遥感科学与技术

三、遥感科学与技术
（一）遥感技术的基本概念
遥感科学与技术是在测绘科学、空间科学、电子科学、地球科学、计算机科学以及其学科交叉渗透、相互融合的基础上发展起来的一门新兴边缘学科。

它利用非接触传感器来获取有关目标的时空信息，不仅着眼于解决传统目标的几何定位，更为重要的是对利用外层空间传感器获取的影像和非影像信息进行语义和非语义解译，提取客观世界中各种目标对象的几何与物理特征信息。

从地面到高空各种对地球、天体观测的遥感综合性技术的总称。

由遥感平台、遥感仪器、信息处理、接收与分析应用等组成。

在一定距离以外不直接接触物体而通过该物体所发射和反射的电磁波来感知和探测其性质、状态和数量的技术。

遥感卫星
这是20世纪60年代兴起的一种探测技术，是根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术。

目前利用人造卫星每隔18天就可送回一套全球的图像资料。

利用遥感技术，可以高速度、高质量地测绘地图。

遥感技术是从人造卫星、飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息，判认地球环境和资源的技术。

它是60年代在航空摄影和判读的基础上随航天技术和电子计算机技术的发展而逐渐
卫星遥感技术
形成的综合性感测技术。

任何物体都有不同的电磁波反射或辐射特征。

航空航天遥感就是利用安装在飞行器上的遥感器感测地物目标的电磁辐射特征，并将特征记录下来，供识别和判断。

把遥感器放在高空气球、飞机等航空器上进行遥感，称为航空遥感。

把遥感器装在航天器上进行遥感，称为航天遥感。

完成遥感任务的整套仪器设备称为遥感系统。

航空和航天遥感能从不同高度、大范围、快速和多谱段地进行感测，获取大量信息。

航天遥感还能周期性地得到实时地物信息。

因此航空和航天遥感技术在国民经济和军事的很多方面获得广泛的应用。

例如应用于气象观测、资源考察、地图测绘和军事侦察等。

遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、
卫星云图
红外线结目标进行探测和识别的技术。

例如航空摄影就是一种遥感技术。

人造地球卫星发射成功,大大推动了遥感技术的发展。

现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。

完成上述功能的全套系统称为遥感系统,其核心组成部分是获取信息的遥感器。

遥感器的种类很多,主要有照相机、电视摄像机、多光谱扫描仪、成象光谱仪、微波辐射计、合
成孔径雷达等。

传输设备用于将遥感信息从远距离平台(如卫星)传回地面站。

信息处理设备包括彩色合成仪、图像判读仪和数字图像处理机等。

（二）遥感技术基本原理
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。

遥感技术研讨会
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。

（三）系统组成（使用仪器）
遥感仪器在探测中
由遥感器、遥感平台、信息传输设备、接收装置以及图像处理设备等组成。

遥感器装在遥感平台上，它是遥感系统的重要设备，它可以是照相机、多光谱扫描仪、微波辐射计或合成孔径雷达等。

信息传输设备是飞行器和地面间传递信息的工具。

图像处理设备（见遥感信息处理）对地面接收到的遥感图像信息进行处理（几何校正、滤波等）以获取反映地物性质和状态的信息。

图像处理设备可分为模拟图像处理设备和数字图像处理设备两类，现代常用的是后一类。

判读和成图设备是把经过处理的图像
遥感技术
信息提供给判释人员直接判释，或进一步用光学仪器或计算机进行分析，找出特征，与典型地物特征进行比较，以识别目标。

地面目标特征测试设备测试典型地物的波谱特征，为判释目标提供依据。

发展简史
1 1608-1838年,无记录的地面遥感阶段.
2 1839-1857年,有记录的地面遥感阶段.
3 1858-1956年,空中摄影遥感阶段.
遥感技术
4 1957年前苏联发射第一颗人造卫星至今,进入航天遥感阶段.
（四）应用范围与划分（使用方法）
卫星遥感反射图
遥感技术广泛用于军事侦察、导弹预警、军事测绘、海洋监视、气象观测和互剂侦检等。

在民用方面,遥感技术广泛用于地球资源普查、植被分类、土地利用规划、农作物病虫害和作物产量调查、环境污染监测、海洋研制、地震监测等方面。

遥感技术总的发展趋势是：提高遥感器的分辨率和综合利用信息的能力,研制先进遥感器、信息传输和处理设备以实现遥感系统全天候工作和实时获取信息,以及增强遥感系统的抗干扰能力。

