遙感技術介紹

2020-11-24 中國科學院

遙感一詞來源於英語「Remote Sensing」,其直譯為「遙遠的感知」,時間長了人們將它簡譯為「遙感」可以解釋為: 解釋: 運用現代光學、電子學探測儀器,不與目標物相接觸,從遠距離把目標物的電磁波特性記錄下來,通過分析、解譯揭示出目標物本身的特徵、性質及其變化規律。遙感是20世紀60年代發展起來的一門對地觀測綜合性技術。自20世紀80年代以來,遙感技術得到了長足的發展,遙感技術的應用也日趨廣泛。隨著遙感技術的不斷進步和遙感技術應用的不斷深入,未來的遙感技術將在我國國民經濟建設中發揮越來越重要的作用。

人類通過大量的實踐,發現地球上每一個物體都在不停地吸收、發射和反射信息和能量,其中有一種人類已經認識到的形式――電磁波,並且發現不同物體的電磁波特性是不同的。遙感就是根據這個原理來探測地表物體對電磁波的反射和其發射的電磁波,從而提取這些物體的信息,完成遠距離識別物體。

例如,大興安嶺森林火災發生的時候,由於著火的樹木溫度比沒有著火的樹木溫度高,它們在電磁波的熱紅外波段會輻射出比沒有著火的樹木更多的能量,這樣,當消防指揮官面對著熊熊烈火擔心不已的時候,如果這時候正好有一個載著熱紅外波段傳感器的衛星經過大興安嶺上空,傳感器拍攝到大興安嶺周圍方圓上萬平方公裡的影像,因為著火的森林在熱紅外波段比沒著火的森林輻射更多的電磁能量,在影像著火的森林就會顯示出比沒有著火的森林更亮的淺色調。當影像經過處理,交到消防指揮官手裡時,指揮官一看,圖像上發亮的範圍這麼大,而消防隊員只是集中在一個很小的地點上,說明火情逼人,必須馬上調遣更多的消防員到不同的地點參加滅火戰鬥。

上面的例子簡單的說明了遙感的基本原理和過程,同時涉及到了遙感的許多方面。除了上文提到的不同物體具有不同的電磁波特性這一基本特徵外,還有遙感平臺,在上面的例子中就是衛星了,它的作用就是穩定地運載傳感器。除了衛星,常用的遙感平臺還有飛機、氣球等;當在地面試驗時,還會用到地面象三角架這樣簡單的遙感平臺。傳感器就是安裝在遙感平臺上探測物體電磁波的儀器。針對不同的應用和波段範圍,人們已經研究出很多種傳感器,探測和接收物體在可見光、紅外線和微波範圍內的電磁輻射。傳感器會把這些電磁輻射按照一定的規律轉換為原始圖像。原始圖像被地面站接收後,要經過一系列複雜的處理,才能提供給不同的用戶使用,他們才能用這些處理過的影像開展自己的工作。

由於遙感在地表資源環境監測、農作物估產、災害監測、全球變化等等許多方面具有顯而易見的優勢,它正處於飛速發展中。更理想的平臺、更先進的傳感器和影像處理技術正在不斷地發展,以促進遙感在更廣泛的領域裡發揮更大的作用。

遙感的特點  

遙感作為一門對地觀測綜合性技術,它的出現和發展既是人們認識和探索自然界的客觀需要,更有其它技術手段與之無法比擬的特點。遙感技術的特點歸結起來主要有以下三個方面:

1、探測範圍廣、採集數據快

遙感探測能在較短的時間內,從空中乃至宇宙空間對大範圍地區進行對地觀測,並從中獲取有價值的遙感數據。這些數據拓展了人們的視覺空間,為宏觀地掌握地面事物的現狀情況創造了極為有利的條件,同時也為宏觀地研究自然現象和規律提供了寶貴的第一手資料。這種先進的技術手段與傳統的手工作業相比是不可替代的,尤其在高效、客觀、準確方面,是具有得天獨厚的優勢。

2、能動態反映地面事物的變化

遙感探測能周期性、重複地對同一地區進行對地觀測,這有助於人們通過所獲取的遙感數據,發現並動態地跟蹤地球上許多事物的變化。同時,研究自然界的變化規律。尤其是在監視天氣狀況、自然災害、環境汙染、甚至軍事目標等方面,遙感的運用就顯得格外重要。

