遥感技术在环境和灾害监测中

遥感技术在环境和灾害监测中的应用北京建筑工程学院地球环境是一个庞大而复杂并且在不断变化的系统;由于人类活动和自然本身演变的原因，使地球环境产生急剧地，甚至发生一些灾难性的变化。如地球温室效应、厄尔尼诺现象、海洋赤潮、洪涝和旱灾、臭氧空洞、沙尘暴、南北极和珠峰的冰雪线退化等。遥感是监测这些环境现象的方法之一遥感方法快速监测洪涝灾情遥感方法监测沙尘暴遥感在森林火灾监测中的应用卫星遥感监测南极冰川流速遥感方法观测海洋赤潮遥感方法快速监测洪涝灾情1998年受厄尔尼诺现象的影响，我国长江中游从宜昌至南京全线突破警戒水位，7月份中、下旬川、黔、湘、鄂、赣再次下大到暴雨，沿江各省告急，尤其是湖北省簰州湾发生决口，侵吞了簰州湾合镇岭，造成重大生命财产损失。遥感方法快速监测洪涝灾情由于水灾期间往往阴雨连绵，常规遥感方法已无法探测，而雷达图像能穿云过雾，因此是监测洪涝灾害的有效手段。为了监测水情，还须将现时的雷达影像与原先的TM图像进行精确准后作融合处理，在融合影像上先清楚地显示出清水、浊水、新淹没积水区，地表无明水但土壤为水份饱和的内涝滞水区、植物正常生长的无灾区及城镇居民点等。见下图为1998年8月1日6时前武汉地区融合影像，品红色区为淹没区，绿色区为未淹没的植物复盖区，这时簰州湾尚未被淹。8月1日晚8时簰洲湾溃口，从8月1日以后的SAR与TM融合的影像上看，簰洲湾已被品红色（新淹没区）和蓝色（水区）所覆盖。1998年8月1日早晨6时前的SAR与TM融合影像1998年8月1日晚8时后SAR与TM的融合影像遥感方法快速监测洪涝灾情遥感方法监测沙尘暴遥感在森林火灾监测中的应用卫星遥感监测南极冰川流速遥感方法观测海洋赤潮遥感方法监测沙尘暴沙尘现象（扬沙、沙暴、浮尘）是灾害性天气。对农业、牧业、工业及交通运输均可造成不良影响。下表列出了1985—1990年北京地区沙尘日数。月份123456789101112总计次数4382916110015169遥感方法监测沙尘暴从表可以看出，北京地区沙尘主要发生在春季3－5月份，尤以4月为多，6年间出现29次，平均每年4.8次。例如，1990年4月25日的沙尘暴天气为多年来罕见，致使北京地区白天的水平能见度仅达数百米。这里以气象卫星资料为主，半定量的分析了上述过程的某些特征。遥感方法监测沙尘暴1990年4月24－25日，我国北方地区有一次较强的冷空气活动。地面气旋的中心位于黑龙江省北部，与其相连的地面冷锋在25日14时（北京时）移过北京，由于水汽条件差，锋面过境时未产生降水，锋后有7－8级西北大风，相伴有沙暴天气。下图为北京地区的一次沙尘暴实况卫星图像。2000年4月6日卫星影像显示发生在北京的沙尘暴遥感方法监测沙尘暴NOAA卫星AVHRR有五个光谱通道，分别位于可见光，近红外和热红外波段。可见光通道接收下垫面反射的太阳辐射，用来推算反照率；热红外通道接收来自下垫面的热辐射，由此得到下垫面温度。遥感方法监测沙尘暴由于沙尘暴云系与其它云系和地表在反照率和温度场上均有所差异，所以NOAA卫星可以监测沙尘暴的发生源地，影响区域和影响高度，并可计算面积。现对沙暴天气卫星图片特征分析如下：遥感方法监测沙尘暴沙暴云系特征在NOAA卫星图片上，由沙尘形成的云系为盾状，呈西北至东南走向，基本与中低空急流走向一致。上游较窄，下游较宽，分析卫星图片得知，本次过程发源于二连至锡林之间的沙漠地带，在移动过程中沙暴区前沿迅速向周围扩展和加强。遥感方法监测沙尘暴云顶反照率分析在CH1（0.56－0.68μm）密度分割后卫星图片上沙暴云系边缘部分反照率为10％－15％。绿－黄色调；中间部分的反照率大于20％，黑至红色调，可以推测，其密度分布不是均匀的，在云系中间存在着一条呈带状分布的高浓度区。遥感方法监测沙尘暴沙暴影响高度分析CH4（10.5－11.3μm）沙暴云顶相当黑体温度（TBB）分布发现云顶温度分布也是不均匀的，边缘部分为－12℃，往里，温度下降，在中间有一带状的低于－15℃等温线形成的低温区。