數(shù)字地球之遙感講解

1、中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院數(shù)字地球與3S技術(shù)課程論文系 別 管理與經(jīng)濟(jì)系 專 業(yè) 12級工商管理 班 級 六 班 姓 名 雷 鵬 任課教師 吳 玥 2014 年6月10日數(shù)字地球與3S技術(shù)遙感監(jiān)測沙塵暴的研究進(jìn)展及趨勢前 言： 沙塵暴是大風(fēng)與沙塵相結(jié)合產(chǎn)生的一種災(zāi)害性天氣 ,它是大氣污染主要自然源之一。中國屬于中亞沙暴區(qū) ,其中 ,西北大部分地區(qū) ,整個華北地區(qū) ,東北地區(qū)西部 ,都是沙塵暴的多發(fā)區(qū)域 ,而沙塵災(zāi)害的影響區(qū)域則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述范圍。1沙塵暴過程是生態(tài)系統(tǒng)破壞的結(jié)果 ,又是對生態(tài)系統(tǒng)加深破壞的罪魁禍?zhǔn)?,它進(jìn)一步加速土地荒漠化 ,對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染 ,使空氣質(zhì)量下降 ,對人體健康、

2、交通通訊和電力供應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面的影響。2沙塵災(zāi)害的尺度范圍從局地性、 區(qū)域性到大陸間都可能發(fā)生 ,發(fā)生地區(qū)多為沙漠及干旱、 半干旱地區(qū) ,且地面監(jiān)測點(diǎn)比較少 ,因此用地面觀測站網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究具有很大的局限性。近年來 ,遙感技術(shù)在很多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。在環(huán)境領(lǐng)域 ,遙感的應(yīng)用也得到了重視。環(huán)境遙感提供區(qū)域性的、 可重復(fù)的、 不受季節(jié)和晝夜影響 ,甚至不受天氣影響 ,也沒有采樣偏見的環(huán)境數(shù)據(jù)。同時 ,遙感定量化研究也不斷深化 ,具有高空間分辨率、 高時間分辨率和高光譜分辨率的新型遙感數(shù)據(jù)大量產(chǎn)生 ,使得利用遙感衛(wèi)星進(jìn)行沙塵災(zāi)害監(jiān)測研究成為有效的監(jiān)測方法之一。3-4目錄摘要IAbstractII

3、一、 緒論1二、 遙感監(jiān)測沙塵暴的研究進(jìn)程及其原理1（一） 感監(jiān)測沙塵暴的研究進(jìn)程1（二） 遙感監(jiān)測沙塵暴的原理1三、遙感監(jiān)測沙塵暴的發(fā)展趨勢及其危害2 （一）遙感監(jiān)測沙塵暴的發(fā)展趨勢2 （二）遙感監(jiān)測沙塵暴的危害3四、沙塵暴遙感監(jiān)測的意義4結(jié)論4參考文獻(xiàn)5摘 要沙塵暴是一種氣象災(zāi)害 ,也是嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。它對自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會的危害已越來越引起人類的重視。隨著環(huán)境遙感的發(fā)展 ,運(yùn)用遙感技術(shù)對沙塵暴進(jìn)行監(jiān)測是最有效的方法之一。文章通過對中國沙塵暴遙感監(jiān)測研究的現(xiàn)狀的概述以及對當(dāng)前遙感應(yīng)用的技術(shù)水平的分析 ,展望了未來遙感監(jiān)測沙塵暴的發(fā)展趨勢。對中國沙塵暴天氣現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單的介紹 ,闡述了遙

4、感技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)在沙塵暴天氣的預(yù)測與其所帶來的災(zāi)害損失估計(jì)方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞: 沙塵暴; 遙感監(jiān)測; 難題; 趨勢，沙塵暴;遙感;計(jì)算機(jī)監(jiān)控The Research Progress And Trend Of Sandstorm Monitoring By Remote SensingSandstorm is a meteorological disaster, but also a serious ecological environment problem. It does harm to the natural environment and the social economy ha

5、s aroused more and more attentions. With the development of remote sensing of the environment, using remote sensing technology in sandstorm monitoring is one of the most effective methods. This article on the status of research China sandstorm monitoring and analysis the technical level of current r

