遙感技術

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遙感技術(Remote Sensing Technique)

　　遙感技術是指從高空或外層空間接收來自地球表層各類地物的電磁波信息，並通過對這些信息進行掃描、攝影、傳輸和處理，從而對地表各類地物和現象進行遠距離控測和識別的現代綜合技術，在農業上，可用於植被資源調查、作物產量估測和病蟲害預測等多方面。

　　遙感就是感知遙遠，這裡的遙遠既包括遠不可及，也包括近不可測。所謂遙感技術，就是指不直接與探測目標接觸，而使用某種儀器感測目標的種種特征信息，經過電腦等技術的精細處理，提取探測對象有用資料的現代高新技術。具體地說，它就是通過遙感平臺，即車輛、飛機、衛星、太空梭等運載工具以及各種流動或固定的遙感設備，收集和記錄遙感目標及其環境的輻射、反射租散射的電磁波和聲波信息，得到數據和圖像，再進行整理、分析、比較和處理，從而迅速得到和判斷遙感目標及其環境的位置、狀態等自然的、生物的諸多信息特征的一種技術。

　　20世紀初，人們發現物體對聲波和電磁波有阻隔作用，一些學者便開始研製利用這一特性測量目標的裝置，當時的目的就是用於探測淹沒在水下的冰山。第一次世界大戰爆發後，各國為了防備潛艇的需要加快了研製步伐。世界上第一部聲納—sonar(聲波導航和測距“Sound Navigation andRanging”的縮寫)是法國的P．朗之萬(Paul Langevin，1872—1946)等人於1916一1918年發明的。這種聲納當時也叫“回聲定位儀”，就是把電能轉換成聲波向水中發射，或把水中的聲波轉換成電能的一種電聲互換裝置，一般都可以收、發兩用。1930年，回聲定位儀開始廣泛用於艦船導航。不久，他們又研

　　制出不用旋轉換能器就能進行全景監視的環掃聲納，它在第二次世界反法西斯戰爭中發揮了重要的作用。

　　早在1922年，義大利的馬可尼就發表了用無線電波檢測物體的論文。1925年，美國開始研製能測距的脈衝調製雷達，並首先將它用於測量電離層的高度。1935年，英國的W．瓦特等人發明瞭世界上第一部雷達一radar(無線電檢測和測距“Radio Detection And Ranging”的縮寫)。這部雷達使用1.5釐米微波，可以用來探測天空中飛行的飛機。為方便和安全起見，當時人們稱它為CH系統。第二次世界大戰中，英、美兩國的海防雷達、炮兵雷達、艦載雷達和機載雷達都達到相當精確的程度。

　　20世紀50年代末，人造衛星將雷達帶到空中，對地面進行廣泛的電磁波探測，配合以電子電腦圖像處理技術和電腦自動標誌、識別、分類技術等，取得意想不到的發現。

　　1962年，美國密執安大學召開了“環境遙感討論會”，專家們一致呼籲：應當重視衛星照片 遙感的價值。

　　於是，一個嶄新的理論與實踐領域——遙感科學技術便正式誕生了。

　　一、可測量大範圍數據資料，具有綜合、巨集觀的特點

　　遙感用航攝飛機飛行高度從幾百米到lOkm左右，陸地衛星的衛星軌道高度達9lOkm左右(如：美國陸地衛星1～3號)，居高臨下獲取的航空像片或衛星圖像，比在地面上的視域大得多，又不受地形地物阻隔的影響，為人們研究地面各種自然、社會現象及其分佈規律提供了便利的條件，對地球資源和環境分析極為重要。

　　二、可獲取的信息量大，具有手段多，技術先進的特點

　　根據不同的任務，遙感技術可選用不同波段和遙感儀器來獲取信息。它不僅能獲得地物可見光波段的信息，而且可以獲得紫外、紅外、微波等波段的信息。利用不同波段對物體不同的穿透性，可獲取地物內部信息。例如，地面深層、水下，植被、地表溫度、沙漠下麵的地物特性等，微波波段還可以全天候的工作。這無疑擴大了人們的觀測範圍和感知領域，加深了對事物和現象的認識。

