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遙感技術
來源:互聯網

遙感技術(Remote Sensing Technique)是20世紀60年代發展起來的一門對地觀測綜合性技術,是測繪領域“3S”技術之一。1903年,開始了航空遙感受的第一次試驗,揭開了當今遙感技術的序幕。1972年7月,美國發射第一顆地球資源衛星ERTS-1(后統稱為Landsat衛星),標志著空間遙感技術邁入一個嶄新的階段。21世紀,遙感衛星呈現高速的發展趨勢,人類將進入一個多層、立體、多角度、全方位和全天候對地觀測的新時代。

人們著眼于通過遙感的方式來獲取地物更多量化信息的研究,并期望定量遙感能承載更多的應用需求。中國定量遙感研究起步于20世紀90年代,在李小文院士等前輩科學家的推動下,一直保持在國際領先地位。2013年4月發射的高分一號衛星,是中國高分辨率對地觀測系統的首發星,開創了中國自主民用高分應用的新局面。

遙感技術已被廣泛應用于數字城市、地理國情監測、環境保護、災害應急響應等各個領域。利用遙感技術,可以快速、高質量地測繪各種地形圖/地圖,并實現對地球表面、地球大氣環境等的周期性觀測。

基本概念

遙感一詞來源于英語“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: 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征、性質及其變化規律。它主要是根據電磁波理論,應用各種傳感器收集、處理遠距離目標的發射輻射和反射的電磁波信息并成像,從而對地表景觀進行探測和識別的一種綜合技術。

遙感是根據電磁波不停地吸收、發射和反射信息和能量的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。除了不同物體具有不同的電磁波特性這一基本特征外,還有遙感平臺,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,還會用到地面像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范圍,人們已經研究出很多種傳感器,探測和接收物體在可見光、紅外線和微波范圍內的電磁輻射。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后,要經過一系列復雜的處理,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。

由于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,它正處于飛速發展中。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里發揮更大的作用。

基本原理

遙感相關產品一般是以記載著地物信息的遙感影像圖形式呈現。根據遙感影像圖上的每一個像素點代表的地面實際面積(即影像分辨率)分為亞米級、米級、中分辨率和低分辨率等幾個等級,隨著影像分辨率的降低,對地物的直觀辨識能力也隨之降低。

發展簡史

遙感技術是從19世紀初期(1839年)出現攝影技術開始的。

19世紀中葉(1858年),就有人使用氣球從空中對地面進行攝影。

1903年飛機問世以后,便開始了可稱為航空遙感受的第一次試驗,從空中對地面進行攝影,并將航空像應用于地形和地圖制圖等方面,揭開了當今遙感技術的序幕。

盡管遙感可以追溯到十九世紀,但“遙感”這個名詞直到二十世紀才出現。

1962年,在美國密執安大學召開第一次環境遙感科學研討會,討論把探測地面軍事目標的偵察技術轉向民用的問題,成為發展空間遙感技術的良好開端。與會代表,美國海軍科學研究院的伊夫林?L?布魯伊特首先提出了“遙感”一詞。“遙”是空間概念,“感”是信息系統。此后,“遙感”主要是指利用航空航天技術宏觀地研究地球、綜合評價地球環境、進行自然資源調查與開發管理的一種特定技術。

20世紀70年代。衛星遙感技術開始被廣泛應用,由于遙感具有客觀性、時效性、宏觀性與綜合性、經濟性等特點,使得攝影測量技術發生革命性的變化,其在地學和環境學方面的廣泛應用,產生了十分可觀的經濟效益和顯著的社會效益。

1972年7月,美國發射第一顆地球資源衛星ERTS-1(后統稱為Landsat衛星),采用擺掃方式對地成像,標志著空間遙感技術邁入一個嶄新的階段。

1986年2月,法國SPOT衛星發射入軌,采用推掃方式成像,在相鄰軌道間實現立體成像,建立立體地形模型,進行地貌判讀,繪制1:5萬比例尺地形圖。此后各國(組織)相繼發射不同用途及類型的遙感衛星:歐洲航天局發射了ERS 系列衛星,日本發射了JERS系列衛星,印度發射了IRS-1系列衛星。

1994 年,美國威廉·克林頓總統發布行政命令,解除了對高分辨率遙感技術的控制,允許私人公司研制商用1m分辨率衛星,并將扶持美國高分辨率商業衛星工業的發展作為一項重要國策,促進了高分辨衛星產業化發展。

1995年11月加拿大發射了RADARSAT 雷達衛星。

1999年9月,高分辨率的IKONOS-2衛星(0.82m黑白,2.4m彩色)發射成功并實現業務運營,這是世界首顆商業運營的高分辨率遙感衛星,從此揭開了民用高分辨率對地觀測的新紀元。

1999年10月,中巴兩國合作研制的第一顆傳輸型中巴地球資源衛星(簡稱CBERS-01)發射成功,創造了我國遙感衛星首發成功的先例,在我國衛星研制史上具有重要的意義。CBERS-01星的投入使用,結束了我國資源衛星應用數據源單純依靠外國星的歷史,填補了國內遙感數據的空白。CBERS衛星是系列星,后繼衛星的指標和應用效果得到大幅度提高。

