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后遥感应用技术与卫星遥感信息产业化

2014-10-22 21:20:54 来源: 核工业北京地质研究院,北京 作者:刘德长 叶发旺
聊聊

摘要:本文论述了卫星遥感技术的发展及应用现状。探讨了卫星遥感信息的产业化问题,认为,产业化是卫星遥感技术持续发展的动力,并提出后遥感应用技术的开拓是实现卫星遥感信息产业化的重要途径。 
  关键词:卫星遥感技术 后遥感应用技术 产业化  
  自1972年美国发射第一颗陆地卫星以来,遥感技术得到了迅速发展,成为空间技术最具发展潜力的高新技术之一。产业化是卫星遥感技术持续发展的动力。后遥感应用技术的开拓将是卫星遥感信息产业化的重要途径。 

1 卫星遥感技术的发展及应用现状 
1.1 信息获取技术的发展 
  信息获取技术的发展十分迅速,主要表现在以下几个方面: 
  (1)各种类型遥感平台和传感器的出现 
现已发展起来的遥感平台有地球同步轨道卫星(3500km)和太阳同步卫星(600~1000km)。传感器有框幅式光学仪器,缝隙,全景相机,光机扫描仪,光电扫描仪,CCD线阵,面阵扫描仪,微波散射计,雷达测高仪,激光扫描仪和合成孔径雷达等。它们几乎覆盖了可透过大气窗口的所有电磁波段,而且有些遥感平台还可以多角度成像,如三行CCD阵列可以同时得到3个角度的扫描成像;EOS Terra卫星上的MISR可同时从9个角度对地成像。 
  (2)空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率不断提高 
  仅从陆地卫星系列来看,20世纪70年代初美国发射的陆地卫星有4个波段(MSS),其平均光谱分辨率为150nm,空间分辨率为80米,重复覆盖周期为16-18天;80年代的TM增加到7个波段,在可见光到近红外范围的平均光谱分辨率为137nm,空间分辨率增加到30米;2000年后,出现增强型TM(ETM),其全色波段空间分辨率可达15米。法国SPOT4卫星多光谱波段的平均光谱分辨率为87nm,空间分辨率为20米,重复周期为26天;SPOT5空间分辨率最高可达2.5米,重复覆盖周期提高到1-5天。1999年发射的中巴资源卫星(CBERS)是我国第一颗资源卫星,最高空间分辨率达19.5米,重复覆盖周期为26天。1999年发射的美国IKONOS-2卫星可获得4个波段4米空间分辨率的多光谱数据和1个波段1米空间分辨率的全色数据。IKONOS发射稍后,又出现了空间分辨率更高的OrbView-3(轨道观察3号)和Quickbird(快鸟),其最高空间分辨率分别达1米和0.62米。 
  (3)高光谱遥感技术的兴起 
20世纪80年代遥感技术的最大成就之一是高光谱遥感技术的兴起[1]。第一代航空成像光谱仪以AIS—1和AIS—2为代表,光谱分辨率分别为9.3nm和10.6nm;1987年,第二代高光谱成像仪问世,即美国宇航局(NASA)研制的航空可见光/红外成像光谱仪(AVIRIS),其光谱分辨率为10nm;EOSAM—1(Terra)卫星上的MODIS具有36个波段。如今的卫星高光谱分辨率可达到10nm,波段几百个,如在轨的美国EO-1高光谱遥感卫星上的Hyperion传感器,具有220个波段,光谱分辨率为10nm。我国“九五”研制的航空成像光谱仪为128个波段。 
1.2 信息处理技术的发展 
  遥感信息处理技术最早为光学图像处理,后来发展成为遥感数字图像处理。1963年,加拿大测量学家R.F.Tomlinson博士提出把常规地图变成数学形式的设想,可以看成是数字图像的启蒙;到1972年随美国陆地卫星的发射,遥感数字图像处理技术才真正地发展起来。随着遥感信息获取技术、计算机技术、数学基础科学等的发展,遥感图像处理技术也获得了长足的进展。主要表现在图像的校正与恢复,图像增强,图像分类,数据的复合与GIS的综合,高光谱图像分析,生物物理建模,图像传输与压缩等方面。其中图像的校正与恢复的方法已经比较成熟。图像增强方面目前已发展了一些软件化的实用处理方法,包括辐射增强,空间域增强,频率域增强,彩色增强,多光谱增强等。图像分类,是遥感图像处理定量化和智能化发展的主要方面,目前比较成熟的是基于光谱统计分析的分类方法,如监督分类和非监督分类。为了提高基于光谱统计分析的分类精度和准确性,出现了一些光谱特征分类的辅助处理技术,如上下文分析方法,基于地形信息的计算机分类处理,辅以纹理特征的光谱特征分类法等。近几年出现了一些遥感图像计算机分类的新方法,如神经网络分类器,基于小波分析的遥感图像分类法,基于分形技术的遥感图像分类,模糊聚类法,树分类器,专家系统方法等[2]。在高光谱遥感信息处理方面,也发展了许多处理方法,如光谱微分技术,光谱匹配技术,混合光谱分解技术,光谱分类技术,光谱维特征提取方法等。这些方法均已在高光谱图像处理中得到应用。