这一特点证明，云系的中间高度要比周围高。利用湿度对数压力图法计算表明，－15℃相当于600百帕高度上的大气环境温度，故可算出，此次沙暴影响高度在4000米左右。遥感方法监测沙尘暴沙暴面积计算地球本身是一个椭球体。这里计算的面积实际上是求算各个经纬度范围内代表沙尘暴的像元面积之和。即：S＝ΣΔSi(α)≈63.773(km)2(9-24)ΔSi(α)是沙暴区每个像元面积，它是纬度(α)的函数。具体算法如下：遥感方法监测沙尘暴（1）每个像元长度＝每个纬度间隔长度／显示屏上一列像素／（显示屏上最大纬度值－最小纬度值）而每个纬度间隔长度其中遥感方法监测沙尘暴（2）每个像元宽度＝每个经度间隔长度／显示屏上一行像素个数／（显示屏上最大经度值－最小经度值）而每个经度间隔长度其中a为地球赤道半径c为地球极地半轴经，α为纬度。由于每条纬度线的周长都不相等，所以每个像元面积是纬度的函数。遥感方法快速监测洪涝灾情遥感方法监测沙尘暴遥感在森林火灾监测中的应用卫星遥感监测南极冰川流速遥感方法观测海洋赤潮遥感在森林火灾监测中的应用1987年5月黑龙江省大兴安岭发生特大火灾。火灾发生首先由气象卫星热红外图像发现高温火点区，但火势很快扩展，在抗灾的同时，利用Landsat卫星上的TM专题制图仪，接收87年5月23日、5月30日、6月50日的图像。镶嵌成过火区的彩色卫星影像。黑龙江大兴安岭森林火灾过火范围遥感在森林火灾监测中的应用从影像上可清楚地看到过火区南北100多公里，东西达200多公里，到接收日还有明火在燃烧，但周围已挖好隔离带，火势已被控制。经对影像分析建立重度、中度和轻度灾区的判读标志，并据此解译出此次火灾的灾情分布。灾情等级的划分原则为：遥感在森林火灾监测中的应用重度灾区，为树冠火，地面火，地下火（地面植被及可燃堆积物内）通过地区。火焰温度高，全部立木及幼树、草、灌均烧死，图像上的特征显示为褐色连片区域。TM图像上清晰的形迹表明，重度灾区基本是火灾初期，由三个起火点因七、八级大风所造成的火旋风及狂燃阶段所通过的区域。中度灾区，主要是地面火及树冠火通过的区域。图像显示为在褐色背景上分布细碎绿色区。表明林中下木、地被植物及部份树冠被烧，幼树及部份立木被烧死。轻度灾区，主要是地面火通过区域，立木基本未受损害。图像中显示为与未过火区相似的色调，但稍暗，与中度灾区相比，这种绿色区连片较大。遥感在森林火灾监测中的应用在火灾期间，部份林木枝叶烧焦，但树木并未烧死，这一情况主要出现在中度灾区及重度灾区的边缘。经过一年，这些林木又萌生出新的枝叶，在88年的TM图像中（88年6月1日、10月7日）得到显示。因此，利用88年的TM图像，可对依据火灾期间的TM图像得到的灾情分布状况进行修正，表9－9显示这一修正结果。88年不同时相TM图像的应用在于消除过火区新萌生的草本植被的干扰。重度灾区的影像特征，显示了本次火灾的严重后果。绝大部份地区为淡棕色，这是裸露地面的特征。部份山地和坡地也显示了淡绿色的植被特征，但与灾前TM图像相比，这些地区的一部份是无林区或林木稀疏地区。地面主要生长的是草、灌，灾后，草、灌仍得到很好发育。另一部份是林木被完全烧死的地区，过火木被砍代后新萌生的草灌植被。因此，依据重度灾区的影像特征，应用寒温带地区森林群落的生态关系演替规律，可以得出，重度灾区大面积森林被烧死烧光，连土壤中的种子也被烧死，针叶树失去种源，无法天然更新。这些裸露的火烧迹地，将会被先锋树种白桦（山杨）所占据。在大兴安岭北部，因立地质量太差，绝大部份白桦不能形成大径材而失去经济价值。同时，大范围的裸露，森林环境丧失殆尽，将使干旱阳坡更为干旱，并促进了水土流失。水湿地则趋向沼泽化，恶化了该地区的生态环境，更增加了落叶松林恢复的困难。遥感方法快速监测洪涝灾情遥感方法监测沙尘暴遥感在森林火灾监测中的应用卫星遥感监测南极冰川流速遥感方法观测海洋赤潮卫星遥感监测南极冰川流速监测南极冰川流速和流量，对于南极冰盖冰雪物质平衡、预报冰崩及其对科学考察站区和航行的影响，产冰量及对全球气候和环境的影响等冰川学的研究具有重大意义。