遥感技术

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遥感技术(Remote Sensing Technique)

目录

什么是遥感技术[1]

  遥感技术是指从高空或外层空间接收来自地球表层各类地物的电磁波信息,并通过对这些信息进行扫描、摄影、传输和处理,从而对地表各类地物和现象进行远距离控测和识别的现代综合技术,在农业上,可用于植被资源调查、作物产量估测和病虫害预测等多方面。

遥感技术的产生[2]

  遥感就是感知遥远,这里的遥远既包括远不可及,也包括近不可测。所谓遥感技术,就是指不直接与探测目标接触,而使用某种仪器感测目标的种种特征信息,经过电脑等技术的精细处理,提取探测对象有用资料的现代高新技术。具体地说,它就是通过遥感平台,即车辆、飞机、卫星、航天飞机等运载工具以及各种流动或固定的遥感设备,收集和记录遥感目标及其环境的辐射、反射租散射的电磁波和声波信息,得到数据和图像,再进行整理、分析、比较和处理,从而迅速得到和判断遥感目标及其环境的位置、状态等自然的、生物的诸多信息特征的一种技术

  20世纪初,人们发现物体对声波和电磁波有阻隔作用,一些学者便开始研制利用这一特性测量目标的装置,当时的目的就是用于探测淹没在水下的冰山。第一次世界大战爆发后,各国为了防备潜艇的需要加快了研制步伐。世界上第一部声纳—sonar(声波导航和测距“Sound Navigation andRanging”的缩写)是法国的P.朗之万(Paul Langevin,1872—1946)等人于1916一1918年发明的。这种声纳当时也叫“回声定位仪”,就是把电能转换成声波向水中发射,或把水中的声波转换成电能的一种电声互换装置,一般都可以收、发两用。1930年,回声定位仪开始广泛用于舰船导航。不久,他们又研

  制出不用旋转换能器就能进行全景监视的环扫声纳,它在第二次世界反法西斯战争中发挥了重要的作用。

  早在1922年,意大利的马可尼就发表了用无线电波检测物体的论文。1925年,美国开始研制能测距的脉冲调制雷达,并首先将它用于测量电离层的高度。1935年,英国的W.瓦特等人发明了世界上第一部雷达一radar(无线电检测和测距“Radio Detection And Ranging”的缩写)。这部雷达使用1.5厘米微波,可以用来探测天空中飞行的飞机。为方便和安全起见,当时人们称它为CH系统。第二次世界大战中,英、美两国的海防雷达、炮兵雷达、舰载雷达和机载雷达都达到相当精确的程度。

  20世纪50年代末,人造卫星将雷达带到空中,对地面进行广泛的电磁波探测,配合以电子计算机图像处理技术和计算机自动标志、识别、分类技术等,取得意想不到的发现。

  1962年,美国密执安大学召开了“环境遥感讨论会”,专家们一致呼吁:应当重视卫星照片 遥感的价值

  于是,一个崭新的理论与实践领域——遥感科学技术便正式诞生了。

遥感技术的特点[3]

  一、可测量大范围数据资料,具有综合、宏观的特点

  遥感用航摄飞机飞行高度从几百米到lOkm左右,陆地卫星的卫星轨道高度达9lOkm左右(如:美国陆地卫星1~3号),居高临下获取的航空像片或卫星图像,比在地面上的视域大得多,又不受地形地物阻隔的影响,为人们研究地面各种自然、社会现象及其分布规律提供了便利的条件,对地球资源和环境分析极为重要。

  二、可获取的信息量大,具有手段多,技术先进的特点

  根据不同的任务,遥感技术可选用不同波段和遥感仪器来获取信息。它不仅能获得地物可见光波段的信息,而且可以获得紫外、红外、微波等波段的信息。利用不同波段对物体不同的穿透性,可获取地物内部信息。例如,地面深层、水下,植被、地表温度、沙漠下面的地物特性等,微波波段还可以全天候的工作。这无疑扩大了人们的观测范围和感知领域,加深了对事物和现象的认识。

