4.6.4　遙感動態(tài)監(jiān)測

1.遙感方法動態(tài)監(jiān)測沙塵暴

沙塵暴對生態(tài)系統(tǒng)的破壞力極強，它能夠加速土地荒漠化，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，使城市空氣質(zhì)量顯著下降，對農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、工業(yè)及交通運輸均會造成不良影響。沙塵暴的監(jiān)測方法中，傳統(tǒng)的地面監(jiān)測方法受到許多因素的制約，不能很好地刻畫沙塵暴過程。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以從空間上捕捉沙塵天氣動態(tài)信息，而且時間分辨率高，是目前最為有效的監(jiān)測、跟蹤、分析沙塵天氣的手段。

沙塵暴的發(fā)生改變了遙感信息的重要傳輸介質(zhì)-大氣的特性，當(dāng)利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對沙塵暴進行遙感監(jiān)測時，遙感信息在沙塵暴影響區(qū)的傳輸是相當(dāng)復(fù)雜的。沙塵暴多由大粒子物質(zhì)組成，其粒子的反射特性更容易被衛(wèi)星遙感探測獲取，沙塵暴的監(jiān)測實質(zhì)就是如何在遙感數(shù)據(jù)中區(qū)分沙塵、大粒子云、氣溶膠等具有較大相似性的粒子。由于沙塵粒子的分布跨度較大，觀測到的粒子的半徑r可以為0.1～100μm，較強沙塵天氣粒子半徑分布最大值常在5～10μm之間。在可見光波段，當(dāng)比值r/λ＞＞1，出現(xiàn)無選擇性散射。另外，大氣分子與微粒氣溶膠對可見光有較強的散射，成為大氣沙塵遙感的干擾因素。而對于近紅外1.6μm波段，沙塵粒子半徑與波長接近，適合用米氏散射解釋，并且大氣分子與微粒氣溶膠對紅外輻射干擾較小，從而在監(jiān)測較強的大氣沙塵時，可以忽略分子與微粒氣溶膠的影響。同時1.6μm波段對大氣沙塵的遙感特征是線性分布的，即它的測值與沙塵強度的變化相一致，這對沙塵暴的監(jiān)測具有重要意義。

熱紅外輻射在沙塵天氣遙感中也有重要意義。地表加熱狀況、邊界層熱輸送、沙塵層厚度、潛熱轉(zhuǎn)換以及輻射傳遞中的吸收消光等與沙塵天氣的起因、強度和消散等有顯而易見的關(guān)系，因此，在沙塵天氣的遙感監(jiān)測中，熱紅外輻射信息是重要變量。

圖4-6-3為沙塵暴監(jiān)測遙感影像，它反映了2002年3月20日襲擊北京的沙塵天氣的起源、移動、加強和擴散過程。由圖4-6-3可以看出，3月19日14時，有大片黃色沙塵區(qū)在蒙古中部形成，隨后該沙塵區(qū)向東移動并進入中國。3月20日11時，在該沙塵區(qū)的西南側(cè)，也就是中國內(nèi)蒙古中部又有一片新的沙塵區(qū)形成，兩片沙塵區(qū)在東移過程中發(fā)展，區(qū)域不斷擴大，最后連成一片。3月20日16時，沙塵區(qū)開始影響北京地區(qū)。

2.農(nóng)作物生長狀況及其生長環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測

在遙感圖像上，反映作物生長狀況和生長環(huán)境的因子主要分為兩類，即作物結(jié)構(gòu)特征和葉子與土壤的光譜特征。

作物結(jié)構(gòu)特征是反映其生長狀況的重要因子，它包含兩個方面，即葉面積指數(shù)分布函數(shù)和葉傾角分布函數(shù)。葉面積指數(shù)是影響作物反射率的一個重要因子，隨著作物生長周期的不同，或者作物是否受到病、蟲害的影響，葉面積指數(shù)也隨之發(fā)生變化，因此，葉面積指數(shù)可以反映作物的生長狀況。葉傾角分布函數(shù)直接影響葉子截取光能的效率，從而決定了葉子的光合有效面積。不同作物在不同生長周期或者不同狀況有著不同的葉傾角分布，因此葉傾角分布也是反映作物生長狀況的一個重要因子。

圖4-6-3　沙塵暴監(jiān)測遙感影像

反映作物生長狀況和生長環(huán)境的另外兩個重要因子是葉子光譜特征和土壤光譜特征，它們對作物的反映特性起著重要作用。葉子光譜特征反映葉子內(nèi)葉綠素含量的狀況，直接決定了葉子光合作用的能力，是影響作物生長的重要因素，因此，作物生長的好壞直接反映在葉子光譜特征上。土壤光譜特征反映土壤的含水量，土壤肥力等作物生長的環(huán)境。土壤含水量和土壤肥力發(fā)生變化，會在土壤的光譜特征上明顯體現(xiàn)出來，因此，土壤的光譜特征是反映作物生長環(huán)境的一個重要因子。