　　三、獲取信息快，更新周期短，具有動態監測特點

　　遙感通常為瞬時成像，從而能及時獲取所測目標物的最新資料，不僅便於更新原有資料，進行動態監’狽0，且便於對不同時刻地物動態變化的資料及像片進行對比、分析和研究，這是人工實地測量和航空攝影測量無法比擬的，為環境監測以及研究分析地物發展演化規律提供了基礎。例如陸地衛星4號、5號、7號均為每16d可覆蓋地球一遍，NOAA氣象衛星地面重覆觀測周期為0.5d(12h)。第二代Meteosat每15分鐘獲得同一地區的圖像。

　　四、獲取信息受限制條件少，具有用途廣、效益高的特點

　　很多地方的自然條件極為惡劣，人類難以到達，如沙漠、沼澤、高山峻嶺等。採用不受地麵條件限制的遙感技術，特別是航天遙感可方便及時地獲取各種寶貴資料。目前，遙感已廣泛應用於農業、林業、地質礦產、水文、氣象、地理、測繪、海洋研究、軍事偵察及環境監測等領域，且應用領域在不斷擴展，遙感正以其強大的生命力展現出廣闊的發展及應用前景。

　　按照不同的分類標準，遙感系統可以劃分為不同類別。比較常見的幾種分類方式如下。

　　1、按遙感電磁輻射源的方式分類

　　按照遙感過程中的電磁輻射源可以把遙感技術分為以下兩類：

　　主動遙感：由遙感探測器主動向地物目標發射電磁輻射能量，並接收地物目標反射的電磁能量作為遙感感測器接收和記錄的能量來源。

　　被動遙感：不會主動發出電磁輻射能量，而是接收地物目標自身熱輻射和反射自然輻射源(主要是太陽)的電磁能量作為遙感感測器輸入能量。

　　2、按遙感工作的高度分類

　　按照遙感工作的高度可以把遙感技術分為以下3類：

　　航天遙感：又稱太空遙感，泛指利用各種太空飛行器為平臺的遙感技術系統，以人造地球衛星為主體，包括載人飛船、太空梭和太空站，有時也把各種行星探測器包括在內。衛星遙感為航天遙感的組成部分，以人造地球衛星作為遙感平臺，主要利用衛星對地球和低層大氣進行光學和電子觀測。

　　航空遙感：泛指從飛機、飛艇或氣球等空中平臺對地觀測的遙感技術系統。

　　地面遙感：主要指以高塔、車、船為平臺的遙感技術系統，地物波譜儀或感測器安裝在這些地面平臺上，進行各種地物波譜測量。

　　3、按感測器工作的電磁波譜段分類

　　按照遙感感測器所用電磁波波譜可以把遙感技術分為以下3類：

　　可見光/近紅外遙感：主要指利用可見光(0.4～0.7um)和近紅外(0.7～2.5um)波段的遙感技術。可見光是人眼直接可見的光譜段，近紅外波段雖然不能直接被人眼看見，但是能夠被特定遙感感測器接收。這兩個波段的輻射來源都是太陽，反映地物對太陽輻射的反射特性。通過不同地物反射率的差異，就可以辨別出有關地物的信息。

　　熱紅外遙感：通過紅外熱敏感元件探測物體自身的熱輻射能量，並形成地物目標的輻射溫度或熱場圖像。熱紅外遙感的工作波段集中在8～14um範圍。地物在常溫下熱輻射的絕大部分能量位於此波段，在此波段，地物的熱輻射能量大於太陽的反射能量。熱紅外遙感的優勢在於具有晝夜工作的能力。

　　微波遙感：利用波長1～1000mm電磁波完成遙感功能。通過接收地面物體發射的微波輻射能量，或接收遙感設備本身發出的電磁波的反射信號，對物體進行探測、識別和分析。微波遙感的優點在於能夠全天候工作，同時對雲層、地表植被、鬆散沙層和乾燥冰雪具有一定的穿透能力。