6、emote sensing application, looks forward to the development trend of future remote sensing monitoring sandstorms. The China sandstorm weather status is introduced, the technology of remote sensing and computer technique to estimate in the application of disaster and loss prediction of sand dust stor

7、m and the。Key word：Sandstorm; remote sensing; problems; trend, sandstorm; remote sensing;一、緒論沙塵暴是大風(fēng)與沙塵相結(jié)合產(chǎn)生的一種災(zāi)害性天氣 ,它是大氣污染主要自然源之一二、遙感監(jiān)測沙塵暴的研究進(jìn)程及其原理（一）感監(jiān)測沙塵暴的研究進(jìn)沙塵災(zāi)害的遙感監(jiān)測是指對沙塵災(zāi)害的空間分布范圍、 影響區(qū)進(jìn)行識別、 定位;對沙塵運(yùn)移路徑和運(yùn)移規(guī)律的變化過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測;沙塵信息的遙感定量提取;沙塵災(zāi)害產(chǎn)生的大氣及下墊面等背景狀況監(jiān)測;沙塵災(zāi)害動態(tài)模擬等研究。國外對沙塵暴的遙感監(jiān)測研究始于 20世紀(jì) 80年代的 NOAA /

8、AVHRR傳感器。目前的遙感監(jiān)測主要利用靜止氣象衛(wèi)星 ( G MS/V ISSR)和極軌氣象衛(wèi)星 NOAA /AVHRR、 FY - 21C /MV ISR )兩大衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)。G MS/V ISSR的優(yōu)勢在于它的時間分辨率高 ,可彌補(bǔ)極軌衛(wèi)星在這方面的不足 ,對于持續(xù)時間較短的沙塵暴過程的監(jiān)測很有利。5中國對沙塵暴的遙感監(jiān)測的研究較晚 ,數(shù)據(jù)大部分來源于氣象衛(wèi)星 ,沒有專門用于沙塵暴遙感監(jiān)測的衛(wèi)星 ,但經(jīng)過廣大科研人員的努力 ,在條件十分有限的情況下 ,遙感在沙塵暴監(jiān)測中的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大進(jìn)步 ,在預(yù)報(bào)、 災(zāi)情判斷等方面發(fā)揮了極其重要的作用。6（二）遙感監(jiān)測沙塵暴的原理沙塵中含有大量的礦

9、物質(zhì) ,它通過吸收和散射太陽輻射及地面和云層長波輻射來影響地球輻射收支和能量平衡 ,同時影響著大氣的能見度 ,表現(xiàn)出了光譜特征的差異性。5,7隨著沙塵性天氣強(qiáng)度的不同 ,沙塵的粒徑差異也較大 ,從浮塵天氣到沙塵暴 ,其沙粒半徑可以從 0 . 01 m到 100 m以上 ,其中造成影響的沙塵暴天氣中 , 5m以上半徑的沙塵粒子占絕大多數(shù)。粒子半徑越大 ,散射能量越集中在前向 ,吸收消光也同時增加 ,散射比下降。研究認(rèn)為懸浮在空中的沙塵粒子的發(fā)射特性不但與粒子的大小、 形狀、 質(zhì)地有關(guān) ,也與粒子的濃度有關(guān)8。即:當(dāng)天空中大粒子沙塵增多時 ,光線被強(qiáng)烈吸收 ,能見度急劇下降。根據(jù)不同光譜波段上沙塵

10、粒子的散射和輻射特性 ,可以有效地將沙塵層、 云、 地面等遙感目標(biāo)物和干擾因素加以區(qū)分。由于沙塵與云系、 地表在反射率和溫度上均有差異 ,利用這些特征可以從遙感數(shù)據(jù)中將沙塵暴信息分離出來9。關(guān)于沙塵暴的大氣含沙量研究 , 孫司衡等10認(rèn)為依據(jù)遙感結(jié)構(gòu)方程和大氣輻射傳輸理論基礎(chǔ) ,模擬計(jì)算沙塵性高渾濁度大氣或沙塵暴的發(fā)射率 ,參考紅外數(shù)據(jù)和有關(guān)因子 ,可以解析沙塵氣溶膠光學(xué)厚度 ,進(jìn)而得出沙塵天氣過程或沙塵暴的大氣含沙量。三、 遙感監(jiān)測沙塵暴的發(fā)展趨勢及其危害（一） 遙感監(jiān)測沙塵暴的發(fā)展趨勢 3.1 新型遙感數(shù)據(jù)的來源不斷出現(xiàn)對沙塵災(zāi)害遙感監(jiān)測的現(xiàn)狀進(jìn)行分析 ,目前研究所用資料仍以 G MS、