利用遙感圖像的多波段特征可以進行作物生長狀況及其生長環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測，它包括兩個方面:一是通過綠色植物的紅光吸收波段和近紅外反射波段的光譜特征而對影像進行不同綠度值的數(shù)字圖像處理，利用這種綠度值的數(shù)字圖像，提取葉面積指數(shù)和葉傾角分布信息，從而了解作物的生長狀況。另一方面，通過衛(wèi)星影像背景值和熱紅外波段的影像特征來了解土壤的含水量及肥力，從而了解作物的生長環(huán)境。

隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，一些新型傳感器，如具有高光譜分辨率的成像光譜儀和多角度探測器等，在作物生長監(jiān)測中將發(fā)揮更大的作用。例如，成像光譜儀的高光譜數(shù)據(jù)對葉子和土壤的光譜特征極為敏感，對監(jiān)測作物生長狀況和生長環(huán)境具有明顯的優(yōu)勢;而利用多角度遙感數(shù)據(jù)可以反演作物的結(jié)構(gòu)特征，從而分析作物的生長狀況和生長環(huán)境，掌握其影響因子的變化規(guī)律。綜合利用這兩種數(shù)據(jù)，發(fā)揮各自的長處，就會有利于全面反演作物生長的各種要素。

3.森林資源調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測

利用遙感技術(shù)進行森林資源調(diào)查和森林資源動態(tài)變化監(jiān)測，形成森林資源信息綜合化，這是現(xiàn)代森林資源管理中的一個重要方面。森林資源是陸地上的主要生物資源，具有分布廣、生產(chǎn)周期長等特點。及時、準(zhǔn)確地對森林資源動態(tài)變化進行監(jiān)測，掌握森林資源變化規(guī)律，具有重要的社會、經(jīng)濟和生態(tài)意義。

傳統(tǒng)的森林資源二類調(diào)查中一直使用航片和地形圖相結(jié)合的方式進行外業(yè)區(qū)劃，調(diào)繪手圖，尋找地物、成圖和求面積。1986年北京衛(wèi)星地面接收站正式投入運行，直接接收陸地衛(wèi)星的光譜掃描儀(MSS)和專題繪圖(TM)數(shù)據(jù)，大大推動了遙感技術(shù)在森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用。2003年，國家林業(yè)局作出了在全國范圍內(nèi)采用SPOT-5等高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展森林資源調(diào)查的決定，從而掀起了新一輪的森林資源航天遙感調(diào)查熱潮。SPOT-5遙感數(shù)據(jù)的高空間分辨率和多光譜分辨率為森林資源調(diào)查提供了豐富的、可靠的、高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。從性價比分析，在其他高分辨率遙感數(shù)據(jù)目前比較昂貴的狀況下，SPOT 5遙感數(shù)據(jù)比較適宜應(yīng)用于大面積的森林資源調(diào)查，可大幅度地減少森林調(diào)查的外業(yè)工作量，提高工作效率。

利用遙感技術(shù)對森林面積進行動態(tài)監(jiān)測主要有以下幾種方法:

(1)分類比較監(jiān)測法。該方法首先對覆蓋區(qū)的多時相遙感數(shù)據(jù)進行裁剪、幾何精度糾正，及影像增強處理，以增強原始圖像的光譜信息，消除噪聲，提高信噪比，以有利于遙感圖像植被信息的提取;然后對影像進行監(jiān)督分類，并通過目標(biāo)判讀以及結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)對分類影像進行分類精度評價，在保證較高分類精度的條件下，對分類圖像進行各類地物像元統(tǒng)計計算，計算出各類地物特別是各類林木的面積大小;最后對各個時相遙感影像中各類林木的面積進行比較計算，以此得到變化矩陣。這種方法盡管簡單易行但受分類精度的限制，動態(tài)監(jiān)測森林資源的精度不是很理想。

(2)圖像差值法。以3個時相的TM影像對森林資源動態(tài)監(jiān)測為例來說明圖像差值法，將經(jīng)過嚴(yán)格配準(zhǔn)的3個時相遙感數(shù)據(jù)TM7、TM5、TM4三個波段作差值，得到差值圖像ΔTM7、ΔTM5、ΔTM4，將這3層差值圖像配以紅(R)、綠(G)、藍(B)進行彩色合成，從彩色合成圖可以看出用不同顏色顯示的森林植被增加、減少、輕微變化或不變的位置和范圍，同時也可以計算出變化的面積值。

(3)比值植被指數(shù)差值法。應(yīng)用比值植被指數(shù)(IR/R)與植被生物量具有高相關(guān)性，所以通過比較不同時相的植被指數(shù)圖像，可以有效地監(jiān)測森林植被的變化情況。而且，比值還能夠消除太陽高度角、大氣狀況、土壤水分等因素對遙感圖像的影響，對非地類變化引起的差異進行壓縮，進而突出地類的變化。由于森林植被消長劇烈影響植被指數(shù)變化，可以依據(jù)植被指數(shù)變化程度對林地消長進行檢測，并依據(jù)一定閾值劃分比值植被指數(shù)差值圖像來檢測變化區(qū)域的位置和面積大小。