遥感按常用的电磁谱段不同分为可见光遥感、红外遥感、多谱段遥感、紫外遥感和微波遥感。

1、可见光遥感：应用比较广泛的一种遥感方式。

对波长为0.4～0.7微米的可见光的遥感一般采用感光胶片（图像遥感）或光电探测器作为感
测元件。

可见光摄影遥感具有较高的地面分辨率，但只能在晴朗的白昼使用。

2、红外遥感：又分为近红外或摄影红外遥感，波长为0.7～1.5微米,用感光胶片直接感测；中红外遥感,波长为1.5～5.5微米；远红外遥感,波长为5.5～1000微米。

中、远红外遥感通常用于遥感物体的辐射，具有昼夜工作的能力。

常用的红外遥感器是光学机械扫描仪。

3、多谱段遥感：利用几个不同的谱段同时对同一地物（或地区）进行遥感，从而获得与各谱段相对应的各种信息。

将不同谱段的遥感信息加以组合，可以获取更多的有关物体的信息，有利于判释和识别。

常用的多谱段遥感器有多谱段相机和多光谱扫描仪。

4、紫外遥感：对波长0.3～0.4微米的紫外光的主要遥感方法是紫外摄影。

5、微波遥感：对波长1～1000毫米的电磁波（即微波）的遥感。

微波遥感具有昼夜工作能力，但空间分辨率低。

雷达是典型的主动微波系统，常采用合成孔径雷达作为微波遥感器。

现代遥感技术的发展趋势是由紫外谱段逐渐向 X射线和γ射线扩展。

从单一的电磁波扩展到声波、引力波、地震波等多种波的综合。

优越性
中科院运用遥感技术勘测分布图
探测范围大：航摄飞机高度可达10km左右；陆地卫星轨道高度达到910km左右。

一张陆地卫星图像覆盖的地面范围达到3万多平方千米，约相当于我国海南岛的面积。

我国只要600多张左有的陆地卫星图像就可以全部覆盖。

获取资料的速度快、周期短。

实地测绘地图，要几年、十几年甚至几十年才能重复一次；陆地卫星4、5为例，每16天可以覆盖地球一遍。

受地面条件限制少：不受高山、冰川、沙漠和恶劣条件的影响。

遥感技术
手段多，获取的信息量大：用不同的波段和不同的遥感仪器，取得所需的信息；不仅能利用可见光波段探测物体，而且能利用人眼看不见的紫外线、红外线和微波波段进行探测；不仅能探测地表的性质，而且可以探测到目标物的一定深度；微波波段还具有全天候工作的能力；遥感技术获取的信息量非常大，以四波段陆地卫星多光谱扫描图像为例，像元点的分辨率为79×57m，每一波段含有7600000个像元，一幅标准图像包括四个波段，共有3200万个像元点。

用途：遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、地理、海洋、水文、气象、测绘、环境保护和军事侦察等许多领域。

遥感技短于10小现代航空遥感已成为对地观测系统的重要组成部分，在灾害应急响应监测、高精度地表测量、矿产资源探测等领域发挥着无可替代的作用。

在863计划等国家科技计划的支持下，我国坚持自主创新，在高精度轻小型航空遥感、无人机遥感、高效能航空SAR遥感等领域自主研发了先进、实用的可见光、红外、激光、合成孔径雷达等航空遥感传感器，打破了国外的技术垄断和技术壁垒，研发出一系列适合我国国情的硬件、软件产品，形成了独具特色的全国航空遥感网，并在测绘、地矿、农业、水利、环保、交通、减灾、军事以及重大工程建设中发挥出重要作用。

今天，我国已发展成为世界航空遥感的大国与强国。

高精度轻小型航空遥感系统由高精度小型化POS、稳定平台、高精度轻型组合宽角数字相机、轻小型机载LIDAR、超轻型飞机(或无人机)和相应软件组成。

这一系统与国外同类产品相比，具有体积小、重量轻、功能全、成本低、操作方便等优点，并且完全拥有自主知识产权，可用于高分辨率对地观测、大比例尺测绘、重大自然灾害应急响应、数字城市建设等方面，可节省大量的人力、物力和财力，并极大地提高遥感工作效率和效益。