11、NOAA、 FY等衛(wèi)星資料為主 ,這些衛(wèi)星主要是針對地球大氣研究所發(fā)射的 ,具有較高的時間分辨率 ,但空間分辨率和光譜分辨率則較低 , 適合作大尺度宏觀研究11。隨著一系列對地觀測計(jì)劃的實(shí)施, 新型遙感數(shù)據(jù)不斷出現(xiàn) , 綜合利用多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行沙塵災(zāi)害監(jiān)測成為新的發(fā)展方向 , 以美國 EOS系列第一顆衛(wèi)星 Terra所載中分辨率成像光譜儀 (MOD IS)數(shù)據(jù)的應(yīng)用為標(biāo)志 ,它是世界上首次進(jìn)行星載飛行的儀器 , 具有較寬的光譜范圍和空間覆蓋以及隨時間變化的資料連續(xù)覆蓋 ,更適合于對地球上大氣、 海洋和陸地進(jìn)行表面特性、云、 輻射、 氣溶膠、 輻射平衡等信息的綜合研究 ,對于沙塵暴研究向縱深方向

12、發(fā)展具有重要意義。12利用多種遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測沙塵暴是今后沙塵暴研究的主要方向。當(dāng)前已經(jīng)針對不同平臺的衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)展出來了許多沙塵暴監(jiān)測方法 ,對這些方法的優(yōu)化和完善是今后一段時間沙塵暴監(jiān)測研究的主要任務(wù) ,其中建立定量的沙塵暴信息提取遙感模型尤為重要。3.2 多學(xué)科交叉滲透沙塵災(zāi)害遙感監(jiān)測研究中新理論、 新方法、 新技術(shù)不斷產(chǎn)生 , 可以從不同方面對沙塵災(zāi)害進(jìn)行研究 , 使沙塵災(zāi)害研究的理論更加深化。沙塵災(zāi)害的源地在地表 , 但其影響之一卻是將地面塵源物質(zhì)輸入大氣 , 短時間內(nèi)改變大氣特性 , 從而降低環(huán)境質(zhì)量 , 所以沙塵災(zāi)害的研究應(yīng)進(jìn)行地表和大氣綜合研究11,12遙感技術(shù)、 大氣輻射傳輸理論、

13、 地面能見度理論相結(jié)合 , 探討沙塵信息遙感定量化提取方法 , 可以從深層次上揭示沙塵災(zāi)害發(fā)生、 發(fā)展、 消亡的動態(tài)演變規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理 , 推動遙感技術(shù)、 大氣輻射傳輸和能見度理論的綜合應(yīng)用研究 , 促進(jìn)多學(xué)科的交叉和滲透研究。3.3 地基遙感和衛(wèi)星遙感結(jié)合隨著遙感基礎(chǔ)研究的不斷發(fā)展 , 對沙塵的光譜特征有了深入認(rèn)識。通過地面沙化土地光譜特征的測量 , 對沙塵災(zāi)害的遙感監(jiān)測研究開始由定性和半定量研究向沙塵屬性特征參數(shù)的定量提取發(fā)展。地基遙感不僅使衛(wèi)星遙感理論和數(shù)據(jù)反演方法進(jìn)一步深化、 遙感圖像處理技術(shù)更加完善 , 也極大地?cái)U(kuò)展了衛(wèi)星資料的應(yīng)用領(lǐng)域 , 在沙塵預(yù)報(bào)、 沙塵監(jiān)測及沙塵成因研究方面

14、, 發(fā)揮著重要的作用10。盡快建立綜合對地觀測系統(tǒng)。這個系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個全天候、 全方位的綜合系統(tǒng) ,這樣才能對沙塵暴進(jìn)行比較全面的調(diào)查研究 ,從而為沙塵暴的監(jiān)測、 區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展提供系統(tǒng)的科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)。3.4 遙感、 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和環(huán)境地理信息系統(tǒng)(3S)的一體化展望今后 10年 ,新一代衛(wèi)星影像的分辨率將有大幅度提高;同時 ,從遙感圖像具有的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)向地理信息系統(tǒng)常用的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換已經(jīng)取得明顯進(jìn)展 ,新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn) ,有的達(dá)到實(shí)用化水平。因此 ,遙感與地理信息系統(tǒng)一體化已是可以看到的前景4。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組合技術(shù)系統(tǒng)為遙感對地觀測信息提供了準(zhǔn)實(shí)時或?qū)崟r

