第一章空间信息技术基础知识

第1章空间信息技术相关基础知识1第1章空间信息技术相关基础知识1.1遥感1.1.1遥感基本概念广义而言，遥感（RemoteSensing）泛指各种非直接接触的、远距离探测目标的技术。主要根据物体对电磁波的反射和辐射特性对目标进行采集，利用声波、引力波和地震波等也都包含在广义的遥感之中。通常人们所认为的遥感的概念是指：从远距离、高空，以至外层空间的平台（Platform）上，利用可见光、红外、微波等遥感器（RemoteSensor）,通过摄影、扫描等各种方式，接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的综合技术。利用遥感技术，通过观测电磁波，从而判读和分析地表的目标及现象，是利用了物体的电磁波特性，即“一切物体，由于其种类及环境条件的不同，因而具有反射或辐射不同波长的电滋波的特性”。所以遥感也可以说是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，通过观测电滋波达到识别物体及物体存在的环境条件的技术。远距离感测地物环境反射或辐射电磁波的仪器，叫做遥感器，照相机、扫描仪等即属于此类。装载遥感器的运载工具，叫做遥感平台，如飞机、飞艇和人造卫星等。遥感这一词汇是20世纪60年代在美国创造的技术用语，它是用来综合以前所使用的摄影测量、像片判读、地质摄影而提出的。特别是1972年，随着第一颗地球观测卫星Landsat的发射成功而迅速得到普及。遥感研究的内容，由于应用领域及其所研究的对象的千差万别而显得形形色色，但它们都是通过接收电磁波，来识别和分析地表的目标及现象的。因此，利用遥感技术，就是利用了物体的电磁波特征，即一切物体，由于其种类及环境条件的不同，因而具有反射或辐射不同波长电磁波的特性。从理论上讲，对整个电磁波波段都可以进行遥感（表1.1），但是由于受到大气窗口和技术水平的限制，目前只能在有限的几个波段上进行，其中最重要的波段为可见光和近红外波段、中红外和热红外波段、微波波段等。在这些遥感波段上，物体所固有的电磁波特性还要受到太阳及大气等环境条件的影响，因而遥感器接收到目标反射或辐射的电磁波后，还需进行校正处理及解译分析，才能得到各个领域的有效信息。第1章空间信息技术相关基础知识2表1.1电滋波的分类名称名称波长范围频率范围紫外线10nm～0.4μm750～3,000THZ可见光线0.4～0.7μm430～750THZ红外线近红外短波红外中红外热红外远红外0.7～1.3μm1.3～3μm3～8μm8～14μm14μm～1mm230～430THZ100～230THZ38～100THZ22～38THZ0.3～22THZ电波亚毫米波0.1～1mm0.3～3THZ微波毫米波（EHF）厘米波（SHF）分米波（UHF）1～10mm1～10cm0.1～1m30～300GHZ3～30GHZ0.3～3GHZ超短波（VHF）短波（HF）中波（MF）长波（LF）超长波（VLF）1～10m10～100m0.1～1km1～10km10～100km30～300MHZ3～30MHZ0.3～3MHZ30～300KHZ3～30KHZ1.1.2遥感的主要分类·按遥感平台的高度分类大体上可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感三种。航天遥感又称太空遥感（spaceremotesensing）泛指利用以各种太空飞行器为平台的遥感技术系统，以地球人造卫星为主体，包括载人飞船、航天飞机和太空站，有时也把各种行星探测器包括在内。卫星遥感（satelliteremotesensing）为航天遥感的组成部分，以人造地球卫星作为遥感平台，主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。航空遥感泛指从飞机、飞艇、气球等空中平台对地观测的遥感技术系统。地面遥感主要指以高塔、车、船为平台的遥感技术系统，地物波谱仪或传感器安装在这些地面平台上,可进行各种地物波谱测量。