　　4、按遙感數據的類型分類

　　按遙感數據的類型可以把遙感技術分為以下兩類：

　　成像遙感：感測器接收和記錄的電磁能量信息最後以圖像形式保存。

　　非成像遙感：感測器接收和記錄的電磁能量信息不以圖像形式保存。

　　5、按應用的地理範圍分類

　　按照遙感技術應用的空間範圍可以把遙感技術分為以下3類：

　　全球遙感：是全面系統地研究全球性資源與環境問題的遙感的統稱。

　　區域遙感：以區域資源開發和環境保護為目的的遙感信息工程，它通常按行政區劃(國家、省區等)、自然區劃(如流域)或經濟區劃進行。

　　城市遙感：以城市環境和生態作為主要調查研究對象的遙感工程。

　　其他的分類還有很多，如按照應用領域可以分為資源遙感、環境遙感、農業遙感、林業遙感、漁業遙感、地質遙感、氣象遙感、災害遙感和軍事遙感等，在每一個應用領域還可以進一步細分為不同的應用專題。

　　任何物體都具有光譜特性，具體地說，它們都具有不同的吸收、反射、輻射光譜的性能。在同一光譜區各種物體反映的情況不同，同一物體對不同光譜的反映也有明顯差別。即使是同一物體，在不同的時間和地點，由於太陽光照射角度不同，它們反射和吸收的光譜也各不相同。遙感技術就是根據這些原理，對物體作出判斷。

　　遙感技術通常是使用綠光、紅光和紅外光三種光譜波段進行探測。綠光段一般用來探測地下水、岩石和土壤的特性；紅光段探測植物生長、變化及水污染等；紅外段探測土地、礦產及資源。此外，還有微波段，用來探測氣象雲層及海底魚群的游弋。

　　現在遙感技術已經深入應用到人類的工作和生活中，在很多領域中發揮著越來越重要的作用。下麵介紹遙感技術在一些方面的典型應用。

　　1、在海洋研究中的應用

　　在海洋研究的很多領域都要依賴和應用氣象衛星提供的海洋遙感資料。海洋研究學者可以從連續的氣象衛星紅外和可見光遙感圖像中區分出不同溫度的水團、水流的位置、範圍、界線和移動情況並計算出移動速度，從而獲得水團、渦漩的分佈，洋流變動等信息。這些信息對於海洋研究起著非常重要的作用，它不僅能確保航海安全，還可以節省燃料。如船隻在海冰區航行時。利用衛星遙感圖像可實時選擇破冰船航線，使得破冰船能夠選擇冰縫或冰層薄弱的地帶行駛，保證航行安全。

　　此外，遙感在海洋資源的開發與利用、海洋環境污染監測、海岸帶和海島調查以及漁業等方面也已取得了成功的應用。

　　2、在氣象和氣候研究中的應用

　　在天氣分析和氣象預報中，衛星遙感資料促進了世界範圍的大氣溫度探測，使天氣分析和氣象預報工作更為準確。在氣象衛星雲圖上可以根據云的大小、亮度、邊界形狀、紋理、水平結構和垂直結構等來識別各種雲系的分佈，從而推斷出鋒面、氣旋、颱風和冰雹等的存在和位置，對各種大尺度和中小尺度的天氣現象進行成功的定位、跟蹤及預報。

　　在氣候以及氣候變遷研究中，根據近年的研究表明．對大氣長期天氣過程和氣候變動的影響因素主要包括太陽活動、地錶面對大氣的影響以及海洋對大氣的影響等。這些因素以及對大氣氣候的變化數據都可以通過衛星來獲取，如氣象衛星上有儀器可以直接取得大氣中二氧化碳等成分含量的數據。

　　3、在林業領域的應用

　　林業資源分佈廣，面積遼闊，屬於再生性生物資源。應用遙感技術可編製大面積的森林分佈圖，測量林地面積，調查森林蓄積和其他野生資源的數量，對宜林荒山荒地進行立體調查，繪製林地立體圖、土地利用現狀圖和土地潛力圖等。通過對森林變化的動態監測，可及時對林業生產的各個環節——採種、育苗、造林、採伐、更新和林產品運輸等工作起指導作用。

　　利用遙感技術進行森林資源調查和經營管理已經發展了很長時問。從20世紀20年代時開始就嘗試使用航空目視調查；到了20世紀40年代利用航空照片進行森林區域劃分，結合地面調查進行森林資源勘測；在20世紀50年代中發展了利用航片的分層抽樣調查；20世紀60年代以後，由於引進大量新設備和先進技術，如紅外彩色攝影、多光譜攝影、遙感圖像增強技術和電腦技術的應用等，使得遙感技術在林業領域中形成了多層次、多模式的應用體系。在“七五”、“八五”期間，我國已成功地利用陸地衛星數據對“三北”防護林地區進行了全面的遙感綜合調查，並對其植被的動態變化及其產生的生態效益做了綜合評價，為國家制定長遠發展計劃奠定了科學的基礎。