  三、获取信息快,更新周期短,具有动态监测特点

  遥感通常为瞬时成像,从而能及时获取所测目标物的最新资料,不仅便于更新原有资料,进行动态监’狈0,且便于对不同时刻地物动态变化的资料及像片进行对比、分析和研究,这是人工实地测量和航空摄影测量无法比拟的,为环境监测以及研究分析地物发展演化规律提供了基础。例如陆地卫星4号、5号、7号均为每16d可覆盖地球一遍,NOAA气象卫星地面重复观测周期为0.5d(12h)。第二代Meteosat每15分钟获得同一地区的图像。

  四、获取信息受限制条件少,具有用途广、效益高的特点

  很多地方的自然条件极为恶劣,人类难以到达,如沙漠、沼泽、高山峻岭等。采用不受地面条件限制的遥感技术,特别是航天遥感可方便及时地获取各种宝贵资料。目前,遥感已广泛应用于农业、林业、地质矿产、水文、气象、地理、测绘、海洋研究、军事侦察及环境监测等领域,且应用领域在不断扩展,遥感正以其强大的生命力展现出广阔的发展及应用前景。

遥感系统的分类[4]

  按照不同的分类标准,遥感系统可以划分为不同类别。比较常见的几种分类方式如下。

  1、按遥感电磁辐射源的方式分类

  按照遥感过程中的电磁辐射源可以把遥感技术分为以下两类:

  主动遥感:由遥感探测器主动向地物目标发射电磁辐射能量,并接收地物目标反射的电磁能量作为遥感传感器接收和记录的能量来源。

  被动遥感:不会主动发出电磁辐射能量,而是接收地物目标自身热辐射和反射自然辐射源(主要是太阳)的电磁能量作为遥感传感器输入能量。

  2、按遥感工作的高度分类

  按照遥感工作的高度可以把遥感技术分为以下3类:

  航天遥感:又称太空遥感,泛指利用各种太空飞行器为平台的遥感技术系统,以人造地球卫星为主体,包括载人飞船、航天飞机和太空站,有时也把各种行星探测器包括在内。卫星遥感为航天遥感的组成部分,以人造地球卫星作为遥感平台,主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。

  航空遥感:泛指从飞机、飞艇或气球等空中平台对地观测的遥感技术系统。

  地面遥感:主要指以高塔、车、船为平台的遥感技术系统,地物波谱仪或传感器安装在这些地面平台上,进行各种地物波谱测量。

  3、按传感器工作的电磁波谱段分类

  按照遥感传感器所用电磁波波谱可以把遥感技术分为以下3类:

  可见光/近红外遥感:主要指利用可见光(0.4~0.7um)和近红外(0.7~2.5um)波段的遥感技术。可见光是人眼直接可见的光谱段,近红外波段虽然不能直接被人眼看见,但是能够被特定遥感传感器接收。这两个波段的辐射来源都是太阳,反映地物对太阳辐射的反射特性。通过不同地物反射率的差异,就可以辨别出有关地物的信息。

  热红外遥感:通过红外热敏感元件探测物体自身的热辐射能量,并形成地物目标的辐射温度或热场图像。热红外遥感的工作波段集中在8~14um范围。地物在常温下热辐射的绝大部分能量位于此波段,在此波段,地物的热辐射能量大于太阳的反射能量。热红外遥感的优势在于具有昼夜工作的能力

  微波遥感:利用波长1~1000mm电磁波完成遥感功能。通过接收地面物体发射的微波辐射能量,或接收遥感设备本身发出的电磁波的反射信号,对物体进行探测、识别和分析。微波遥感的优点在于能够全天候工作,同时对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力。

  4、按遥感数据的类型分类

  按遥感数据的类型可以把遥感技术分为以下两类:

  成像遥感:传感器接收和记录的电磁能量信息最后以图像形式保存。

  非成像遥感:传感器接收和记录的电磁能量信息不以图像形式保存。

  5、按应用的地理范围分类

  按照遥感技术应用的空间范围可以把遥感技术分为以下3类:

  全球遥感:是全面系统地研究全球性资源与环境问题的遥感的统称。

  区域遥感:以区域资源开发和环境保护为目的的遥感信息工程,它通常按行政区划(国家、省区等)、自然区划(如流域)或经济区划进行。

  城市遥感:以城市环境和生态作为主要调查研究对象的遥感工程。

  其他的分类还有很多,如按照应用领域可以分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、灾害遥感和军事遥感等,在每一个应用领域还可以进一步细分为不同的应用专题。