·按所利用的电磁波的光谱段分类可分为可见光/反射红外遥感、热红外遥感、微波遥感三种类型。可见光／反射红外遥感，主要指利用可见光（波长0.4-0.7微米）和近红外（波长0.7-2.5微米）波段的遥感技术统称，前者是人眼可见的波段,后者即是反射红外波段，人眼虽不能直接看见,但其信息能被特殊遥感器所接受。它们的共同的特点是，其辐射源是太阳，在这二个波段上只反映地物对太阳辐射的反射，根据地物反射率的差异，就可以获得有关目标物的信息，它们都可以用摄影方式和扫描方式成像。热红外遥感，指通过红外敏感元件，探测物体的热辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术的统称。遥感中指8-14微米波段范围。地物在常温（约300K）下热辐射的绝大部分能量位于此波段，在此波段地物的热辐射能量，大于太阳的反射能量。热红外遥感具有昼夜工作的能力。第1章空间信息技术相关基础知识3微波遥感，指利用波长1-1000毫米电磁波遥感的统称。通过接收地面物体发射的微波辐射能量，或接收遥感仪器本身发出的电磁波束的回波信号，对物体进行探测、识别和分析。微波遥感的特点是对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天候工作。·按研究对象分类可分为资源遥感与环境遥感两大类。资源遥感：以地球资源作为调查研究的对象的遥感方法和实践，调查自然资源状况和监测再生资源的动态变化，是遥感技术应用的主要领域之一。利用遥感信息勘测地球资源，成本低，速度快,有利于克服自然界恶劣环境的限制，减少勘测投资的盲目性。环境遥感：利用各种遥感技术，对自然与社会环境的动态变化进行监测或作出评价与预报的统称。由于人口的增长与资源的开发、利用，自然与社会环境随时都在发生变化，利用遥感多时相、周期短的特点，可以迅速为环境监测、评价和预报提供可靠依据。·按应用空间尺度分类可分为全球遥感、区域遥感和城市遥感。全球遥感：全面系统地研究全球性资源与环境问题的遥感的统称区域遥感：以区域资源开发和环境保护为目的的遥感信息工程，它通常按行政区划（国家、省区等）和自然区划（如流域）或经济区进行。城市遥感：以城市环境、生态作为主要调查研究对象的遥感工程。1.1.3目前遥感技术发展的特点（1）追求更高的空间分辨率。目前空间分辨率，多波段为20m，全色波段为10m，但已有好几颗卫星计划装载空间分辨率优于10m的遥感器。（2）追求更精细的光谱分辨率。目前星载遥感器的光谱率大约为可见近红外波段略优于100nm（10-4m），在热红外波段约为200nm左右，而机载的成像光谱仪已达到可见光、近红外波段约10nm，热红外波段约30nm左右，整个波段数已达到256个波段。美国制定的EOS计划（地球观测计划）就包括有中分辨率和高分辨率的成像光谱仪。（3）综合多种遥感器的遥感卫星平台。一颗卫星装备多种遥感器，既有高空间光谱分辨率，窄成像带的遥感器，适合于小范围详细研究，又有中低空间、光谱分辨率、宽成像带的遥感器，适合宏观快速监测，二者综合，服务不同的需求目的。（4）多波段、多极化、多模式合成孔径雷达卫星。合成孔径雷达具有全天侯和高空间分辨率等特点。目前已有几颗卫星装备有单波段、单极化的合成孔径雷达。1995年11月4日加拿大发射的Radarsat（雷达卫星）就具有多模式的工作能力，能够改变空间分辨率、入射角、成像宽度和侧视方向等工作参数。1995年美国航天飞机两次飞行试验了多波段、多极化合成孔径雷达。（5）斜视、立体观测、干涉测量技术的发展。可见光斜视、立体观测可以用于卫星地形测绘,干涉测量技术是利用相邻两次的合成孔径雷达影像进行地形测量和微位第1章空间信息技术相关基础知识4移形变测量的技术。目前法国的SPOT卫星已具备斜视立体观测能力，进行地形测绘的技术取得重大进展，但仍未完全实用化。干涉测量技术在欧空局的ERS-1卫星C波段SAR计划中进行过实验。法国一个小组利用这项计划研究了火山爆发后火山锥的变化，但这项技术仍有待研究发展。1.1.4电磁波及其波谱描述电磁波主要有4个量：频率（波长）、传播方向、振幅和偏振。