　　4、在地質領域的應用

　　遙感技術在地質工作中正發揮著日益重要的作用，目前已成為地質調查和環境資源勘察與監測的重要技術手段。應用範圍已由區域地質、礦產勘察、水文地質、工程地質和環境地質擴大到農業地質、旅游地質、國土資源、土地利用、城市綜合調查和環境監測等許多領域。

　　在區域地質調查工作中，以遙感方法為主製圖，通過大面積多圖聯測，不僅節約經費，而且還能提高工效。在礦產勘察工作中，利用遙感衛星數據，經電腦拼接處理，製作成衛星影像圖，通過遙感圖像數據收集、數據預處理、信息提取、遙感異常圈定和遙感地質編圖等處理步驟，實現礦場資源預測評價。在油氣勘探中，利用衛星遙感資料解譯選定的地質構造，經野外調查和驗證，常可獲得油氣資源可能存在的靶區。

　　5、在農業中的應用

　　現代遙感技術的多波段性和多時相性十分有利於以綠色植物為主體的資源觀測研究，使得遙感技術已經應用在農業的很多領域上。

　　在土地資源調查中，國際上於20世紀50年代就開始大量地使用航空照片進行以土地為主體的土地資源調查工作，20世紀70年代時開始利用衛星影像對原來缺乏資料的第三世界國家進行了中比例尺製圖。對土地資源的監測除實地進行定位觀測外，還可用不同時期的同一幅影像進行影像疊加和對比，來準確地看出土地資源的變化情況，特別是一些交通不便或面積較大的地區，只有衛星遙感技術發展以後，才有可能實現真正的及時監測。又如在農作物估產中，對於大面積農作物可以利用衛星影像進行生態分區，在各個生態區根據歷史產量建立各種產量模擬公式，並根據當年的氣候條件進行校正，以實現農作物產量的估計。

　　6、在軍事上的應用

　　遙感技術可為軍事任務提供全面、及時和準確的戰場信息，在現代軍事作戰中軍事偵察、戰場監視與精確制導已完全離不開遙感技術。

　　在軍事偵察中，可以通過攝影、紅外、多波段、雷達、電視和激光等多種遙感技術，獲取敵國的軍事政治情況、武裝力量和軍事經濟潛力，軍隊的編成、態勢、狀況、行動性質與企圖、戰區地形以及其他情報所採取的行動，對加快獲取情報的速度，提高情報的可靠性和效率都有重要作用。在戰場監視中，可以用遙感成像等手段來對敵空、太空、地面、地下區域、地點和人員等實施有計劃的觀察。在精確制導武器的末制導階段，常利用目標的反射或輻射特征測量其位置或相對位置參數，以實現武器的實時定位和軌跡修正，達到精確打擊的目的。

　　7、在自然災害監測上的應用

　　我國是一個自然災害種類繁多、發生頻繁和危害嚴重的國家，能否對這些災害作出快速反應對於防災救災決策的制定最為關鍵。應用遙感技術可以對重大自然災害進行監視和預測，遙感作為信息源始終貫穿於地震監測預報、震害防禦、地震應急、地震救災與重建的全過程，為政府和有關部門提供及時、準確和可靠的信息，為防災、減災和救災提供充分的科學依據。

　　目前我國已建立了重大自然災害的歷史資料庫和背景資料庫，從全國範圍的角度，巨集觀地研究了自然災害的危險程度分區和成災規律，研究了詳細的監測評價技術方法與應對措施，建立了各自的遙感信息系統，實現了對經常性和突發性自然災害的監測評價功能。

　　隨著遙感技術的發展，獲取地球環境信息的手段越來越多，獲取的信息也越來越豐富。因此，為了充分利用這些信息，建立全面收集、整理、檢索和管理這些信息的空間資料庫和管理系統，研究遙感信息自動分析機理，研製定量分析模型及實用的地學模型，進行多種信息源的信息融合與綜合分析等，構成了當前遙感發展的前沿研究課題。當今的遙感已不單純是一門信息獲取和分析的技術手段，它與地理信息系統、全球定位系統、各種地面觀測技術和信息分析技術等結合起來，正在形成一門嶄新的地球信息科學，為促進人類新的決策、管理和發展模式而起著積極的推動作用。

