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遥感的基本原理及技术特点

2014-10-22 16:52:24 来源: 测绘网
聊聊

一、基本概念

遥感一词来源于英语“Remote Sensing”,其直译为遥远的感知,时间长了人们将它简译为遥感。遥感是20世纪60年代发展起来的一门对地观测综合性技术。自20世纪80年代以来,遥感技术得到了长足的发展,遥感技术的应用也日趋广泛。随着遥感技术的不断进步和遥感技术应用的不断深入,未来的遥感技术将在我国国民经济建设中发挥越来越重要的作用。 关于遥感的科学含义通常有广义和狭义两种解释: 广义的解释: 一切与目标物不接触的远距离探测。 狭义的解释: 运用现代光学、电子学探测仪器,不与目标物相接触,从远距离把目标物的电磁波特性记录下来,通过分析、解译揭示出目标物本身的特征、性质及其变化规律。

遥感技术系统是实现遥感目的的方法论、设备和技术的总称。现已成为一个从地面到高空的多维、多层次的立体化观测系统。研究内容大致包括遥感数据获取、传输、处理、分析应用以及遥感物理的基础研究等方面。遥感技术系统主要有:遥感平台系统,即运载工具。包括各种飞机、卫星、火箭、气球、高塔、机动高架车等;遥感仪器系统。如各种主动式和被动式、成像式和非成像式、机载的和星载的传感器及其技术保障系统;数据传输和接收系统。如卫星地面接收站、用于数据中继的通讯卫星等;用于地面波谱测试和获取定位观测数据的各种地面台站网;数据处理系统。用于对原始遥感数据进行转换、记录、校正、数据管理和分发;分析应用系统。包括对遥感数据按某种应用目的进行处理、分析、判读、制图的一系列设备、技术和方法。遥感技术系统是一个非常庞杂的体系。对某一特定的遥感目的来说,可选定一种最佳的组合,以发挥各分系统的技术优势和总体系统的技术经济效益。

二、系统的组成

遥感是一门对地观测综合性技术,它的实现既需要一整套的技术装备,又需要多种学科的参与和配合,因此实施遥感是一项复杂的系统工程。根据遥感的定义,遥感系统主要由以下四大部分组成:

1、信息源 信息源是遥感需要对其进行探测的目标物。任何目标物都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性,当目标物与电磁波发生相互作用时会形成目标物的电磁波特性,这就为遥感探测提供了获取信息的依据。

2、信息获取 信息获取是指运用遥感技术装备接受、记录目标物电磁波特性的探测过程。信息获取所采用的遥感技术装备主要包括遥感平台和传感器。其中遥感平台是用来搭载传感器的运载工具,常用的有气球、飞机和人造卫星等; 传感器是用来探测目标物电磁波特性的仪器设备,常用的有照相机、扫描仪和成像雷达等。

3、信息处理 信息处理是指运用光学仪器和计算机设备对所获取的遥感信息进行校正、分析和解译处理的技术过程。信息处理的作用是通过对遥感信息的校正、分析和解译处理,掌握或清除遥感原始信息的误差,梳理、归纳出被探测目标物的影像特征,然后依据特征从遥感信息中识别并提取所需的有用信息。

4、信息应用 信息应用是指专业人员按不同的目的将遥感信息应用于各业务领域的使用过程。信息应用的基本方法是将遥感信息作为地理信息系统的数据源,供人们对其进行查询、统计和分析利用。遥感的应用领域十分广泛,最主要的应用有: 军事、地质矿产勘探、自然资源调查、地图测绘、环境监测以及城市建设和管理等。