21世紀,隨著航天技術、計算機技術和遙感器技術的發展,遙感技術不斷進步,遙感衛星呈現高速的發展趨勢。遙感發展逐漸呈現出多傳感器(各種攝影儀、掃描儀、雷達探測儀等)、高分辨率(空間分辨率、光譜分辨率、溫度分辨率)、多時相和高精度、短周期的趨勢。遙感信息的應用分析已從單一遙感資料向多時相、多數據源的融合與分析,從靜態分析向動態監測過渡,從對資源與環境的定性調查向計算機輔助的定量自動制圖過渡,人類將進入一個多層、立體、多角度、全方位和全天候對地觀測的新時代。其中,高分辨率敏捷衛星是最為顯著的發展方向。

2001年10月,數字全球公司的QuickBird衛星于發射升空,相機空間分辨率達到0.61m(全色),2.4m(多光譜)。

2003年6月,軌道影像公司的OrbView-3衛星發射,具有前、后、左、右指向控制,可以進行前后立體測圖,也可左右側擺提高重訪周期。

2008年9月6日作為IKONOS第二代遙感衛星地球之眼1號衛星衛星發射。GEOEYE-1衛星全色圖像分辨率為0.41米,多光譜圖像分辨率為1.65米,是當今世界迄今為止最高的商用遙感衛星。為了保密安全,在中國境內采樣成0.5米空間分辨率銷售。GEOEYE-1衛星數據制圖精度可達1:4000,應用前景非常廣泛,在實現大面積成圖、細微地物的解譯與判讀等方面優勢突出。隨著商業遙感衛星技術與市場的成熟,以美國為首的一些發達國家逐漸重視高分辨率衛星圖像商業化問題,高分辨率衛星圖像在許多領域有無限的應用前景。高分辨率衛星遙感數據內容更加豐富,應用日益廣泛,可以預測未來將在很大程度上取代航空攝影。同時,商業遙感衛星運營公司也相繼成立并整合,例如數字全球公司(DG)成功合并地球之眼(geoeye)后成為世界規模最大的商業遙感衛星公司。DG公司的衛星圖像產品主要供美國政府和國防部使用,此外還通過由增值服務商、地區分發商、銷售代理商及戰略伙伴組成的全球網進行商業銷售。

2013年4月發射的高分一號衛星,是中國高分辨率對地觀測系統的首發星,突破了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結合的光學遙感衛星等關鍵技術,開創了中國自主民用高分應用的新局面,在國民經濟建設中發揮了重大作用,取得了巨大的社會效益。

2016年8月,高分三號(GF-3衛星)成功發射,這是我國首顆分辨率達到1m的C頻段多極化合成孔徑雷達成像衛星。

2017年正式投入使用的高分三號(GF-3),使我國民用天基高分辨率SAR數據全部依賴進口的現狀得到極大改善。

遙感技術特點

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、探測范圍廣、采集數據快

遙感探測能在較短的時間內,從空中乃至宇宙空間對大范圍地區進行對地觀測,并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。

2、能動態反映地面事物的變化

遙感探測能周期性、重復地對同一地區進行對地觀測,這有助于人們通過所獲取的遙感數據,發現并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、環境污染、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、覆蓋大范圍地區的遙感數據,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、人工構筑物等地物的特征,全面地揭示了地理事物之間的關聯性。并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。

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。

3、按研究對象分類可分為資源遙感與環境遙感兩大類。

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。

遙感系統

遙感系統是一個從地面到空中直至空間,從信息收集、存儲、傳輸、處理到分析判讀、應用的完整技術體系。它主要包括遙感試驗、遙感信息獲取、遙感信息處理和遙感信息應用四部分。

遙感試驗

遙感試驗的主要工作是對地物電磁輻射特性(光譜特性)以及遙感信息的獲取、傳輸、處理、分析等技術手段進行試驗研究。遙感試驗是整個遙感系統的基礎,遙感探測前需要遙感試驗提供地物的光譜特性,以便選擇遙感器的類型和工作波段;遙感探測中以及處理時,又需要遙感試驗提供各種校正所需的有關信息和數據。遙感試驗也可為判讀應用提供依據。遙感試驗在整個遙感過程中起著承上啟下的重要作用。

遙感信息獲取

遙感信息獲取是遙感系統的中心工作。遙感器以及遙感平臺是確保遙感信息獲取的物質保證。遙感器是指收集和記錄地物電磁輻射(反射或發射)能量信息的裝置,如航空攝影機、多光譜掃描儀等。它是信息獲取的核心部件,在遙感平臺上裝載遙感器,按照確定的飛行路線飛行或運轉進行探測,即可獲得所需的遙感信息。

遙感信息處理

遙感信息處理是指通過各種技術手段對遙感探測所獲得的信息進行的各種處理。例如:為了消除探測中各種干擾和影響,使其信息更準確可靠而進行的各種校正處理,如輻射校正、幾何校正等;為了使所獲遙感圖像更清晰,以便于識別,判讀和提取信息,而進行的各種增強處理等。為了確保遙感信息應用時的質量和精度,以及為了充分發揮遙感信息的應用潛力,遙感信息處理是必不可少的。