遥感技术的原理[5]

  任何物体都具有光谱特性,具体地说,它们都具有不同的吸收、反射、辐射光谱的性能。在同一光谱区各种物体反映的情况不同,同一物体对不同光谱的反映也有明显差别。即使是同一物体,在不同的时间和地点,由于太阳光照射角度不同,它们反射和吸收的光谱也各不相同。遥感技术就是根据这些原理,对物体作出判断。

  遥感技术通常是使用绿光、红光和红外光三种光谱波段进行探测。绿光段一般用来探测地下水、岩石和土壤的特性;红光段探测植物生长、变化及水污染等;红外段探测土地、矿产及资源。此外,还有微波段,用来探测气象云层及海底鱼群的游弋。

遥感技术的应用[4]

  现在遥感技术已经深入应用到人类的工作和生活中,在很多领域中发挥着越来越重要的作用。下面介绍遥感技术在一些方面的典型应用。

  1、在海洋研究中的应用

  在海洋研究的很多领域都要依赖和应用气象卫星提供的海洋遥感资料。海洋研究学者可以从连续的气象卫星红外和可见光遥感图像中区分出不同温度的水团、水流的位置、范围、界线和移动情况并计算出移动速度,从而获得水团、涡漩的分布,洋流变动等信息。这些信息对于海洋研究起着非常重要的作用,它不仅能确保航海安全,还可以节省燃料。如船只在海冰区航行时。利用卫星遥感图像可实时选择破冰船航线,使得破冰船能够选择冰缝或冰层薄弱的地带行驶,保证航行安全。

  此外,遥感在海洋资源的开发与利用、海洋环境污染监测、海岸带和海岛调查以及渔业等方面也已取得了成功的应用。

  2、在气象和气候研究中的应用

  在天气分析和气象预报中,卫星遥感资料促进了世界范围的大气温度探测,使天气分析和气象预报工作更为准确。在气象卫星云图上可以根据云的大小、亮度、边界形状、纹理、水平结构和垂直结构等来识别各种云系的分布,从而推断出锋面、气旋、台风和冰雹等的存在和位置,对各种大尺度和中小尺度的天气现象进行成功的定位、跟踪及预报。

  在气候以及气候变迁研究中,根据近年的研究表明.对大气长期天气过程和气候变动的影响因素主要包括太阳活动、地表面对大气的影响以及海洋对大气的影响等。这些因素以及对大气气候的变化数据都可以通过卫星来获取,如气象卫星上有仪器可以直接取得大气中二氧化碳等成分含量的数据。

  3、在林业领域的应用

  林业资源分布广,面积辽阔,属于再生性生物资源。应用遥感技术可编制大面积的森林分布图,测量林地面积,调查森林蓄积和其他野生资源的数量,对宜林荒山荒地进行立体调查,绘制林地立体图、土地利用现状图和土地潜力图等。通过对森林变化的动态监测,可及时对林业生产的各个环节——采种、育苗、造林、采伐、更新和林产品运输等工作起指导作用。

  利用遥感技术进行森林资源调查和经营管理已经发展了很长时问。从20世纪20年代时开始就尝试使用航空目视调查;到了20世纪40年代利用航空照片进行森林区域划分,结合地面调查进行森林资源勘测;在20世纪50年代中发展了利用航片的分层抽样调查;20世纪60年代以后,由于引进大量新设备和先进技术,如红外彩色摄影、多光谱摄影、遥感图像增强技术和计算机技术的应用等,使得遥感技术在林业领域中形成了多层次、多模式的应用体系。在“七五”、“八五”期间,我国已成功地利用陆地卫星数据对“三北”防护林地区进行了全面的遥感综合调查,并对其植被的动态变化及其产生的生态效益做了综合评价,为国家制定长远发展计划奠定了科学的基础。

  4、在地质领域的应用

  遥感技术在地质工作中正发挥着日益重要的作用,目前已成为地质调查和环境资源勘察与监测的重要技术手段。应用范围已由区域地质、矿产勘察、水文地质、工程地质和环境地质扩大到农业地质、旅游地质、国土资源、土地利用、城市综合调查和环境监测等许多领域。

