、荒漠平原、片状绿洲，线状绿洲等地理单元，并进一步划分了沿河、湖滨等地区，在此基础上进行土壤解译、制图。与常规方法制作的土壤图比较，内容详细得多。6.土壤水分遥感6.1遥感数据中的土壤含水量信息6.1.1可见光波段的土壤含水量信息•根据地物波谱的测定，在可见光部分干燥土壤的反射光谱比潮温土壤的反射光谱平行抬高一段反射率。随着含水量的多寡，抬高的距离大小不同。因此，早期遥感研究中有用可见光波段测定土壤含水量的尝试。6.1.2近红外波段的土壤含水量信息•近红外波段对水的反映灵敏，水对近红外光完全吸收。因此含水量高的土壤在近红外波段上呈暗色调，地物波谱曲线不是平行降低，而是陡坡降低。因此早期与可见光波段同时使用推测土壤含水量。6.1.3中红外波段的土壤含水量信息•中红外波段对高温反应灵敏，是林火的探测波段。反之，土壤十分干燥时温度较高，在中红外遥感影像上有反映。也就是说，如果求土壤的干燥度时，用中红外波段效果较好。6.1.4热红外波段的土壤含水量信息•热红外波段对常温反映灵敏，土壤温度与湿度关系密切，因此热红外遥感数据中也包含了土壤含水量的信息。6.1.5微波波段上的土壤含水量信息•微波波段对水的反映极其灵敏，很薄的水层就可以屏蔽微波辐射。因此许多国内外的学者都认为微波是探测土壤含水量最佳的波段。•马蔼乃等（2000）根据对各个波段的研究，首先发现微波对水的反映极其灵敏，但是对土壤含水量的反映却不十分灵敏。因为水面十分光滑的，而土面的粗糙度与微波波长十分接近，使得土壤含水量的信息强度被淹没在粗糙度的信息强度之中。6.2表观热惯量的遥感信息模型•物体的热惯量P是物体固有的属性，它的表达式为：•式中k为热传导系数，ρ为密度，γ为比热容。因为热传导系数、密度、比热容对一种物体来说是固定不变的，所以热惯量也是地物的固有属性。kP•土壤因为含水量的变化，使得热传导系数、密度、比热容都发生变化，从而使得热惯量变化，这是确定无疑的。但从遥感数据不可能直接提取出热惯量，也不可能直接提