遙感信息應用

遙感信息應用是遙感的最終目的。遙感信息應用應根據專業目標需要,選擇適宜的遙感信息及其工作方法進行,以取得較好的社會效益和經濟效益。遙感信息應用的領域非常廣泛,從室內的工業測量到大范圍的陸地,海洋信息的采集以至全球范圍的環境變化監測。在城市和區域的尺度內,遙感可應用于土地開發進展及綠地植被的變化監測等,同時也是掌握沙漠化等全球尺度的自然環境變化的不可缺少的手段;在海洋研究中,可以收集海面水位、混濁狀況,植物性浮游生物的分布狀況,海面溫度等各種信息,從遙感得到的波浪信息還可以用來測定海面風的風向和風速;在大氣研究中,可應用于調查二氧化碳臭氧等微量成分的組成以及從云圖中分析氣象現象等領域。隨著地球環境時代的到來,遙感更加顯示出其重要性。在農業,森林資源調查和經營管理、自然災害監測、氣候和氣象、海洋研究、地質、制圖、軍事等方面都有著廣泛的應用。

遙感技術系統組成

由遙感平臺、傳感器、信息傳輸接收裝置、數字或圖像處理設備以及相關技術等組成。

遙感平臺是指裝載遙感器進行遙感探測的運載工具,如飛機、人造衛星載人飛船等。其按飛行高度的不同,分為近地(面)工作平臺,航空平臺和航天平臺。這三種平臺各有不同的特點和用途,根據需要可單獨使用,也可配合使用,組成多層次立體觀測系統。

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范圍,人們已經研究出很多種傳感器,探測和接收物體在可見光、紅外線和微波范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。常用的傳感器:航空攝影機(航攝儀)、全景攝影機、多光譜攝影機、多光譜掃描儀( Multi-Spectral Scanner,MSS)、專題制圖儀(Thematic Mapper,TM)、反束光導攝像管(Return Beam Vidicon,RBV)、HRV(High Resolution Visible range instruments)掃描儀、合成孔徑側視雷達( Side-Looking Airborne Radar ,SLAR)。

遙感技術的應用

遙感四十號的成功發射

2023年9月10日12時30分,中國在太原衛星發射中心使用長征六號改運載火箭,成功將遙感四十號衛星發射升空,衛星順利進入預定軌道,發射任務獲得圓滿成功。該衛星主要用于開展電磁環境探測及相關技術試驗。

衛星遙感技術推動海洋漁業的轉型升級

動海洋漁業向信息化、智能化、現代化轉型升級。海洋漁業是現代化產業體系中的重要門類,兼具改善民生、發展經濟雙重作用。隨著裝備技術的不斷優化,捕撈、養殖裝備的智能化水平不斷提高,深水網箱、養殖工船發展壯大、應用面逐漸擴大,這些都有助于提升海洋資源開發能力。

海洋衛星遙感技術能利用海洋漁業捕撈或調查數據,研究出與海洋魚類地理分布相關的各個要素特征;第二,它能利用遙感資料預測或模擬魚類的地理分布;第三,可以利用遙感資料,探討魚類不同地理分布的組成特點。

海洋遙感衛星能監測的不僅是海洋上的風浪,還能監測赤潮等災害。有了海洋遙感技術,就可以根據遙感監測的海洋環境信息、海況信息制作災害因子遙感專題圖,如赤潮、溢油和大面積污染等信息圖形,如此便能及時向有關漁業部門和單位發布災情,減少損失。

遙感技術發展方向

1、追求更高的空間分辨率。目前空間分辨率,多波段為20m,全色波段為10m,但已有好幾顆衛星裝載空間分辨率優于10m的遙感器。

2、追求更精細的光譜分辨率。目前星載遙感器的光譜率大約為可見近紅外波段略優于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)就包括有中分辨率和高分辨率的成像光譜儀。

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,既有高空間光譜分辨率,窄成像帶的遙感器,適合于小范圍詳細研究,又有中低空間、光譜分辨率、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分辨率等特點。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,能夠改變空間分辨率、入射角、成像寬度和側視方向等工作參數。

5、斜視、立體觀測、干涉測量技術的發展。可見光斜視、立體觀測可以用于衛星地形測繪,干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。干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后火山錐的變化,但這項技術仍有待研究發展。

參考資料 >

遙感技術介紹.中國科學院.2023-11-05

遙感原理與應用.武漢大學航空航天測繪研究所.2023-11-05

遙感發展史.中國科學院遙感研究所.2023-11-06

遙感科普.國家遙感數據與應用服務平臺.2023-11-05

從定性到定量,遙感技術“進階式”.中國科學院.2023-11-06

什么是遙感測量.國家統計局.2023-11-05

海洋遙感衛星,海洋漁業離不開的超強輔助.中國水產協會.2023-11-06

..2023-11-05

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403 Forbidden.新華網.2023-11-06

我國成功發射遙感四十號衛星.央視網.2023-11-06

【專家觀點】推動海洋漁業向信息化智能化轉型.國家發展和改革委員會網站.2023-11-06

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