全球及區(qū)域尺度土地覆蓋土地利用遙感研究的現(xiàn)狀和展望

1、全球及區(qū)域尺度土地覆蓋土地利用遙感研究的現(xiàn)狀和展望摘要：90年代以來(lái)，利用遙感進(jìn)展大面積土地覆蓋土地利用的研究獲得了一系列重要進(jìn)展。已建立的全球及區(qū)域土地覆蓋土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)正在得到廣泛的應(yīng)用，獲得明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。土地覆蓋土地利用及其變化的研究成果也被應(yīng)用于有關(guān)全球環(huán)境變化國(guó)際公約的執(zhí)行監(jiān)視。利用遙感進(jìn)展大面積土地詳查已經(jīng)逐步擺脫單一制圖的傳統(tǒng)概念，正在向建立以應(yīng)用為目的且便于用戶(hù)使用的綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)的方向邁進(jìn)。此外，如何對(duì)大面積土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)展精度評(píng)價(jià)已引起廣泛重視，出現(xiàn)了一些新的理論和研究方法。進(jìn)入21世紀(jì)，全球和區(qū)域土地覆蓋土地利用的遙感研究將進(jìn)一步深化。關(guān)鍵詞：全球及區(qū)域尺度

2、；土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)；應(yīng)用；展望中圖分類(lèi)號(hào)tp79f301.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a文章編號(hào)10003037(1999)040340051引言土地覆蓋一般指地球外表當(dāng)前所具有的自然和人為影響所形成的覆蓋物，包括地表植被、土壤、冰川、湖泊、沼澤濕地及道路等。土地覆蓋具有特定的時(shí)間和空間屬性，其形態(tài)和狀態(tài)可在多種時(shí)空尺度上變化，而且產(chǎn)生變化的原因也是復(fù)雜多樣的。由于土地覆蓋和土地利用與人類(lèi)的生活消費(fèi)休戚相關(guān)，長(zhǎng)期以來(lái)土地覆蓋及利用的研究成為地球外表科學(xué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。利用遙感技術(shù)對(duì)土地覆蓋和自然景觀的研究至少可以追溯至本世紀(jì)20年代。以美國(guó)為例，早在1992年，lee1的文章?從空中看到的地球外表?表

3、述了遙感手段在研究自然景觀與人類(lèi)活動(dòng)關(guān)系的可行性和重要性。第二次世界大戰(zhàn)后出現(xiàn)了更為廣泛和系統(tǒng)的利用航空照片進(jìn)展區(qū)域范圍土地調(diào)查與制圖的研究。這一階段的研究成果也載入了有關(guān)文獻(xiàn)2。進(jìn)入50年代后，人們開(kāi)始討論利用遙感資料進(jìn)展大范圍土地覆蓋和土地利用制圖的可行性，包括開(kāi)展適用于遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)的土地分類(lèi)系統(tǒng)及分類(lèi)方法問(wèn)題3、4。衛(wèi)星遙感技術(shù)在大范圍土地資源的應(yīng)用始于本世紀(jì)70年代。隨著多種衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛開(kāi)展，使得有可能在較大的地理區(qū)域內(nèi)進(jìn)展土地覆蓋的詳查與制圖。進(jìn)入80年代以后，人們已在洲際范圍內(nèi)利用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)展土地覆蓋的研究，并獲得了有效的成果5、6。然而全球尺度范圍衛(wèi)

4、星數(shù)據(jù)在土地覆蓋和土地利用方面的應(yīng)用根本上仍為空白。90年代衛(wèi)星遙感在全球和區(qū)域尺度土地覆蓋研究與應(yīng)用方面獲得了打破性進(jìn)展。為適應(yīng)全球氣候變化以及環(huán)境資源、人口、開(kāi)展等研究的迫切需要，人類(lèi)第一次利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)研制開(kāi)發(fā)了全球具有統(tǒng)一分類(lèi)方法，統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)并將具有統(tǒng)計(jì)精度評(píng)價(jià)結(jié)果的全球1公里空間分辨率土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)7。同時(shí)土地覆蓋遙感研究的新方法也不斷出現(xiàn)并得以開(kāi)展。本文主要總結(jié)90年代全球和區(qū)域尺度土地覆蓋遙感研究的進(jìn)展以及新的數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并對(duì)下一世紀(jì)初該領(lǐng)域可能出現(xiàn)的新動(dòng)向作一初步討論。2九十年代大面積土地覆蓋遙感研究的進(jìn)展2.1理論與方法80年代大區(qū)域土地覆蓋遙感工作主要基于傳統(tǒng)的土