卫星遥感监测南极冰川流速目前测定冰川流速的方法有用传统测量方法或GPS的实地施测法，航空摄影测量法、航空激光测高仪、合成孔经天线相干雷达（INSAR）测量法，以及卫星多时相、多波段影像的测量法等。用卫星多时相影像测定冰川流速,快速、准确、直观、经济。例如在东南极伊丽沙白公主地、英格里特·克里斯泰森海岸采用三个不同时间不同遥感传感卫星影像测定冰川流速就取得很好的效果。卫星遥感监测南极冰川流速东南极伊丽沙白公主地、英格里特·克里斯泰森海岸有几十条规模不同的冰川从大陆流向海岸，其中与中山站靠得最近的是拉斯曼丘陵上的米洛半岛东边的达尔克冰川（DarkGL），这条冰川曾在1988年发生过冰崩，冰川前沿的冰川舌断裂入海，形成许多冰山。最大的一条冰川是拉斯曼丘陵西南50公里处的极纪录冰川（PolarRecordGL），它的宽度达25公里以上。虽然在米洛半岛上有中、俄、澳三国的科学考察站，但尚未有哪个国家公开公布过这两条冰川的流速。所用卫星影像获取日期、分辨率、波段和波长遥感卫星和传感器名称获取日期分辨率选用波段波长（范围）Landsat-1MSS1973年2月4日80mMSS70.8-1.1μLandsat-4TM1990年1月20日30mTM40.76-0.90μRadarsatSAR1997年9月14日50mC波段5.6cm卫星遥感监测南极冰川流速为了正确地量测冰川移动距离，对影像必须作出纠正，并在不同影像间作精确配准。TM分辨力最高，粗加工后的影像内部相对位置精度较高，因此将TM用实测的控制点进行精纠正，考虑到MSS和Radarsat影像分辨力较低，重采样用50×50m的象元。影像配准应考虑影像的几何特性来选择配准模型，由MSS配准到TM时可采用一次项拟合法：卫星遥感监测南极冰川流速在将SAR影像配准到TM影像时，考虑到SAR在脉冲发射方向由于斜距投影造成的比例尺非线性变形，应采用二次项拟合。卫星遥感监测南极冰川流速除了纠正和配准外，还应对影像作反差调正和边缘增强，使冰川与海冰及陆地雪盖区分明显，并且使冰川的纹理结构也十分清晰。卫星遥感监测南极冰川流速图（a）是1973年2月4日的MSS影像，极纪录冰川是连续伸展的，伸入普里兹湾中约50多公里，被托浮在海面上。随着冰川不断往外流去，海面承受不起巨大冰川的重量，再加上洋流和波浪的影响，在1990年前发生大崩裂，崩裂下来的SUN冰山有三个武汉市区那么大，经碰撞碎裂一部分，在图（c）97年9月14日的SAR影像上还有二个武汉市区那么大的面积。冰川流速测量过程卫星遥感监测南极冰川流速97年SAR影像上的SUN冰山前缘虽然与73年MSS影像上前缘形状不同（因碰撞而离散），但纹理仍能看出是一致的，并且能找到73年冰川前缘冰裂叉的顶点，说明从73年至97年只发生过一次冰崩事件。90年TM影像图（b）与97年SAR影像上都有相同形状的冰山，断裂后的冰川前部形状相同，在冰山和冰川间没有其它小冰山，97年相对90年冰川延伸6公里多，而73年冰川伸入海中50多公里，说明这7年中也未发生过冰崩，可以用来量算极纪录冰川的流速。卫星遥感监测南极冰川流速达尔克冰川位于米洛半岛以东，其宽度为3公里左右，规模比极纪录冰川小得多，但它靠近中俄澳三个考察站，每年三国考察船在达尔克冰川舌外的海湾中停泊，发生冰崩事关重大，因此研究价值较高，由于规模小，发生冰崩的间隔时间比极纪录冰川短。73年MSS影像由于影像东边缘在达尔克冰川以西，无法看到它，90年TM影像较清楚。但两者相隔近17年，有可能发生多次冰崩，如88年就发生过一次冰崩，冰川前缘退缩，即使73年影像上能显示达尔克冰川，也无法根据73年与90年影像来量测其流量，因此，73年影像对研究达尔克冰川的流量无实用意义。而90年至97年间达尔克冰川没有发生过冰崩（中、俄、澳考察站尤其中、俄两站是常年站，都未报道过发生冰崩）。