  在区域地质调查工作中,以遥感方法为主制图,通过大面积多图联测,不仅节约经费,而且还能提高工效。在矿产勘察工作中,利用遥感卫星数据,经计算机拼接处理,制作成卫星影像图,通过遥感图像数据收集、数据预处理、信息提取、遥感异常圈定和遥感地质编图等处理步骤,实现矿场资源预测评价。在油气勘探中,利用卫星遥感资料解译选定的地质构造,经野外调查和验证,常可获得油气资源可能存在的靶区。

  5、在农业中的应用

  现代遥感技术的多波段性和多时相性十分有利于以绿色植物为主体的资源观测研究,使得遥感技术已经应用在农业的很多领域上。

  在土地资源调查中,国际上于20世纪50年代就开始大量地使用航空照片进行以土地为主体的土地资源调查工作,20世纪70年代时开始利用卫星影像对原来缺乏资料的第三世界国家进行了中比例尺制图。对土地资源的监测除实地进行定位观测外,还可用不同时期的同一幅影像进行影像叠加和对比,来准确地看出土地资源的变化情况,特别是一些交通不便或面积较大的地区,只有卫星遥感技术发展以后,才有可能实现真正的及时监测。又如在农作物估产中,对于大面积农作物可以利用卫星影像进行生态分区,在各个生态区根据历史产量建立各种产量模拟公式,并根据当年的气候条件进行校正,以实现农作物产量的估计。

  6、在军事上的应用

  遥感技术可为军事任务提供全面、及时和准确的战场信息,在现代军事作战中军事侦察、战场监视与精确制导已完全离不开遥感技术。

  在军事侦察中,可以通过摄影、红外、多波段、雷达、电视和激光等多种遥感技术,获取敌国的军事政治情况、武装力量和军事经济潜力,军队的编成、态势、状况、行动性质与企图、战区地形以及其他情报所采取的行动,对加快获取情报的速度,提高情报的可靠性效率都有重要作用。在战场监视中,可以用遥感成像等手段来对敌空、太空、地面、地下区域、地点和人员等实施有计划的观察。在精确制导武器的末制导阶段,常利用目标的反射或辐射特征测量其位置或相对位置参数,以实现武器的实时定位和轨迹修正,达到精确打击的目的。

  7、在自然灾害监测上的应用

  我国是一个自然灾害种类繁多、发生频繁和危害严重的国家,能否对这些灾害作出快速反应对于防灾救灾决策的制定最为关键。应用遥感技术可以对重大自然灾害进行监视和预测,遥感作为信息源始终贯穿于地震监测预报、震害防御、地震应急、地震救灾与重建的全过程,为政府和有关部门提供及时、准确和可靠的信息,为防灾、减灾和救灾提供充分的科学依据。

  目前我国已建立了重大自然灾害的历史数据库和背景数据库,从全国范围的角度,宏观地研究了自然灾害的危险程度分区和成灾规律,研究了详细的监测评价技术方法与应对措施,建立了各自的遥感信息系统,实现了对经常性和突发性自然灾害的监测评价功能。

遥感技术的展望[4]

  随着遥感技术的发展,获取地球环境信息的手段越来越多,获取的信息也越来越丰富。因此,为了充分利用这些信息,建立全面收集、整理、检索和管理这些信息的空间数据库和管理系统,研究遥感信息自动分析机理,研制定量分析模型及实用的地学模型,进行多种信息源的信息融合与综合分析等,构成了当前遥感发展的前沿研究课题。当今的遥感已不单纯是一门信息获取和分析的技术手段,它与地理信息系统全球定位系统、各种地面观测技术和信息分析技术等结合起来,正在形成一门崭新的地球信息科学,为促进人类新的决策、管理和发展模式而起着积极的推动作用。

  当前遥感技术发展的特点主要表现为以下几个方面。

  1.新一代传感器的研制,以获得分辨率更高、质量更好的遥感图像

  随着遥感应用的广泛和深入,对遥感图像和数据的质量提出了更高的要求,其空间分辨率、光谱分辨率及时相分辨率的指标均有待于进一步提高。2001年卫星遥感的空间分辨率已经从IkonosII的1m,进一步提高到Quickbird(快鸟)的0.62m,高光谱分辨率已达到5~6nm,时间分辨率的提高主要依赖于小卫星技术的发展,通过合理分布的小卫星星座和传感器的大角度倾斜可以以1~3天的周期获得感兴趣地区的遥感影像。