15、的定位信息;遙感對地觀測的海量波譜信息為目標(biāo)識別及科學(xué)規(guī)律的探測提供了定性或定量數(shù)據(jù);遙感、 全球定位系統(tǒng)、 地理信息系統(tǒng)的一體化將使地理信息系統(tǒng)具有獲取準(zhǔn)確、 快速定位的顯示遙感信息的能力 ,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的快速更新和在分析決策模型支持下 ,快速完成多維、多元復(fù)合分析。在沙塵暴的遙感監(jiān)測和預(yù)警中三者結(jié)合的作用效果將更加明顯 ,“3S” 技術(shù)將最終建成新型的地面三維信息和地理編碼影像的實(shí)時獲取與處理系統(tǒng) ,形成快速、 高精度信息處理流程 ,對沙塵暴的精確監(jiān)測有深遠(yuǎn)意義。（二）遙感監(jiān)測沙塵暴的危害沙塵暴是一種風(fēng)與沙相互作用的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象 ,它的形成與地球溫室效應(yīng)、 厄爾尼諾現(xiàn)象、 森林銳減、 植被

16、破壞、 物種滅絕、 氣候異常等因素有著不可分割的關(guān)系。其中 ,人口膨脹導(dǎo)致的過度開發(fā)自然資源、 過量砍伐森林、 過度開墾土地是沙塵暴頻發(fā)的主要原因。13我國西北、 華北(黃河以北) 、 東北中部 ,青藏高原地區(qū)都有沙塵暴天氣發(fā)生。其中西北地區(qū)是我國沙塵暴天氣出現(xiàn)日數(shù)較糞的地區(qū) ,如塔里木盆地周圍地區(qū);敦煌 河西走廊 寧夏平原 陜北一線;內(nèi)蒙古阿拉善高原、 河套平原和鄂爾多斯高原等 ,均是沙塵暴天氣多發(fā)的集中區(qū)。我國大部分地區(qū) ,沙塵天氣主要發(fā)生在春季 ,例如北京地區(qū)沙塵的活動和影響時間主要集中在 35 月 ,這是因?yàn)榇杭疚覈辈康貐^(qū)冷空氣活躍 ,多大風(fēng) ,氣溫回暖解凍 ,地表裸露 ,容易起沙。

17、所以 ,春季應(yīng)該是沙塵災(zāi)害預(yù)測減災(zāi)的最關(guān)鍵時期14,15。四、沙塵暴遙感監(jiān)測的意義沙塵暴研究對我國的科學(xué)減災(zāi)、 生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。研究沙塵暴引起的大氣中氣溶膠的變化 ,及其對氣候的影響 ,對于在區(qū)域及全球尺度上理解全球大氣乃至氣候變化狀況都非常重要。沙塵暴多發(fā)區(qū)往往條件惡劣 ,測站稀少 ,因而利用氣象衛(wèi)星遙感資料對沙塵暴進(jìn)行監(jiān)測是一種有效的方法。目前 ,我國對沙塵暴的監(jiān)測主要來源于氣象臺站的定時觀測 ,觀測資料有氣象要素和能見度 ,環(huán)保部門僅在各地區(qū)級及少數(shù)特設(shè)站點(diǎn)進(jìn)行觀測 ,觀測內(nèi)容主要有強(qiáng)度、 濃度、 組成成分、 降塵量等13。在我國西北地區(qū) ,各種監(jiān)測臺站設(shè)置稀疏

