第一章空間資訊科技基礎知識

2021-04-14 23:58:29 字數 4680 閱讀 7591

廣義而言,遙感(remote sensing)泛指各種非直接接觸的、遠距離探測目標的技術。主要根據物體對電磁波的反射和輻射特性對目標進行採集,利用聲波、引力波和**波等也都包含在廣義的遙感之中。

通常人們所認為的遙感的概念是指:從遠距離、高空,以至外層空間的平台(platform)上,利用可見光、紅外、微波等遙感器(remote sensor),通過攝影、掃瞄等各種方式,接收來自地球表層各類地物的電磁波資訊,並對這些資訊進行加工處理,從而識別地面物質的性質和運動狀態的綜合技術。

利用遙感技術,通過觀測電磁波,從而判讀和分析地表的目標及現象,是利用了物體的電磁波特性,即「一切物體,由於其種類及環境條件的不同,因而具有反射或輻射不同波長的電滋波的特性」。所以遙感也可以說是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性,通過觀測電滋波達到識別物體及物體存在的環境條件的技術。

遠距離感測地物環境反射或輻射電磁波的儀器,叫做遙感器,照相機、掃瞄器等即屬於此類。裝載遙感器的運載工具,叫做遙感平台,如飛機、飛艇和人造衛星等。

遙感這一詞彙是20世紀60年代在美國創造的技術用語,它是用來綜合以前所使用的攝影測量、像片判讀、地質攝影而提出的。特別是2023年,隨著第一顆地球觀測衛星landsat的發射成功而迅速得到普及。

遙感研究的內容,由於應用領域及其所研究的物件的千差萬別而顯得形形色色,但它們都是通過接收電磁波,來識別和分析地表的目標及現象的。因此,利用遙感技術,就是利用了物體的電磁波特徵,即一切物體,由於其種類及環境條件的不同,因而具有反射或輻射不同波長電磁波的特性。從理論上講,對整個電磁波波段都可以進行遙感(表1.

1),但是由於受到大氣視窗和技術水平的限制,目前只能在有限的幾個波段上進行,其中最重要的波段為可見光和近紅外波段、中紅外和熱紅外波段、微波波段等。在這些遙感波段上,物體所固有的電磁波特性還要受到太陽及大氣等環境條件的影響,因而遙感器接收到目標反射或輻射的電磁波後,還需進行校正處理及解譯分析,才能得到各個領域的有效資訊。

表1.1 電滋波的分類名稱

·按遙感平台的高度分類大體上可分為航天遙感、航空遙感和地面遙感三種。航天遙感又稱太空遙感(space remote sensing)泛指利用以各種太空飛行器為平台的遙感技術系統,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台,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、氣球等空中平台對地觀測的遙感技術系統。地面遙感主要指以高塔、車、船為平台的遙感技術系統,地物波譜儀或感測器安裝在這些地面平台上,可進行各種地物波譜測量。

·按所利用的電磁波的光譜段分類可分為可見光/反射紅外遙感、熱紅外遙感、微波遙感三種型別。

可見光/反射紅外遙感,主要指利用可見光(波長0.4-0.7微公尺)和近紅外(波長0.

7-2.5微公尺)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,但其資訊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資訊,它們都可以用攝影方式和掃瞄方式成像。

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影象的遙感技術的統稱。遙感中指8-14微公尺波段範圍。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公釐電磁波遙感的統稱。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訊號,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候工作。

·按研究物件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物件的遙感方法和實踐,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。利用遙感資訊勘測地球資源,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。

·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資訊工程,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。

城市遙感:以城市環境、生態作為主要調查研究物件的遙感工程。

(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,但已有好幾顆衛星計畫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計畫(地球觀測計畫)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台。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,適合巨集觀快速監測,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。

2023年11月4日加拿大發射的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引數。2023年美國太空梭兩次飛行試驗了多波段、多極化合成孔徑雷達。

(5)斜視、立體觀測、干涉測量技術的發展。可見光斜視、立體觀測可以用於衛星地形測繪,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計畫中進行過實驗。法國乙個小組利用這項計畫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。