(4)歸一化差值植被指數(shù)法。由植被的光譜反射特性可知，紅光波段(R)是葉綠素的吸收帶，對應(yīng)TM影像的3波段TM3;近紅外波段(IR)是植被的強烈反射波段，對應(yīng)于TM影像的4波段TM4。植被在這兩個光譜范圍的反射差異極大。歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)應(yīng)用了植被紅光區(qū)的強吸收、近紅外波段高反射的特性，通過比值變換，使植被信號放大，并使植被群內(nèi)方差縮小、群間方差變大，消除或減弱了地形陰影的影響，從而易于提取植被信息，區(qū)分植被的動態(tài)變化，所以在研究中被大量應(yīng)用。

4.森林火災(zāi)的動態(tài)監(jiān)測

衛(wèi)星遙感監(jiān)測在森林防火中的應(yīng)用，大大提高了對森林干旱、火災(zāi)的監(jiān)測和預(yù)報能力，有效避免了常規(guī)監(jiān)測手段在時間、空間上的不足，為確定災(zāi)害特征及開展減災(zāi)技術(shù)的研究，進一步做好森林防火工作提供了極具潛力的技術(shù)支撐。

1987年5月黑龍江省大興安嶺發(fā)生特大火災(zāi)?；馂?zāi)發(fā)生首先由氣象衛(wèi)星熱紅外圖像發(fā)現(xiàn)高溫火點區(qū)，但火勢很快擴展。在抗災(zāi)的同時，利用Landsat衛(wèi)星上的TM專題制圖儀，接收1987年5月23日、5月30日、6月50日的圖像。鑲嵌成過火區(qū)的彩色衛(wèi)星影像。從影像上可清楚地看到過火區(qū)南北100km，東西達200km，到接收日還有明火在燃燒，但周圍已挖好隔離帶，火勢已被控制。經(jīng)對影像分析建立重度、中度和輕度災(zāi)區(qū)的判讀標(biāo)志，并據(jù)此解譯出此次火災(zāi)的災(zāi)情分布。災(zāi)情等級的劃分原則為:

(1)重度災(zāi)區(qū)，為樹冠火，地面火，地下火(地面植被及可燃堆積物內(nèi))通過地區(qū)。火焰溫度高，全部立木及幼樹、草、灌均燒死，圖像上的特征顯示為褐色連片區(qū)域。TM圖像上清晰的形跡表明，重度災(zāi)區(qū)基本是火災(zāi)初期，由3個起火點因七八級大風(fēng)所造成的火旋風(fēng)及狂燃階段所通過的區(qū)域。

(2)中度災(zāi)區(qū)，主要是地面火及樹冠火通過的區(qū)域。圖像顯示為在褐色背景上分布細碎綠色區(qū)。表明林中下木、地被植物及部分樹冠被燒，幼樹及部分立木被燒死。

(3)輕度災(zāi)區(qū)，主要是地面火通過區(qū)域，立木基本未受損害。圖像中顯示為與未過火區(qū)相似的色調(diào)，但稍暗，與中度災(zāi)區(qū)相比，這種綠色區(qū)連片較大。

5.洪澇災(zāi)情的動態(tài)監(jiān)測

遙感技術(shù)對災(zāi)害監(jiān)測評估有特殊的優(yōu)勢和潛力，尤其是對洪澇災(zāi)害的監(jiān)測評估在我國已有較長的歷史。早在1983年，水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心就用地球資源衛(wèi)星遙感影像調(diào)查了發(fā)生在三江平原撓力河的洪水，成功地獲取了受淹面積和河道變化的信息。洪澇災(zāi)害的監(jiān)測和評估從最開始時用NOAA氣象衛(wèi)星的AVIRR數(shù)據(jù)，發(fā)展到用陸地衛(wèi)星的TM影像，再到采用全天候的機載和星載側(cè)視合成孔徑雷達(SAR)來監(jiān)測洪水。在遙感數(shù)據(jù)傳輸方面，也在“八五”期間研制成功了實時傳輸機載SAR圖像的“機-星-地”系統(tǒng)。此外，在圖像處理技術(shù)方面，例如在數(shù)字遙感圖像上提取耕地、居民地等目標(biāo)物以及在SAR圖像上提取水體的技術(shù)也日臻成熟，基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)庫的建設(shè)也有一定進展。所有這些都為遙感技術(shù)實際應(yīng)用于洪澇災(zāi)害的監(jiān)測評估創(chuàng)造了良好的條件。事實上，在過去幾個五年計劃期間，都對當(dāng)時發(fā)生的洪澇災(zāi)害進行了實際監(jiān)測，各個階段的研制成果都在不同程度上得到了應(yīng)用。