18、,尤其是沙塵暴的形成主要在人口異常稀少的沙漠地帶 ,這些地方監(jiān)測站點(diǎn)更少 ,因此常規(guī)地面觀測資料對沙塵暴監(jiān)測研究有很大的局限性。遙感、 地理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的迅速發(fā)展 ,尤其是衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展為人類監(jiān)測環(huán)境與災(zāi)害提供了嶄新的技術(shù)手段 ,使大范圍、 多時相的對地觀測成為可能 ,彌補(bǔ)了地面常規(guī)觀測資料水平分辨率較低和投入較大等不足。極軌衛(wèi)星如 FY- 1/ MV ISR、 NOAA/ AVHRR數(shù)據(jù)空間分辨率比靜止氣象衛(wèi)星較高。如時機(jī)恰當(dāng)則可較好地用于提取沙塵暴信息。但其6 小時一次的時間分辨率 , 對于持續(xù)時間較短的沙塵暴過程往往漏失監(jiān)測的有效時機(jī)。靜止氣象衛(wèi)星 , 如 GMS衛(wèi)星 VI

19、SSR 數(shù)據(jù)的空間分辨率雖較低 , 但每小時提供一幅占地球表面 1/ 3 的全球圓盤圖像 , 可用于沙塵暴信息的實(shí)時提取和 監(jiān) 測。如 NOAA/AVHRR 的 CH1 和 CH2 通道位于可見光和近紅外波段 , 可用來測算下墊面的反照率。CH3、 CH4 和CH5 通道為熱紅外通道 , 用以測算下墊面的亮度溫度。由于沙塵暴與云系、 地表在反照率和溫度上均有差異 , 可以在其云圖中把沙塵暴信息分離出來。依據(jù)遙感結(jié)構(gòu)方程和大氣輻射傳輸理論基礎(chǔ) , 模擬計(jì)算沙塵性高渾濁度大氣或沙塵暴的反射率 , 參考紅外數(shù)據(jù)和有關(guān)因子可解析沙塵氣溶膠光學(xué)厚度 ,進(jìn)而得出沙塵天氣過程包括沙塵暴的大氣含沙量14。因此

20、 ,可以說 ,為了國家的生態(tài)安全 ,保護(hù)國家與人民財(cái)產(chǎn) ,減輕或避免人員傷亡 ,順利實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略 ,改善西部生態(tài)環(huán)境 ,促進(jìn)我國的社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展 ,預(yù)測、 監(jiān)測沙塵暴天氣方面的研究及其成果的應(yīng)用勢在必行。結(jié)論： 當(dāng)前我國遙感技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合 ,在沙塵暴預(yù)測與監(jiān)控中的應(yīng)用 ,這方面已經(jīng)有所發(fā)展 ,沙塵暴的衛(wèi)星遙感監(jiān)測評估系統(tǒng)已研建完成。該系統(tǒng)在試運(yùn)行中已為我國的沙塵天氣 , 特別是沙塵暴的防災(zāi)減災(zāi)和荒漠化防治決策提交了科學(xué)的、 有說服力的監(jiān)測評估成果。沙塵天氣災(zāi)害的防治是一項(xiàng)長期的系統(tǒng)工程 ,需要各部門協(xié)同作戰(zhàn)。盡管有復(fù)雜的自然因素 , 但在加強(qiáng)生態(tài)建設(shè) , 防沙治沙 , 防止土

21、地荒漠化 , 減少沙塵來源 ,大力宣傳沙塵危害 , 提高全民防范意識; 建立和完善沙塵天氣的衛(wèi)星綜合監(jiān)測體系 , 提高監(jiān)測預(yù)警及影響評估的時效性和準(zhǔn)確性等方面多做工作 , 就可以對沙塵災(zāi)害的防治有所作為 , 減少和避免災(zāi)害損失15。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 張德二 ,孫霞.中國歷史時期降塵記錄南界的變動及其對北方干旱氣候的推斷 J . 第四紀(jì)研究 , 2001, 21 (1) :1 - 81 . 2 方宗義 ,朱福康 ,江吉喜 ,錢正安. 中國沙塵暴研究M .北京: 氣象出版社 , 1997 . 3 王橋 ,楊一鵬 ,黃家柱 ,等.環(huán)境遙感 M .北京:科學(xué)出版社 , 2005: 1 - 48 . 4 孫家炳 ,舒寧 ,關(guān)澤群.遙感原理、 方法和應(yīng)用 M .北京:測繪出版社 , 1997: 8 - 250 . 5 鄭新江 ,陸文杰 ,羅敬寧.氣象衛(wèi)星多通道信息監(jiān)測沙塵暴的研究 J .遙感學(xué)報(bào) , 2001, 5 (4) : 300 - 305 . 6 李海萍, 熊利亞, 莊大方.中國沙塵災(zāi)害遙感