3、獲取的數據具有綜合性

遙感探測所獲取的是同一時段、覆蓋大範圍地區的遙感數據,這些數據綜合地展現了地球上許多自然與人文現象,宏觀地反映了地球上各種事物的形態與分布,真實地體現了地質、地貌、土壤、植被、水文、人工構築物等地物的特徵,全面地揭示了地理事物之間的關聯性。並且這些數據在時間上具有相同的現勢性。

遙感的分類

1、按遙感平臺的高度分類大體上可分為航天遙感、航空遙感和地面遙感。

航天遙感又稱太空遙感(space remote sensing)泛指利用各種太空飛行器為平臺的遙感技術系統,以地球人造衛星為主體,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(satellite remote sensing)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、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,地物波譜儀或傳感器安裝在這些地面平臺上,可進行各種地物波譜測量。

2、按所利用的電磁波的光譜段分類可分為可見反射紅外遙感,熱紅外遙感、微波遙感三種類型。

可見光/反射紅外遙感,主要指利用可見光(0.4-0.7微米)和近紅外(0.7-2.5微米)波段的遙感技術統稱,前者是人眼可見的波段,後者即是反射紅外波段,人眼雖不能直接看見,但其信息能被特殊遙感器所接受。它們的共同的特點是,其輻射源是太陽,在這二個波段上只反映地物對太陽輻射的反射,根據地物反射率的差異,就可以獲得有關目標物的信息,它們都可以用攝影方式和掃描方式成象。

熱紅外遙感,指通過紅外敏感元件,探測物體的熱輻射能量,顯示目標的輻射溫度或熱場圖象的遙感技術的統稱。遙感中指8-14微米波段範圍。地物在常溫(約300K)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。熱紅外遙感具有晝夜工作的能力。

微波遙感,指利用波長1-1000毫米電磁波遙感的統稱。通過接收地面物體發射的微波輻射能量,或接收遙感儀器本身發出的電磁波束的回波信號,對物體進行探測、識別和分析。微波遙感的特點是對雲層、地表植被、鬆散沙層和乾燥冰雪具有一定的穿透能力,又能夜以繼日地全天侯工作。

3、按研究對象分類 可分為資源遙感與環境遙感兩大類。

資源遙感:以地球資源作為調查研究的對象的遙感方法和實踐,調查自然資源狀況和監測再生資源的動態變化,是遙感技術應用的主要領域之一。利用遙感信息勘測地球資源,成本低,速度快,有利於克服自然界惡劣環境的限制,減少勘測投資的盲目性。

環境遙感:利用各種遙感技術,對自然與社會環境的動態變化進行監測或作出評價與預報的統稱。由於人口的增長與資源的開發、利用,自然與社會環境隨時都在發生變化,利用遙感多時相、周期短的特點,可以迅速為環境監測。評價和預報提供可靠依據。

4、按應用空間尺度分類 可分為全球遙感、區域遙感和城市遙感。

全球遙感: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)和自然區劃(如流域)或經濟區進行。

遙感技術發展方向

1、追求更高的空間解析度。目前空間解析度,多波段為20m,全色波段為10m,但已有好幾顆衛星裝載空間解析度優於10m的遙感器。

2、追求更精細的光譜解析度。目前星載遙感器的光譜率大約為可見近紅外波段略優於100nm(10-4 m),在熱紅外波段約為200nm左右,而機載的成像光譜儀已達到可見光、近紅外波段約10nm,熱紅外波段約30nm左右,整個波段數已達到256個波段。美國制定的EOS計劃(地球觀測計劃)就包括有中解析度和高解析度的成像光譜儀。

3、綜合多種遙感器的遙感衛星平臺。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,適合宏觀快速監測,二者綜合,服務不同的需求目的。

4、多波段、多極化、多模式合成孔徑雷達衛星。合成孔徑雷達具有全天侯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。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工作參數。

5、斜視、立體觀測、幹涉測量技術的發展。可見光斜視、立體觀測可以用於衛星地形測繪,幹涉測量技術是利用相鄰兩次的合成孔徑雷達影像進行地形測量和微位移形變測量的技術。目前法國的SPOT衛星已具備斜視立體觀測能力,進行地形測繪的技術取得重大進展,但仍未完全實用化。幹涉測量技術在歐空局的ERS-1衛星C波段SAR計劃中進行過實驗。法國一個小組利用這項計劃研究了火山爆發後火山錐的變化,但這項技術仍有待研究發展。

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