  当前,星载主动式(微波)遥感的发展引起了人们的注意,如成像雷达和激光雷达等的发展使探测手段更趋多样化。合成孔径雷达具有全天候和高空间分辨率等特点。目前已有几颗卫星装备有单波段、单极化的合成孔径雷达。1995年11月4日加拿大发射的Radarsat(雷达卫星)就具有多模式的工作能力,能够改变空间分辨率、入射角、成像宽度和侧视方向等T作参数。1995年美国航天飞机两次飞行试验了多波段、多极化合成孔径雷达。

  获取多种信息,适应遥感不同应用的需要,是传感器研制方面的又一动向和进展。一颗卫星装备多种遥感器,既有高空间、光谱分辨率、窄成像带的遥感器,适合于小范围详细研究,又有中低空间、光谱分辨率、宽成像带的遥感器,适合宏观快速监测,二者综合起来,服务不同的需求目的。

  总之,不断提高传感器的功能和性能指标,开拓新的工作波段,研制新型传感器,提高获取信息的精度和质量,将是今后遥感发展的一个长期任务和发展方向。

  2.遥感信息的处理走向定量化和智能化

  遥感技术的目的是获得有关地物目标的几何与物理特性,所以需要有全定量化遥感方法进行反演。几何方程是显式表示的数学方程,而物理方程一直是隐式的。但随着对成像机理、地物波谱反射特征、大气模型、气溶胶研究的深入和数据的积累;以及多角度、多传感器、高光谱及雷达卫星遥感技术的成熟,相信在21世纪,全定量化遥感方法将逐步走向实用,遥感基础理论研究将走上新的台阶。

  从遥感数据中自动提取地物目标,解决它的属性和语义是摄影测量与遥感的中心任务之一。地物目标的自动识别技术主要集中在影像融合技术上,基于统计和基于结构的目标识别与分类,处理的对象包括高分辨率影像和高光谱影像。随着遥感数据量的增大,数据融合和信息融合技术的成熟,定量化遥感处理方法的发展,对遥感数据的处理方式会越来越自动化和智能化。

  3.遥感应用不断深化

  在遥感应用的深度和广度不断扩展的情况下,微波遥感应用领域的开拓,遥感应用成套技术的发展,以及地球系统的全球综合研究等成为当前遥感发展的又一方向。具体表现为,从单一信息源(或单一传感器)的信息(或数据)分析向多种信息源的信息(包括非遥感信息)复合及综合分析应用发展;从静态分析研究向多时相的动态研究以及预测预报方向发展;从定性判读、制图向定量分析发展;从对地球局部地区及其各组成部分的专题研究向地球系统的全球综合研究方向发展。

  4.地理信息系统的发展与支持是遥感发展的又一进展和动向

  由遥感技术获取的丰富地理信息依赖地理信息系统加以科学的管理,遥感的应用也依赖于地理信息系统提供多种信息源(包括非遥感信息)进行信息融合和综合分析,以提高遥感识别分类的精度,遥感图像的定量分析同样需要地理信息系统提供应用模型,以及其他智能信息分析工具的支持等。因此,在社会日益对遥感应用提出更高要求的现实情况下,需要充分利用遥感及非遥感手段获得的丰富地理信息,从而促成和推动了地理信息系统的发展以及遥感与地理信息系统的结合。

参考文献

  1. 史明昌,王维瑞编著.数字农业技术平台技术原理与实践.科学出版社,2011.08.
  2. 许志峰,陈质敏,王鹏娟编著.第八章 引领时代的信息工程技术 现代科学技术概论.东北师范大学出版社,2006年2月.
  3. 何勇,赵春江主编.第四章 遥感技术及其应用 精细农业.浙江大学出版社,2010.12.
  4. 4.0 4.1 4.2 张军,涂丹,李国辉编著.第四章 遥感技术 3S技术基础.清华大学出版社,2013.02.
  5. 赵雪云,李峰编著.测量员1000问.中国电力出版社,2010.07.
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