-.z.北京師范大學遙感前沿講座論文綜述遙感數據獲取、遙感根底理論及遙感應用的現狀及開展趨勢專業：地理科學姓名：_________**：_________聯系電話：________教學點北京師范大學地理學與遙感科學學院2013/01/18目錄引言21、遙感衛星數據獲取與處理的流程21.1數據接收21.2數據記錄21.3數據的傳輸、歸檔與發布402504\h21.3.1數據傳輸2數據歸檔2數據發布21.4數據處理2數據存儲2產品處理22.遙感根底研究及應用22.1遙感根底研究的范疇22.2遙感根底研究的方向22.3遙感根底研究的內容2遙感信息輻射特性研究22.3.2遙感信息空間特性研究22.4遙感應用開展的先導22.5遙感應用的中堅PAGEREF_Toc346402518\h22.5.1遙感圖像判讀和信息提取的根底23、遙感的應用23.1遙感在工程中的應用實例23.2遙感在農業中的應用23.3遙感在資源環境中的應用2遙感在資源中的應用2遙感在環境中的應用23.3.4遙感在煤礦開采中的應用23.3.5遙感圖像在天氣預報中的應用23.3.6遙感圖像應用于制圖2遙感在新領域的應用24、遙感應用的開展趨勢2參考文獻:2引言遙感,就廣義而言,泛指各種非接觸的,遠距離的探測技術。或者說,是一種遠離目標,通過非直接接觸而判定、測量并分析目標性質的技術。就狹義而言是一門新興的科學技術。主要指從遠距離、高空、以至外層空間的平臺上,利用可見光、紅外微波等探測儀器,通過攝影或掃描、信息感應、傳輸和處理,從而識別地面物質的性質和運動狀態的現代技術系統。遙感對地球外表目標進展探測,是利用裝載在遙感平臺上的遙感器接收來自目標的反射或輻射。因此,從本質說,遙感是一個信息流和信息交換的過程。來自地表因太陽輻射與地表物體相互作用這一物理過程所形成的信息流,經過遙感信息的獲取,處理和分析,成為人們所能利用的有效信息,在對地球資源和環境研究中發揮著積極的作用。遙感信息具有空間和波譜兩重特性,這些特性在物質的相互作用、傳輸、記錄、再現過程中經受著各方面的影響,產生著各種畸變這里有許多機理和根底的問題需要深人研究,才能有效地利用遙感信息。1、遙感衛星數據獲取與處理的流程定義：利用遙感平臺上的傳感器獲取目標特征原始記錄的過程。遙感衛星數據獲取與處理的工作流程分為數據的接收、記錄、傳輸、存檔、發布和產品處理等多個環節。1.1數據接收數據的接收是遙感衛星數據獲取與處理過程的第一個環節,衛星數據接收系統由天線與饋源、天線座、伺服系統、信道及管理與監控等局部組成,其主要任務是完成衛星的跟蹤與信號接收,并在軟件系統的支持下,根據預先設定的任務形成數據接收與記錄方案,完成數據的接收。首先,由管理與監控軟件根據業務部門預先設定的任務方案、接收站位置和衛星軌道參數,計算衛星所在的方位信息,生成接收方案,當有多個接收任務時,將生成接收方案隊列,由管理與監控軟件按方案自動啟動數據接收。當衛星進入接收站天線接收范圍后,天線與饋源、天線座和伺服系統共同組成一個工作回路,完成信號的接收、放大、變頻、信號處理、天線方位調整等一系列任務,實現衛星的跟蹤與信號的接收工作。天線對衛星跟蹤穩定后,接收的信號經放大、變頻、解調、載波提取、同步處理等過程,輸出衛星基帶數據(包含了衛星圖像數據和其他輔助數據)傳送給記錄設備。1.2數據記錄數據記錄與數據的接收是嚴密連接的兩個環節,由數據接收系統捕獲的衛星信號,經由信道和數據通道開關送交記錄系統進展數據的保存。