三、遥感原理

振动的传播称为波。电磁振动的传播是电磁波。电磁波的波段按波长由短至长可依次分为: γ-射线、X-射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。电磁波的波长越短其穿透性越强。遥感探测所使用的电磁波波段是从紫外线、可见光、红外线到微波的光谱段。 太阳作为电磁辐射源,它所发出的光也是一种电磁波。太阳光从宇宙空间到达地球表面须穿过地球的大气层。太阳光在穿过大气层时,会受到大气层对太阳光的吸收和散射影响,因而使透过大气层的太阳光能量受到衰减。但是大气层对太阳光的吸收和散射影响随太阳光的波长而变化。通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有: 紫外、可见光和近红外波段。 地面上的任何物体(即目标物),如大气、土地、水体、植被和人工构筑物等,在温度高于绝对零度(0°k=-273.15)的条件下,它们都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性。当太阳光从宇宙空间经大气层照射到地球表面时,地面上的物体就会对由太阳光所构成的电磁波产生反射和吸收。由于每一种物体的物理和化学特性以及入射光的波长不同,因此它们对入射光的反射率也不同。各种物体对入射光反射的规律叫做物体的反射光谱。

四、遥感的分类

为了便于专业人员研究和应用遥感技术,人们从不同的角度对遥感作如下分类:

1、按搭载传感器的遥感平台分类

根据遥感探测所采用的遥感平台不同可以将遥感分类为:

地面遥感,即把传感器设置在地面平台上,如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等;

航空遥感,即把传感器设置在航空器上,如气球、航模、飞机及其它航空器等;

航天遥感,即把传感器设置在航天器上,如人造卫星、宇宙飞船、空间实验室等。

2、按遥感探测的工作方式分类 根据遥感探测的工作方式不同可以将遥感分类为:

主动式遥感,即由传感器主动地向被探测的目标物发射一定波长的电磁波,然后接受并记录从目标物反射回来的电磁波;

被动式遥感,即传感器不向被探测的目标物发射电磁波,而是直接接受并记录目标物反射太阳辐射或目标物自身发射的电磁波。

3、按遥感探测的工作波段分类 根据遥感探测的工作波段不同可以将遥感分类为:

紫外遥感,其探测波段在0.30.38um之间; 可见光,其探测波段在0.380.76um之间;

红外遥感,其探测波段在0.7614um之间; 微波遥感,其探测波段在1mm1m之间; 多光谱遥感,其探测波段在可见光与红外波段范围之内,

微波遥感 多谱段遥感

4 应用领域或专题:

环境遥感 大气遥感 资源遥感 海洋遥感 地质遥感 农业遥感 林业遥感

五、遥感技术的特点

遥感作为一门对地观测综合性技术,它的出现和发展既是人们认识和探索自然界的客观需要,更有其它技术手段与之无法比拟的特点。遥感技术的特点归结起来主要有以下三个方面: 1、探测范围广、采集数据快 遥感探测能在较短的时间内,从空中乃至宇宙空间对大范围地区进行对地观测,并从中获取有价值的遥感数据。这些数据拓展了人们的视觉空间,为宏观地掌握地面事物的现状情况创造了极为有利的条件,同时也为宏观地研究自然现象和规律提供了宝贵的第一手资料。这种先进的技术手段与传统的手工作业相比是不可替代的。 2、能动态反映地面事物的变化 遥感探测能周期性、重复地对同一地区进行对地观测,这有助于人们通过所获取的遥感数据,发现并动态地跟踪地球上许多事物的变化。同时,研究自然界的变化规律。尤其是在监视天气状况、自然灾害、环境污染甚至军事目标等方面,遥感的运用就显得格外重要。 3、获取的数据具有综合性 遥感探测所获取的是同一时段、覆盖大范围地区的遥感数据,这些数据综合地展现了地球上许多自然与人文现象,宏观地反映了地球上各种事物的形态与分布,真实地体现了地质、地貌、土壤、植被、水文、人工构筑物等地物的特征,全面地揭示了地理事物之间的关联性。并且这些数据在时间上具有相同的现势性。

六、我国遥感技术的农业应用现状

1农用地资源的监测与保护

在我国由于耕地的数量减少与质量下降耕地保护已成为实现农业可持续发展的一个重要战略任务遥感信息因其覆盖面大实时性和现势性强速度快周期性和准确可靠以及省时省力费用低等优点被广泛用于测定农用地的数量与质量的动态变化常用的土地利用遥感监测方法基本上分为两种逐个像元比较法和分类后比较法前者首先是对同一区域不同年份同一时相影像的光谱特征差异进行比较确定土地利用发生变化的位置在此基础上再采用分类的方法来确定土地利用变化信息该方法优点是先确定土地利用变化的位置缩小分类范围提高监测速度后者是针对整个监测区域的逐影像系列同一位置分类结果确定土地利用类型变化的位置和所属类型其优点是可以回避前一种方法所要求的影像系列一致的条件以及影像间辐射纠正匹配等问题但需要选择合适的分类方法来改善精度