1.3 遥感技术应用现状 
  总体上说,遥感技术的应用已经相当广泛,应用深度也不断加强。目前,在地学科学、农业、林业、城市规划、土地利用、环境监测、考古、野生动物保护、环境评价、牧场管理等各个领域均有不同程度的应用,遥感技术也已成为实现数字地球战略思想的关键技术之一。地球科学中的矿产勘查,地质填图等是较早应用遥感技术的领域,随着遥感技术的发展,其应用潜力还可以不断地挖掘;在精细农业、环境评价、数字城市等新领域,遥感技术的应用潜力巨大。此外,GIS技术,虚拟现实技术、GPS技术、数据库技术等的快速发展也无疑为遥感技术的更广、更深的应用提供了技术支持。 
  总之,卫星遥感技术的迅速发展,把人类带入了立体化、多层次、多角度、全方位和全天候地对地观测的新时代。 

2 产业化是卫星遥感技术持续发展的动力 
2.1 卫星遥感技术蕴藏着巨大的产业化前景 
  遥感技术应用的基础是遥感信息的获取。地物在遥感图像上形成各种信息是一个复杂的过程,这个复杂过程是由人类生活的真实地表空间的复杂性、千变万化性和成像过程的复杂性共同决定的。具体地说,人类生存的地表空间是复杂的,是宏观有序,微观混乱的地理综合体,成像获取的遥感图像的光谱值是混合光谱,受多种因素的影响。从信息论角度来讲,遥感成像过程是信息从多到少的映射,是个确定过程,是把一个千变万化、形形色色的地球表面高度概括、总结、选择、压缩的过程。正是这个过程,使得遥感影像中包含的信息具有宏观性、多样性、综合性、周期性、量化等特点。这些特点决定了遥感影像中包含着人类生产活动各个研究和应用领域所需要和感兴趣的信息,各个研究和应用部门均可以从不同的遥感影像中提取和挖掘出自己感兴趣的有用的信息,为本部门的发展和应用服务,为国民经济建设服务。这也就是遥感信息具有跨部门,跨学科的特点。遥感信息的上述特点决定了遥感技术从一起源就蕴藏着巨大的产业化前景。 
2.2 卫星遥感技术发展的不平衡性需要加速产业化 
  卫星遥感信息的获取技术得到了惊人的发展,空间分辨率和光谱分辨率已经达到相当高的程度。一个空间分辨率由公里级,百米级,到米级,分米级,光谱分辨率由几百个纳米,几十个纳米,到几个纳米的多空间尺度、多光谱尺度以及多时间尺度的海量卫星遥感数据的获取技术已经形成,但卫星遥感信息的应用则相对发展滞后,出现了卫星遥感获取技术的快速发展与信息应用滞后的矛盾。这个矛盾使得人们在欣喜地获得大量可用数据的同时,却在解决实际问题时仍然对知识万分饥渴,深感信息的短缺。这主要是因为卫星遥感影像信息的应用过程远比获取过程要复杂的多。遥感图像的解译和应用过程是信息从少到多的映射,是个不确定过程,无法从数学上直接求得确定解。从信息论来说,是因为遥感成像过程在保留了总体信息的同时,压缩了细节信息,同时又加入了噪音,减少了信息量,从而使遥感影像上所携带的信息量不足表达人们所希望求解的诸多地理对象内在的不确定度。这种不确定性程度因不同对象而不同。我们可以把遥感信息应用过程看成是一个信息传递系统,一个将遥感数据转换为可用信息的过程。而遥感数据到信息的转换,是由业务用户的信息需求所驱动的,选择什么样的模型以及最终达到什么样的目的完全因应用部门而异。由于支持“数据到信息”过程的基础知识很少和短缺,限制了遥感数据直接产生经济和社会效益,从而影响了遥感数据的应用广度和深度。因此,要加强卫星遥感技术向国民经济和社会发展诸多行业和领域的渗透、辐射,与各行业、领域的传统方法相结合,而不是排斥和完全代替,以提升传统行业、发展新兴行业,加速卫星遥感技术产业化的进程。 
2.3 实用化是产业化的前提 
   卫星遥感技术具有其他技术不可替代的优势,但也有它的局限性,主要表现在: 
  (1)遥感技术在电磁波谱中仅反映地物从可见光到微波段(038um-100cm)电磁波谱的辐射特性,而不反映其它波谱段的地物特性。因此,它不能代替地球物理、地球化学等方法,但它可与其集成,发挥信息互补效应。