數據記錄的主要工作是將衛星下行的遙感衛星數據保存到存儲設備上,保存好完整的遙感衛星原始數據,為后續數據的處理做好數據準備。早期的數據記錄過程,是將接收到的衛星信號以特定的順序直接保存在磁帶上,數據記錄的速度相對較慢。隨著計算機技術的開展,磁盤陣列及其接口設備被應用到數據記錄過程中,接收到的衛星信號被直接注入到磁盤陣列,完成數據的記錄工作。數據記錄過程中的另一項工作是對接收到的衛星數據進展移動窗的顯示,目的是監控衛星數據接收過程中星上傳感器的工作狀態、數據接收質量和對地面成像的情況。1.3數據的傳輸、歸檔與發布布通常,數據的接收與記錄是在接收站完成的,而數據的存檔與處理則更多的是在數據中心進展。從各國情況看,接收站與數據中心分處兩地的情況仍很常見,有些國家是幾個接收站同時進展數據的接收和記錄,然后在數據中心進展存檔和處理。本節將著重討論數據的傳輸、存檔與發布過程,下一小節將討論數據的處理過程。1.3.1數據傳輸這里談的數據傳輸指的是從接收站到數據中心之間的數據傳送過程。數據傳輸的目的是將接收下來的衛星原始數據(或經過處理的數據)從分布于各地的接收站傳送到集中存放、處理衛星數據的數據中心或機構總部。數據的傳輸在遙感衛星數據獲取與處理的過程中占有十分重要的地位。在過去一段時間,數據的傳輸主要依靠傳統交通工具,將記錄著衛星遙感數據的存儲介質從接收站運送到各機構的總部。數據歸檔數據的歸檔或存檔過程實際上包含了對數據進展整理、質量評估、登記或編目以及存儲數據等多個環節,形成完整的數據歸檔、保存的工作過程,其中:1數據整理:接收、記錄下來的衛星數據是不能直接用于后續的數據處理和應用工作的,需要進展一系列的數據整理工作,如同步、解擾、解碼、格式整理等;o數據質量評估:是針對遙感衛星數據本身的特征以及對應用有重要影響的指標進展的統計、評價過程,主要技術指標包括:數據缺失計數、云覆蓋率等;?數據編目:按照預先制定的規則,將整理后的衛星數據進展定位,并映射到規定的地面分景網格中,同時對數據進展編號,形成目錄。編目信息中包括數據的接收時間、衛星及傳感器名稱、軌道編號、數據覆蓋范圍及地理位置、地面分景網格編號、成像模式、數據質量信息、數據存儲信息以及其它信息;數據存儲:包括對衛星數據本身以及對衛星數據編目信息的存儲。其中,衛星數據的存儲通常以磁帶為最終介質和存儲形式,而衛星數據的編目信息則以數據庫形式進展存儲。所以說,數據歸檔的目的是建立完整、有效的數據保存體系,妥善組織、管理和保存衛星原始數據(或經過整理的存檔數據),為后續的數據檢索、發布、處理、共享和使用創造根底條件。數據發布從字面上理解,數據發布是將歸檔數據向外界公布、承受查詢與檢索的過程。在遙感對地觀測領域內,數據發布與數據檢索、數據查詢、數據瀏覽等稱謂長期混用,共同指向將遙感數據對外公布、提供查找、檢查、索取以及其他數據管理的效勞機制。近年來,采用了WebGIS技術和空間數據庫技術的數據發布系統,為遙感數據的查詢、檢索、定制、分發與共享等多種應用目標提供了嶄新的技術平臺和效勞機制。1.4數據處理從廣義的角度講,數據處理貫穿于遙感應用的整個過程。通常,將遙感數據在衛星運行與地面接收處理機構中的數據處理稱為預處理,將數據在各應用領域中采用的專用處理手段稱為應用處理。本文只討論遙感數據的預處理。對遙感數據處理種類有許多的劃分方法,按所涉及的技術特點可將數據處理分為以下幾個方面:(1)同步與解調;(2)格式化處理;(3)編目處理;(4)存儲;(5)產品處理。