在实际应用中,由于各种内在的和外界因素的影响,往往使分类结果不够理想,需要在常规的光谱分类技术的基础上,利用不同分类方法之间的优势互补、优化组合来提高分类精度。同时应用多源遥感和非遥感信息、与GISGPS结合。

2、农作物长势监测和大面积估产

作物长势是作物生育状况总体评价的综合参数。农作物长势监测指对作物的苗情、生长状况及其变化的宏观监测。美国从1974年开始大面积估产计划,90年代,农业遥感的重点转入作物管理。我国早期的农业遥感的重点也是在估产。从“六五”计划开始,开展了农作物遥感估产研究,并在区域尺度上开展估产试验。1983年起农业部先后组织北京近郊小麦、浙江嘉湖地区水稻及北方六省市小麦遥感估产。“八五”期间遥感估产成为科技攻关内容,小麦、玉米和水稻大面积遥感估产研究,取得了丰硕的成果。1998年,杨邦杰指出长势监测是农业遥感更为重要的任务。真正用于长势监测的研究起步较晚,且大多集中在冬小麦这一作物上。长势遥感监测的基础是必须有可用遥感监测的生物学指标。

3、农业气象灾害监测与预测

目前遥感灾害监测已经比较成熟地应用在干旱、洪涝、冻害等农业气象灾害的监测中。在这一点上,NOAA/AVHRR遥感影像具有独特的优势。NOAA/AVHRR卫星资源具有时间分辨率高、费用低廉的特征优势,尽管其空间分辨率较低,但在我国现阶段的国情国力基础下,作为灾害监测的遥感数据,不失为首选遥感信息源。

3.1干旱

我国目前较为常用的遥感监测干旱的方法为热惯量法和作物缺水指数法。

3.2冻害

应用遥感手段监测冻害,迅速估计灾害的发生与范围,具有重要的经济意义。杨邦杰等利用冻害发生期间气象台站的资料和同期气象卫星NOAA/AVHRR的所有晴空数据,根据植被指数NDVI突变的特征,结合作物的生育期,提出了实用的小麦冻害监测方法。

3.3洪涝灾害

遥感技术很早就用于洪水的监测工作,水利部遥感中心早在1983年就曾利用陆地卫星MSS图像监测了位于三江平原的挠力河的洪水,后来又采用NOAA/AVHRR、机载SAR、航空彩红外摄影等技术手段监测洪水,现阶段洪涝灾害遥感监测技术已经成熟,可利用NOAA/AVHRR卫星资料,从典型的地物波谱特征出发,建立洪涝水体的判别函数,进而进行面积量算。

3.4作物遥感模型

农业模型是国际上20世纪农业科学发展的一项重大成就,它起始于上世纪60年代。今天,在西方发达国家的科学界,农业模型已被公认为农业研究的一个重要新方法。农业模型由于将农业过程数字化,使农业科学从经验水平提高到理论水平。是农业科学在方法论上的一个新突破。我国作物模型的研究开始于20世纪80年代中期,机理性较强的有高亮之的水稻模型RICEMOD、戚昌翰的水稻模型RICAM、冯利平的小麦模型WHEASTSM、尚宗波的玉米模型MPESM等。这些模型能够反映作物生长和发育的基本生理生态机理和过程,具有动态性和通用性。但是各种作物模型对作物生理生态过程的描述有简有繁,参数取值差别较大,许多作物模型中采取了一系列的假设来描述未知的生理过程,使得精度降低。另外,由于模型所需的大量气候、土壤和作物特性资料不易得到,也增加了应用难度。需要进行深入的研究和矫正。