  (2)卫星遥感信息主要反映是近地表的现象、区域和运动状态等。这一局限性与人类在地球科学和其他科学研究中不断向地下深处发展之间产生了矛盾。这一矛盾使得遥感技术在不同行业和领域的应用程度可能会因应用领域的深入而受到影响。 
  (3)卫星遥感信息获取过程的确定性与信息应用反演时的不确定性产生了明显的矛盾。这一矛盾使卫星遥感技术在各行业和领域深入应用的效果受各种因素影响大,效果好坏不定。 
我们之所以强调这些局限性是因为只有正确地认识到卫星遥感技术的优势和局限性,才能扬其所长,补其所短,使它更加实用化。 
  显然,卫星遥感数据的深入应用仅靠遥感技术和遥感知识是完全不够的。实现遥感数据良好和深入的应用需要三方面的信息和知识,一是遥感信息和相关的处理技术;二是应用领域的专业信息和相关技术及知识;三是借鉴其他领域先进的信息技术。只有这三方面知识和技术的共同支持,应用部门才能更加准确地提取和理解赋存于卫星遥感数据中的专门信息,有效地服务于生产和研究。这三个方面的信息和技术可归纳为两个结合,即遥感技术与各应用领域的专业技术相结合,遥感技术与其他现代信息技术相结合。这两方面的结合方式和结合的紧密程度与应用部门或个人感兴趣的目标地物赋存的地理空间及复杂性有密切关系。正是由于这种赋存地理空间的差异和对象属性、运动状态的复杂性差异,不同部门在进行遥感信息应用时,采用上述两个结合的程度也不同,遥感信息的应用广度和深度也有差异。无论对哪个应用部门,哪个学科或个人,不断深入地应用遥感信息来有效地解决问题,上述这两个结合都是必要的。换句话说,发挥快速发展的遥感技术的强大优势,结合各行业和领域的传统有效的方法技术,整合现代信息技术,发展交叉技术,从多学科,广视角来解决各行业和领域遇到的实际问题,有利于卫星遥感技术的实用化,从而有利于推动卫星遥感技术的产业化。 
2.4 商业化是产业化的催化剂 
在市场经济的大背景下,实用化→商业化→产业化是产业化的必由之路。没有实用化,就谈不上商业化,没有商业化就形成不了产业,没有产业化的推动,任何一项高新技术,包括卫星遥感技术就不可能持续的发展下去。 
所谓商业化就是要将卫星遥感技术作为商品在市场经济大环境下进行竞争,形成卫星遥感技术的规范化、规模化市场。促进卫星遥感技术商业化就要转变观念,树立竞争意识,进行技术创新,研制开发新一代高水平的遥感卫星,提供高质量、具优势的产品。同时,采用成熟技术,商业现货产品和发射小型卫星的办法降低生产成本。扩大市场需求,提供不同档次级别的图像产品和增益产品,培养个体用户,大力发展个人图像服务。改变传统作业方式,实行商业运作,加强数字提供商与信息增值服务商之间的合作,逐步增大纯商业化系统的比例。采取符合市场经济规律的正确方针和有力措施,进行综合经营,实行薄利多销。遥感卫星产业包括卫星制造业,发射服务业、地面应用的服务业和地面设备制造业等。地面应用服务业包括代销或经销其他公司或非商业化的民用遥感产品等。 