5、地覆蓋制圖理論方法，著重于土地類(lèi)型的分析解譯以及相應(yīng)的光譜特征的描繪。由遙感數(shù)據(jù)解譯編制的土地覆蓋圖雖然可以滿(mǎn)足某些應(yīng)用目的，但其信息量有限，且很少涉及土地覆蓋與其他自然景觀要素的聯(lián)絡(luò)。此外，土地覆蓋和土地利用分類(lèi)系統(tǒng)也因地因時(shí)因人而異，因此很難互相進(jìn)展比較和轉(zhuǎn)換。對(duì)以上的概念和問(wèn)題在90年代進(jìn)展了有益的討論，首祖先們對(duì)土地覆蓋及其特征的含義有了新的理解和定義。土地覆蓋不再僅僅被看作單一的土地和植被類(lèi)型，而是以土地類(lèi)型及其所具有的一系列自然屬性和特征的綜合體。包括土地類(lèi)型和植被類(lèi)型，植被冠層的密度、植被生長(zhǎng)季節(jié)的動(dòng)態(tài)特征，生長(zhǎng)季累積生物量，地表覆蓋的生物物理特征量，如地表波譜反射率、粗糙度、植

6、被葉面積指數(shù)、葉面及冠層的阻抗系數(shù)、有效光合作用輻射等。此外，該綜合體還包括與土地覆蓋類(lèi)型親密相關(guān)的生態(tài)環(huán)境要素，如植被所處的生態(tài)區(qū)域，地形與氣候條件，土壤的理化性質(zhì)以及土地利用狀況等。這種具多維空間信息的以土地覆蓋類(lèi)型為核心的綜合體概念不僅可以從理論上更加準(zhǔn)確、完好地刻劃地表覆蓋和利用的特征，而且在實(shí)際應(yīng)用方面也有非常重要的意義。另一值得注意的是對(duì)傳統(tǒng)的土地覆蓋分類(lèi)系統(tǒng)的改進(jìn)。利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)展土地分類(lèi)大多采用自上而下的等級(jí)分類(lèi)系統(tǒng)。即在分類(lèi)前預(yù)先劃定假設(shè)干等級(jí)的土地覆蓋類(lèi)型和亞類(lèi)型，然后將影像象元?jiǎng)澣肽骋活?lèi)型。這種預(yù)先制定的分類(lèi)系統(tǒng)往往是針對(duì)某種應(yīng)用需要而制定的，因此很難將其用做轉(zhuǎn)換以適應(yīng)不

7、同應(yīng)用目的的要求。針對(duì)這一局限性，lveland等8提出了所謂“靈敏的土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)的概念。利用衛(wèi)星在生長(zhǎng)季內(nèi)獲得的多時(shí)相數(shù)據(jù)，根據(jù)地表覆蓋的動(dòng)態(tài)過(guò)程，將圖像象元?jiǎng)澐譃椴煌耐恋馗采w單元季節(jié)性土地覆蓋單元。每一個(gè)單元內(nèi)部的象元具有相似的物候生長(zhǎng)期，類(lèi)似的地上累積生物量以及相似的植被種類(lèi)組合和生態(tài)環(huán)境。季節(jié)性土地覆蓋單元構(gòu)成靈敏土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)的根本成分，輔之以一系列有關(guān)光譜、地形、生態(tài)區(qū)、氣候等屬性特征，成為分類(lèi)系統(tǒng)中最底部的一層。根據(jù)土地覆蓋單元的類(lèi)型和一系列屬性特征，用戶(hù)可以根據(jù)應(yīng)用需要將季節(jié)性單元調(diào)整和歸并至所需土地覆蓋土地利用系統(tǒng)中。這一新的土地覆蓋分類(lèi)策略在美國(guó)及全球1公里土地覆蓋數(shù)據(jù)

8、庫(kù)的研制中得以應(yīng)用，并獲得了成果9。再?gòu)耐恋馗采w遙感分類(lèi)方法看近期的進(jìn)展，目前利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)理論方法結(jié)合人工解譯仍為在大尺度內(nèi)進(jìn)展遙感分類(lèi)的主導(dǎo)方法。顯然這種方法具有算法成熟、充分利用人機(jī)交互和影響等特點(diǎn)，然而其用時(shí)長(zhǎng)，對(duì)參與解譯分析的人員依賴(lài)性強(qiáng)，很大程度上不具備可重復(fù)性等。這些局限性影響了迅速、準(zhǔn)確、客觀地獲取大面積土地覆蓋信息。近年來(lái)出現(xiàn)了不少研究討論土地遙感分類(lèi)的新方法。主要代表包括人工智能神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)10、分類(lèi)樹(shù)方法11、多元數(shù)據(jù)的專(zhuān)家系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)識(shí)別法。其中分類(lèi)樹(shù)及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法目前正應(yīng)用于esdis土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，并獲得了一些經(jīng)歷。而專(zhuān)家系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)識(shí)別在全球和大區(qū)域土