描述電磁波主要有4個量:頻率(波長)、傳播方向、振幅和偏振。振幅的平方就是強度,對應著遙感影像中的強度、亮度。

傳播方向在遙感系統中也起著重要作用,主要是涉及到輻射源、地物和遙感平台間三者的位置關係。 偏振是指電磁波的電場振動的方向,對於可見光和紅外遙感,尚沒有開發利用這個性質。在微波遙感中,偏振被稱為極化,對於雷達,考慮到發射和接收各有水平和垂直極化兩種選擇,共有4種組合, 極化是微波遙感中的乙個重要引數。

頻率、波長二個量有密切關係, λf = v, v是電磁波在傳播媒介中的傳播速度,在真空中的速度就是常說的光速c=2.998×108m/s,在空氣中的傳播速度接近於光速。

電磁波的頻譜很寬,波長從小於10-10 m 到104 m 以上, 相對應的頻率從1015 hz 以上到100,跨度達15個數量級。

遙感波段的輻射源不同,輻射與地物相互作用的機理就不同,因此所反映的資訊也不同。在可見光、近紅外波段,主要反射太陽的輻射,遙感資訊所反映的主要是地物的反射率。地物反射率除了反映地物固有的性質之外,更主要的是有方向性,與輻射源所處的方位以及遙感器的方位都有關。

反射率的另乙個特點是所謂的譜特性,就是說反射率還隨波長變化而變化。日常生活中各種物體呈現五彩繽紛的色彩,就是因為其吸收反射光譜特性而表現出來的。我們能夠利用遙感資訊識別不同地物的乙個根本原因就是因為各種地物間光譜特性具有一定的差異。

但是相近的物質其光譜反射率曲線形狀相似,這給遙感資訊的識別分類帶來了困難。而一些環境因子(如水份含量多少)或混合物中組分的變化導致光譜反射率曲線在某些特定波長處的波谷波峰強度變化,這種強度變化與組分含量有定量關係存在,這正是遙感定量分析的基礎。

對於熱紅外波段,主要是地物自身的熱輻射,按照熱輻射理論,所遙感的資訊是地物的輻射亮溫,它與地物的物理溫度和發射率有關。地物的物理溫度一方面隨時間有週期性變化,另一方面不同地物由於自身熱力學特性(吸收率、熱傳導、熱容量等)不同,而具有一定的空間分布。

被動式微波遙感(微波輻射計)同熱紅外遙感相似,只是在微波波段地物的輻射能量更加微弱,因而空間解析度更低。微波波長比紅外波長更長,其發射率對介電特性的依賴更大。

主動式微波遙感(雷達)則反映了地物的後向散射特性,這主要與物體的復介電常數有關(最敏感的因素是水分的含量及水的狀態(相));另外還與地物的幾何形態有關,如連續表面的粗糙程度,離散散射體的排列、取向、密度等。

遙感器也稱感測器、探測器,是遠距離感測地物環境輻射或反射電磁波的磁儀器,通常安裝在不同型別和不同高度的遙感平台上。

按遙感器本身是否帶有電磁波發射源可分為主動式(有源)遙感器和被動式(無源)遙感器兩類。主動式的遙感器向目標物發射電磁波,然後收集目標物反射回來的電磁波的遙感器,目前,在主動式遙感器中,主要使用雷射和微波作為輻射源;被動式的是一種收集太陽光的反射及目標,自身輻射的電磁波的遙感器,它們工作在紫外,可見光,紅外,微波等波段,目前,這種感測器佔太空遙感器的絕大多數。按遙感器記錄資料的不同形式,它又可分成像遙感器和非成像遙感器,前者可以獲得地表的二維影象;後者不產生二維影象。

在成像感測器中又可分細分為攝影式成像遙感器(相機)和掃瞄式成像遙感器,相機是最古老和常用的遙感器,具有資訊貯存量大,空間分辯率高、幾何保真度好和易於進行糾正處理。空間掃瞄方式和物空間掃瞄方式兩種。前一種方式的代表是電視報像機,後一種方式的代表是光機掃瞄器。

推帚式掃瞄器(固體掃瞄器,也叫ccd攝影機)是兩種方式的混合,即在行進的重直方向上是影象平面掃瞄,在行進方向上是目標平面掃瞄。從可見光到紅外區的光學領域的遙感器統稱光學遙感器,微波領域的感測器統稱微波遙感器。

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