其中,同步與解調、格式化處理和編目處理的內容在數據歸檔一節中已經有所介紹,下面著重討論數據存儲和產品處理過程。數據存儲隨著計算機技術和存儲技術的開展,數據的存儲已經成為遙感數據地面系統建立中的重要一環,并且與數據的歸檔處理、數據檢索與發布、數據共享以及產品生成等工作密切相關,即數據的存儲過程與數據的使用密切相關。從遙感衛星數據的接收處理過程來看,目前的數據存儲工作被看作是數據歸檔工作中的一環,并與數據的編目處理嚴密結合,共同實現對數據的存儲,并為數據的發布、檢索與共享提供根底的數據效勞,同時為數據的產品處理提供保障。產品處理從工作流程上看,遙感數據的產品處理可分為數據的定位與讀取、輻射校正、幾何校正、格式化輸出等幾個環節,其中:數據的定位處理是根據產品數據的時間和空間范圍,確定對應的存檔數據的空間范圍及其在存儲空間中的位置,以此為參考從存儲設備中讀取相應的數據。數據的讀取是根據確定的存檔數據存儲位置和空間范圍讀取相應數據的過程。數據的輻射校正過程可以分為兩個局部:一是按照預先設定的算法對獲取的衛星數據進展探測器之間、波段之間及波段內各數據行之間的歸一化處理,目的是消除傳感器噪聲、消除圖像條紋、平衡各波段之間的亮度關系,并使獲取的圖像數據的亮度與地面物體的輻射特征保持一定的對應關系,從而有利于后期的應用,通常采用查找表的方式完成這一局部的處理,即將所有的處理參數按照波段號、探測器編號進展排列,然后逐一應用于圖像數據;另一局部則是根據衛星傳感器的輻射特征以及衛星傳回的傳感器的工作狀態,生成用于圖像數據輻射校正所需的各類參數,其中包括了探測器之間、波段之間及波段內各數據行之間校正處理的參數,以及圖像數據與地物輻射特征參量之間的轉換參數。以上的輻射校正處理過程中,對圖像數據的校正處理是時刻都在進展的,即每一幅圖像數據都需進展輻射校正;而對輻射校正參數的處理和生成,則是定期完成并將相關參數提供應各數據處理中心。數據的幾何校正是產品處理過程中最為復雜、耗時最長的過程,其目的是消除在成像過程中因衛星的軌道、姿態等誤差、以及地球、大氣等因素引起的衛星圖像數據的各種幾何形變。數據的幾何校正過程分為像素成像時間的計算、衛星星歷數據和姿態數據的計算、探測器觀測矢量的形成及其坐標系的變換、以及像素的地面位置計算等處理步驟,并以此為根底形成從衛星及傳感器到地面的幾何校正模型,然后依照此模型建立從衛星原始數據空間到以地面坐標系為參考的輸出空間的變換關系,最后應用重采樣方法,生成產品數據。產品數據的格式化輸出是對生成的衛星數據產品進展整理的過程,將處理后的衛星數據按照規定的格式編排,并輸出到指定的介質上。目前,常用的衛星數據產品格式有FAST格式、GeoTIFF格式和DIMAP格式等。在衛星地面系統中,產品數據的格式化輸出還包括了將用戶定制的多個數據產品包裝成產品數據包,并通過網絡傳送到用戶指定的位置的過程。為滿足用戶不同的應用需求,常對衛星數據進展分級處理,形成不同級別的產品。以國內的分級方法為例,零級產品是未經任何處理的原始數據;一級產品是僅經過輻射校正的數據;二級產品則是經過了輻射校正和幾何校正的數據。此外,還有三級產品和四級產品,在處理過程中分別應用了地面控制點、或同時應用了地面控制點和數字高程模型。在產品數據中,除遙感影像外,還同時提供衛星的星歷參數、姿態參數、影像坐標等信息或有理函數模型參數。2.