9、地覆蓋遙感應(yīng)用的領(lǐng)域中還未見(jiàn)到報(bào)道。2.2全球和區(qū)域尺度土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用在90年代已經(jīng)和即將完成的大面積土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括：利用naaavhrr數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的全球1公里空間分辨率的土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)7；全球1個(gè)經(jīng)緯度間距地表生物物理量數(shù)據(jù)庫(kù)12；全球1個(gè)經(jīng)緯度間距土地覆蓋類(lèi)型圖13;利用陸地資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的美國(guó)外鄉(xiāng)48個(gè)州的土地覆蓋和利用數(shù)據(jù)庫(kù)14；以及正在開(kāi)發(fā)研制中的中國(guó)土地覆蓋土地利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其它區(qū)域性的土地資源和植被遙感應(yīng)用的重要工程。全球和區(qū)域尺度土地覆蓋及地表生物物理特征數(shù)據(jù)庫(kù)的建立推動(dòng)了全球氣候與環(huán)境變化的研究。土地覆蓋及其變化對(duì)地表生物氣候水文等過(guò)程具有直接的影響，如大氣

10、圈、生物圈、土壤圈及水圈互相之間能量、水分、化學(xué)元素的交換和遷移及其對(duì)大氣邊界層的影響。此外，人類(lèi)對(duì)于土地資源的利用有可能直接改變土地覆蓋的狀態(tài)，從而影響氣候與環(huán)境的變化。這些過(guò)程的研究無(wú)疑依賴(lài)于可靠的及時(shí)的土地覆蓋數(shù)據(jù)作為基矗近年來(lái)較為典型的應(yīng)用包括利用avhrr1公里季節(jié)性土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)改進(jìn)中尺度區(qū)域天氣與氣候模擬，以深化理解地表覆蓋極其復(fù)雜的組合對(duì)中尺度大氣環(huán)流和區(qū)域天氣的影響15。另外利用土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)作為全球環(huán)流模型的輸入，檢驗(yàn)和分析氣候干濕變化及季節(jié)降水，溫度和蒸發(fā)變化對(duì)于地表植被及其動(dòng)態(tài)變化的依賴(lài)性和敏感性16。地表覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)也應(yīng)用于研究生物地球化學(xué)過(guò)程模擬，因?yàn)樵S多重要的化學(xué)元

11、素在地球大氣海洋系統(tǒng)中的交換依賴(lài)于地表覆蓋及土地利用，例如二氧化碳2、一氧化氮n、甲烷h4、揮發(fā)性有機(jī)合成物v等的遷移和轉(zhuǎn)化。全球及區(qū)域尺度的土地覆蓋數(shù)據(jù)還廣泛應(yīng)用于各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)模擬、草原生物量估算及其與氣候的關(guān)系17，森林火災(zāi)危情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、流域水資源及質(zhì)量評(píng)估、農(nóng)藥使用監(jiān)測(cè)、森林普查和監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物面積估算以及土地資源管理等。有關(guān)土地覆蓋、土地利用及其變化的研究成果還被用于監(jiān)視有關(guān)全球環(huán)境變化國(guó)際公約的執(zhí)行。例如，有關(guān)地球系統(tǒng)碳素循環(huán)和溫室氣體增加導(dǎo)致的地氣間互相作用的改變以及世界各國(guó)對(duì)此所承擔(dān)義務(wù)的履行情況。3二十一世紀(jì)初展望隨著全球環(huán)境資源對(duì)人類(lèi)生存及開(kāi)展的進(jìn)一步影響，可以預(yù)言，下一世紀(jì)人