振幅的平方就是强度，对应着遥感影像中的强度、亮度。传播方向在遥感系统中也起着重要作用，主要是涉及到辐射源、地物和遥感平台间三者的位置关系。偏振是指电磁波的电场振动的方向,对于可见光和红外遥感，尚没有开发利用这个性质。在微波遥感中，偏振被称为极化，对于雷达，考虑到发射和接收各有水平和垂直极化两种选择，共有4种组合，极化是微波遥感中的一个重要参数。频率、波长二个量有密切关系，λf=v，v是电磁波在传播媒介中的传播速度，在真空中的速度就是常说的光速C=2.998×108m/s，在空气中的传播速度接近于光速。电磁波的频谱很宽，波长从小于10-10m到104m以上，相对应的频率从1015Hz以上到100，跨度达15个数量级。遥感波段的辐射源不同，辐射与地物相互作用的机理就不同，因此所反映的信息也不同。在可见光、近红外波段，主要反射太阳的辐射，遥感信息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质之外，更主要的是有方向性，与辐射源所处的方位以及遥感器的方位都有关。反射率的另一个特点是所谓的谱特性，就是说反射率还随波长变化而变化。日常生活中各种物体呈现五彩缤纷的色彩，就是因为其吸收反射光谱特性而表现出来的。我们能够利用遥感信息识别不同地物的一个根本原因就是因为各种地物间光谱特性具有一定的差异。但是相近的物质其光谱反射率曲线形状相似，这给遥感信息的识别分类带来了困难。而一些环境因子（如水份含量多少）或混合物中组分的变化导致光谱反射率曲线在某些特定波长处的波谷波峰强度变化，这种强度变化与组分含量有定量关系存在，这正是遥感定量分析的基础。对于热红外波段，主要是地物自身的热辐射，按照热辐射理论，所遥感的信息是地物的辐射亮温，它与地物的物理温度和发射率有关。地物的物理温度一方面随时间有周期性变化，另一方面不同地物由于自身热力学特性（吸收率、热传导、热容量等）不同，而具有一定的空间分布。被动式微波遥感（微波辐射计）同热红外遥感相似，只是在微波波段地物的辐射能量更加微弱，因而空间分辨率更低。微波波长比红外波长更长，其发射率对介电特性的依赖更大。主动式微波遥感（雷达）则反映了地物的后向散射特性，这主要与物体的复介电常数有关（最敏感的因素是水分的含量及水的状态（相））；另外还与地物的几何形态有关，第1章空间信息技术相关基础知识5如连续表面的粗糙程度，离散散射体的排列、取向、密度等。1.1.5遥感器（RemoteSensor）遥感器也称传感器、探测器，是远距离感测地物环境辐射或反射电磁波的磁仪器，通常安装在不同类型和不同高度的遥感平台上。按遥感器本身是否带有电磁波发射源可分为主动式（有源）遥感器和被动式（无源）遥感器两类。主动式的遥感器向目标物发射电磁波，然后收集目标物反射回来的电磁波的遥感器，目前，在主动式遥感器中，主要使用激光和微波作为辐射源；被动式的是一种收集太阳光的反射及目标，自身辐射的电磁波的遥感器，它们工作在紫外，可见光，红外，微波等波段，目前，这种传感器占太空遥感器的绝大多数。按遥感器记录数据的不同形式，它又可分成像遥感器和非成像遥感器，前者可以获得地表的二维图像；后者不产生二维图像。在成像传感器中又可分细分为摄影式成像遥感器（相机）和扫描式成像遥感器，相机是最古老和常用的遥感器，具有信息贮存量大，空间分辩率高、几何保真度好和易于进行纠正处理。空间扫描方式和物空间扫描方式两种。前一种方式的代表是电视报像机，后一种方式的代表是光机扫描仪。推帚式扫描仪（固体扫描仪,也叫CCD摄影机）是两种方式的混合，即在行进的重直方向上是图像平面扫描,在行进方向上是目标平面扫描。从可见光到红外区的光学领域的遥感器统称光学遥感器，微波领域的传感器统称微波遥感器。地表物质的组成极为复杂多样，要充分探测它的各方面特性，最理想的办法无疑是全波段探测，因为单一波段的探测只能反映某几个方面特性，常常遗失掉可能是主要的信息内容，不能反映出目标的全貌，对以后的目标识别造成困难等等，但全波段探测需要的设备太多太复杂在实践中未必可能，也不一定必要，目前的做法是采用若干个典型的波段，对同一个目标同时进行探