3 后遥感应用技术的开拓是卫星遥感信息产业化的重要途径 
  陈述彭院土在评述“2003遥感科技论坛”[3]时指出:“2003年大会征集的学术论文,体现了观念更新,技术创新的前沿视角。例如……提出‘后遥感应用技术’的理念,呼吁加速遥感信息产业化的进程……,令人耳目一新”。他一语道破了后遥感应用技术与遥感信息产业化的关系。 
后遥感应用技术的理念包含的技术内涵是指将遥感技术与各学科的传统地学方法相结合,与其他现代信息技术相结合的遥感信息深化应用技术,其内容涵盖信息处理、信息解译、信息分析、信息表述和信息应用等一整套方法技术系统。它的目的是最大限度地利用信息资源。它与遥感技术的内涵既有相同之处,又有区别。它们的异同在于后遥感应用技术的理念是从遥感技术深化应用的角度提出来的,它突出强调的是遥感技术内涵中的后一部分,即遥感信息的处理和应用过程,而没有包含遥感技术内涵中信息获取技术。因此,从技术内涵来看,后遥感应用技术的理念体现了遥感技术内涵在当今发展的不平衡性,既继承了遥感技术内涵的信息处理与应用部分,又对这一部分的技术内涵进行了分离、扩展和延伸,使遥感信息处理与应用的含义更加明确,内容更加丰富,技术更加充实,应用更加有效,突出表达了加快遥感技术本身固有的巨大产业化进程的特点和趋势。 
  后遥感应用技术的理念是我们在铀资源勘查中长期探索遥感技术深化应用的基础上,结合现代信息技术的新进展提出来的,并对它在铀资源勘查领域的技术构成,研究内容,应用程序,应用效果等进行了探索[4,5]。 
通过遥感技术来解决地质学问题(包括铀资源勘查),尤其是解决寻找深部矿床问题远比用遥感技术来解决气象、农业、林业、城市规划、环境监测等领域的问题要困难得多。原因在于,地质领域大多数问题都是长期地质历史演化的产物,变化周期长,动态性不明显,且多数在地下深处。这就决定了在地质学应用领域,遥感信息在大多数情况下只能间接地被使用,且具有更多的不确定性。因此,在铀资源勘查领域,或者说整个地质学领域,遥感技术的应用更需要与多学科的专业信息、专业技术相结合,与更多的先进信息技术相结合。 
在铀资源勘查领域,后遥感应用技术理念的技术内涵是指,在信息源上集遥感信息、地球物理信息、地球化学信息、地质信息等多源地学信息为一体,在技术方法上集遥感信息处理技术、数字摄影测量技术、GIS技术、GPS技术、三维可视化技术、仿真-虚拟技术以及传统地学研究方法为一体的信息综合应用技术。它的最初目标是深入挖掘、理解和应用赋存在多层次,多类型遥感等多源数据中的与铀资源勘查有关的有效信息。它的最终目标是建立虚拟的铀资源勘查区,以实现对铀资源的虚拟勘查。 
  铀资源勘查后遥感应用技术理念包含的研究内容主要有:铀资源数字勘查区构建技术研究;遥感信息与其他地学信息集成技术研究;地学信息三维可视化分析技术研究;铀资源虚拟找矿和虚拟勘探技术研究以及铀成矿过程与作用的仿真模拟技术研究等。随着研究工作的深入,研究内容会更加丰富和实用。 
铀资源勘查后遥感应用技术的理念的应用大致可分为五个步聚:第一步是数据准备。第二步是数据挖掘,就是通过遥感图像专题处理,信息集成,数理统计,网络分析,人工智能等方式从已有数据中挖掘出有用信息。第三步是知识发现,就是把所有的数据和挖掘出来的信息通过数库仓库来管理,并通过空间分析和三维可视化等方式从多视角,多学科方面来发现信息存在的特征和规律。第四步是对发现的规律和认识进行概念化和模型化,并通过虚拟-仿真进行过程和环境再现,提高对已发现的规律的认知深度。第五步是决策,根据实际考察,优选决策方案。在实际应用过程中,可根据应用需要的不同进行修改或步骤跨越。 
  在后遥感应用技术理念的指导下,结合铀资源勘查进行了方法技术与地质应用效果的示范研究,取得了明显的效果。实践表明,在铀资源勘查领域,后遥感应用技术比起单一的遥感技术具有更大的实用价值和更好的应用效果。 
虽然后遥感应用技术的理念是从铀资源勘查的角度提出来的,但它强调指出了遥感技术深化应用研究和促进遥感信息产业化的时代要求和思路,其技术内涵不仅体现遥感技术本身发展和应用的需要,也体现信息技术时代社会各学科发展进步的需要。无疑,它的提出和开拓不仅会促进遥感技术本身的发展,同时也会促进与遥感技术有关的其它学科的发展。这将会大大加快卫星遥感技术产业化的步伐,是卫星遥感信息产业化的重要途径。 

参考文献 
[1] 郑兰芬,王晋年,.成像光谱遥感技术及其图像光谱信息提取的分析研究[J].环境遥感,1992,7(1):49-58 
[2] 周成虎,等.遥感影像地学理解与分析[M].北京:科学出版社,2001 
[3] 庄逢甘, 陈述彭主编.2003遥感科技论坛:中国遥感应用协会2003年年会论会集.北京:宇航出版社,2003 
[4] 刘德长,叶发旺等.后遥感应用技术的提出与地质应用-以鄂尔多斯盆地东胜-神木地区铀资源勘查为例[J].国土资源遥感,2004,第1期. 
[5] 刘德长,叶发旺.后遥感应用技术的提出与思考[J],世界核地质科学,2004,第1期

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