12、類(lèi)將對(duì)地球系統(tǒng)進(jìn)展更為全面和深化地觀測(cè)和監(jiān)測(cè)。目前世界上許多國(guó)家都在制定新的對(duì)地觀測(cè)方案，包括美國(guó)的地球觀測(cè)系統(tǒng)(es)，歐洲空間局的環(huán)境衛(wèi)星(envisat)，日本國(guó)家空間開(kāi)展局地球資源衛(wèi)星，中國(guó)和巴西合作的資源衛(wèi)星等。除了政府部門(mén)的這些方案外，還有許多商業(yè)用途的以私人公司支持的小衛(wèi)星方案將提供極高空間分辨率(15)的數(shù)字圖像。這些方案的施行將為大區(qū)域土地覆蓋、土地利用及其監(jiān)測(cè)提供重要的數(shù)據(jù)根底，并將促進(jìn)有關(guān)方面理論與方法的開(kāi)展。首先土地覆蓋和土地利用的遙感應(yīng)用將更加科學(xué)化、定量化、實(shí)用化?？茖W(xué)化表達(dá)在土地覆蓋及反映土地覆蓋綜合體特征的生物物理屬性及動(dòng)態(tài)變化的導(dǎo)出將建立在嚴(yán)格的理論根底之上。

13、所對(duì)應(yīng)的算法和程序需要經(jīng)過(guò)實(shí)際觀測(cè)和其他方式的驗(yàn)證。例如，美國(guó)nasaesa方案中將攜載的中等分辨率成像光譜儀(dis)的數(shù)據(jù)用于推導(dǎo)和繁衍多種有關(guān)地表覆蓋及其生物物理參量，包括地表反射率、植被指數(shù)等。每一個(gè)物理參量的計(jì)算方法都是經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲研討，并總結(jié)了到目前為止有關(guān)科學(xué)文獻(xiàn)的結(jié)論而確定的18。這些有關(guān)土地覆蓋特征的生物物理量的算法還將進(jìn)一步與地面觀測(cè)進(jìn)展比較以確保其可靠性。定量化將建立在更為準(zhǔn)確的高質(zhì)量的遙感數(shù)據(jù)的根底上。新一代衛(wèi)星的采集數(shù)據(jù)，星上校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)的預(yù)處理、輻射和幾何糾正以及大氣糾正等各個(gè)環(huán)節(jié)都將有明顯的改進(jìn)。這使得由此產(chǎn)生的土地覆蓋及其屬性特征的產(chǎn)品更為準(zhǔn)確可靠。例如，在大范圍

14、內(nèi)大氣對(duì)地面反射率及其一系列由地面反射率推導(dǎo)出的生物物理量和其他參量的影響是目前尚未解決的問(wèn)題之一。其不確定性大大影響了地表過(guò)程的定量研究。定量化還將表達(dá)在更為準(zhǔn)確的地理定位和幾何精度上。這方面的改進(jìn)對(duì)土地覆蓋的監(jiān)測(cè)以及不同空間分辨率土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系和互相校正等具有重要作用。實(shí)用性將表如今土地覆蓋及其系列產(chǎn)品的消費(fèi)、存檔、發(fā)布和管理的進(jìn)一步完善。用戶(hù)將能根據(jù)自己的需要通過(guò)高速的傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及時(shí)迅速地得到所需要的數(shù)據(jù)，從而可以實(shí)時(shí)或準(zhǔn)時(shí)地分析、觀測(cè)和監(jiān)視所關(guān)心的區(qū)域。這種迅速靈敏的數(shù)據(jù)處理分發(fā)才能對(duì)于許多具有實(shí)時(shí)性和運(yùn)行性的系統(tǒng)是必不可少的。例如火災(zāi)監(jiān)測(cè)、洪水監(jiān)測(cè)等。到目前為止，獲取大面積土

15、地覆蓋及其特征數(shù)據(jù)產(chǎn)品仍然有許多技術(shù)上的限制，如傳輸速度、數(shù)字壓縮技術(shù)等。伴隨新的全球和區(qū)域尺度土地覆蓋及其特征數(shù)據(jù)產(chǎn)品的出現(xiàn)，人們將更加關(guān)心產(chǎn)品精度檢驗(yàn)的理論和方法問(wèn)題。迄今為止，全球和區(qū)域范圍內(nèi)以統(tǒng)計(jì)理論為根底精心設(shè)計(jì)的土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)的精度評(píng)價(jià)才剛起步19、20。許多理論問(wèn)題還有待研究并獲得共識(shí)。例如，如何建立適于應(yīng)用目的且在理論中可行的抽樣方案，如何選擇和建立統(tǒng)計(jì)上可靠的并與抽樣相適應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量，怎樣對(duì)精度評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)展分析等21。如何在大面積范圍內(nèi)獲取地面實(shí)況資料以用于精度檢驗(yàn)也是一個(gè)重要問(wèn)題。在這方面，新一代衛(wèi)星具有的多種空間分辨率，超多波段的組合，結(jié)合有限的地面資料進(jìn)展多維空間的復(fù)合分析對(duì)大面積土地覆蓋的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)和精度檢驗(yàn)可能具有相當(dāng)?shù)?/p>