　　當前遙感技術發展的特點主要表現為以下幾個方面。

　　1．新一代感測器的研製，以獲得解析度更高、質量更好的遙感圖像

　　隨著遙感應用的廣泛和深入，對遙感圖像和數據的質量提出了更高的要求，其空間解析度、光譜解析度及時相解析度的指標均有待於進一步提高。2001年衛星遙感的空間解析度已經從IkonosII的1m，進一步提高到Quickbird(快鳥)的0.62m，高光譜解析度已達到5～6nm，時間解析度的提高主要依賴於小衛星技術的發展，通過合理分佈的小衛星星座和感測器的大角度傾斜可以以1～3天的周期獲得感興趣地區的遙感影像。

　　當前，星載主動式(微波)遙感的發展引起了人們的註意，如成像雷達和激光雷達等的發展使探測手段更趨多樣化。合成孔徑雷達具有全天候和高空間解析度等特點。目前已有幾顆衛星裝備有單波段、單極化的合成孔徑雷達。1995年11月4日加拿大發射的Radarsat(雷達衛星)就具有多模式的工作能力，能夠改變空間解析度、入射角、成像寬度和側視方向等T作參數。1995年美國太空梭兩次飛行試驗了多波段、多極化合成孔徑雷達。

　　獲取多種信息，適應遙感不同應用的需要，是感測器研製方面的又一動向和進展。一顆衛星裝備多種遙感器，既有高空間、光譜解析度、窄成像帶的遙感器，適合於小範圍詳細研究，又有中低空間、光譜解析度、寬成像帶的遙感器，適合巨集觀快速監測，二者綜合起來，服務不同的需求目的。

　　總之，不斷提高感測器的功能和性能指標，開拓新的工作波段，研製新型感測器，提高獲取信息的精度和質量，將是今後遙感發展的一個長期任務和發展方向。

　　2．遙感信息的處理走向定量化和智能化

　　遙感技術的目的是獲得有關地物目標的幾何與物理特性，所以需要有全定量化遙感方法進行反演。幾何方程是顯式表示的數學方程，而物理方程一直是隱式的。但隨著對成像機理、地物波譜反射特征、大氣模型、氣溶膠研究的深入和數據的積累；以及多角度、多感測器、高光譜及雷達衛星遙感技術的成熟，相信在21世紀，全定量化遙感方法將逐步走向實用，遙感基礎理論研究將走上新的臺階。

　　從遙感數據中自動提取地物目標，解決它的屬性和語義是攝影測量與遙感的中心任務之一。地物目標的自動識別技術主要集中在影像融合技術上，基於統計和基於結構的目標識別與分類，處理的對象包括高解析度影像和高光譜影像。隨著遙感數據量的增大，數據融合和信息融合技術的成熟，定量化遙感處理方法的發展，對遙感數據的處理方式會越來越自動化和智能化。

　　3．遙感應用不斷深化

　　在遙感應用的深度和廣度不斷擴展的情況下，微波遙感應用領域的開拓，遙感應用成套技術的發展，以及地球系統的全球綜合研究等成為當前遙感發展的又一方向。具體表現為，從單一信息源(或單一感測器)的信息(或數據)分析向多種信息源的信息(包括非遙感信息)複合及綜合分析應用發展；從靜態分析研究向多時相的動態研究以及預測預報方向發展；從定性判讀、製圖向定量分析發展；從對地球局部地區及其各組成部分的專題研究向地球系統的全球綜合研究方向發展。

　　4．地理信息系統的發展與支持是遙感發展的又一進展和動向

　　由遙感技術獲取的豐富地理信息依賴地理信息系統加以科學的管理，遙感的應用也依賴於地理信息系統提供多種信息源(包括非遙感信息)進行信息融合和綜合分析，以提高遙感識別分類的精度，遙感圖像的定量分析同樣需要地理信息系統提供應用模型，以及其他智能信息分析工具的支持等。因此，在社會日益對遙感應用提出更高要求的現實情況下，需要充分利用遙感及非遙感手段獲得的豐富地理信息，從而促成和推動了地理信息系統的發展以及遙感與地理信息系統的結合。