高效能航空SAR遥感应用系统重点突破了系统总体与系统集成、X波段干涉SAR、P波段极化SAR、地形测图处理等关键技术，技术指标满足1：1万、1：5万测图精度要求，形成了技术流程与标准，打破了国外技术封锁，填补了国内空白，使我国成为世界上第三个拥有先进航空SAR遥感系统的国家。

该项技术已经成功应用于“西部测图”国家重大工程，促进了航空SAR遥感产业化发展。

在突破了无人机多载荷同时装载、载荷通用适配、大容量存储、安全飞控、精密导航定位、遥测遥控和数据实时传输链路等关键技术的基础上，我国建立了高性能无人机遥感载荷综合验证系统，在国际上首次实现了高空间分辨率高光谱相机、大视场宽覆盖多光谱成像仪、干涉和极化合成孔径雷达同平台装载数据获取，可实现不少于150公斤各类载荷的快速装配，完成不时的巡航作业飞行。

五．发展趋势（项目案例）
1 进行地面,航空,横天多层次遥感,建立地球环境卫星观测网络.
2 传感器向电磁波谱全波段覆盖.
3 图象信息处理实现光学-电子计算机混合处理,因入其他技术理论方法,实现自动分类和模式识别.
4 实现遥感分析解译的定量话与精确化.
5 与GIS和GPS形成一体化的技术系统.
1、遥感机理与方法
重点围绕反演理论与方法、遥感产品优化等开展研究工作，已形成丰富的成果和数据积累。

主要标志性成果包括：
（1）我国典型地物标准波谱数据库建设，完成3万余条数据的收集和采集；
（2）提出了基于USM-IM（不确定性与敏感性矩阵）的信息流控制方法，实现反演过程中分阶段的定量化；并选择集合卡曼滤波，遗传算法等数学方法应用于多阶段反演。

（3）研制了机载多角度遥感成像系统（AMTIS）实验样机用于获取可见、近红外和热红外3个波段9个角度的机载多角度多光谱图像，在地表反照率、叶面积指数、组分温度的反演和农田旱情监测方面具有优势；
（4）数据同化系统正在建设中。

2、微波遥感
主要开展地物微波辐射特征以及土壤水分、雪水当量、冻融过程和植被叶片含水量等参数的微波遥感反演算法研究。

拟结合近几年微波遥感器的快速发展，通过发展模型和地面试验系统，促进参数反演算法的开发和提高大尺度被动微波遥感反演的可信度。

主要标志性成果包括：（1）基于星载辐射计的土壤水分被动微波遥感估测算法改进，以及裸露随机粗糙地表辐射参数化模型的发展；
（2）考虑多次散射的积雪参数化模型的发展；
（3）冻土介电常数模型和开发及实验测试系统的研制；
（4）地基4波段8通道微波辐射计试验系统的联合开发，并成功运行，取得了可靠数据。

3、水文气象遥感
重点研究水文气象参数的遥感反演算法，以及遥感数据在水文气象模式中的应用方法。

近期拟以蒸发散为重点，结合陆面过程模式和地面试验，研究地面站点观测数据的面尺度拓展理论和方法。

（1）首次成功应用了大孔径闪烁仪、涡度相关仪与波文比-能量平衡装置等组成的通量观测系统，结合足迹模型获取了不同分辨率的卫星像元尺度的通量实测值；
（2）在北京市密云和大兴、河北省馆陶县建立了以大孔径闪烁仪、涡度相关仪与自动气象站为主要观测手段的遥感地面验证站；
（3）结合多源的卫星遥感信息，建立了基于地表能量平衡方程和互补相关原理的区域水热通量的遥感估算模型。

4、环境遥感
面向陆地表层过程、人类生存环境监测需求，以生态环境遥感监测为主要应用目标，注重解决生产实际问题，开展遥感应用研究。

主要标志性成果包括：
（1）建立基于遥感数据和光能利用率的植被净第一性生产力（NPP）模型，并估算了全国NPP；
（2）利用遥感数据计算了黄河流域地表蒸散并分析了流域植被覆盖动态变化与气候要素间的关系；
（3）定量分析了城市化过程对陆地生态系统碳循环的影响。