遙感根底研究及應用2.1遙感根底研究的范疇遙感根底研究就是在遙感信息流的每一個環節中探求其變化原因和形成的機理,研究其畸變規律,進而研究各種地物在空間和波譜這兩方面的同一性和差異性,類聚同類地物,增強和擴展其差異特征,從這一意義上講,遙感又是研究各種地物差異特征的科學技術。因此,就是要研究電磁波輻射與地球外表物質相互作用機理,在介質中的傳輸規律及遙感信息與地面特征之間的內在聯系。2.2遙感根底研究的方向研究電磁波和地球外表物質水圈大氣圈巖石圈生物圈的相互作用機理輻射信息的傳輸理論,遙感信息的輻射和空間特征,形成遙感圖像的地學、生物學、物理學和化學基礎及規律,以及遙感信息的應用模型等。2.3遙感根底研究的內容遙感信息輻射特性研究〔1〕電磁波與地物相互作用的波譜特性地物對可見光、近紅外、短波紅外的反射特性熱紅外的輻射特性、微波的輻射特性、介電特性、后向散射特性和穿透特性、地物波譜的空間分布特征一地物波譜的二向反射特征；地物波譜的時間動態變化特性；遙感成像機理。〔2〕遙感信息在介質中的傳輸特性及規律可見光和紅外輻射信息在大氣中的傳輸規律及云和降水對地表微波遙感信息傳輸的影響土壤和巖石能量傳輸規律；植被中微波能量傳輸機理；可見光在水體的傳輸特性。〔3〕遙感信息的定量化遙感器的輻射定標；遙感輻射定標試驗場的建立；遙感大氣成分的反演；遙感信息大氣影響訂正；遙感信息的定量反演。2.3.2遙感信息空間特性研究〔1〕遙感儀器的成像幾何機理和模型新型航天、航空遙感器成像幾何機理及幾何特征模型；不同傳感器遙感信息的幾何特征、配準和復合；新型傳感器圖像；成像光譜儀、成像雷達、同軌前后視立體圖像、異軌側視立體圖像等的對地定位模式研究及地圖化模型研究遙感信息幾何特性理論、模型和方法。〔2〕遙感信息幾何校正模型和方法遙感信息空間頻譜特性的理論；遙感信息地圖化模型。〔3〕新型對地定位理論和方法遙感信息空一地定位理論和模型；四維分析和多元多維復合匹配模型GPS一RS一GIS一體化信息處理方法。2.4遙感應用開展的先導最正確遙感儀器和最正確探測波段的選擇這是遙感根底研究的最根本的任務之一。遙感技術的成功與否的第一個關鍵就在于能否用最正確的遙感儀器和最正確的光譜段去進展探測。由于自然界是一個極其復雜的綜合體,各種物體的存在都是與其它物體,特別是錯綜復雜的環境要素相互依存的,正因為遙感根底研究對各種地物波譜特性進展了大量研究,認識了遙感信息的傳輸規律,才能為遙感器的設計如大氣窗區和探測波段的選擇,動態范圍和信噪比確實定等提供了根本依據。對地物識別和圖像判讀的預先認識和遙感應用的準備通過遙感輻射特性和空間特性研究,特別是地物的波譜特性研究,對遙感識別地物的原理有了預先的認識,對于其形成的影像特征,從遙感輻射特性和空間特性出發有了了解,為以后遙感圖像的信息提取,影像特征分析和圖像判讀提供準備。2.5遙感應用的中堅對地觀測系統主要是用于對地球資源的調查和環境的監測,通過在空間平臺上的遙感儀器獲得地面的大量信息,對遙感圖像進展判讀分析,信息提取,到達識別目標鑒別地物的目的,同時通過一些模型在農業、林業、水資源、海洋、地質等領域得以應用。這些應用,都是基于遙感的應用根底研究。因此,遙感根底研究在遙感應用研究中起著中堅的作用,是把遙感應用推向深入的動力。2.5.1遙感圖像判讀和信息提取的根底遙感技術的根本目的是要通過圖像的分析,深人研究各種自然環境要素,到達定性、定量分析和識別研究對象的目的,從而在國民經濟和軍事上發揮它的作用。建立各種判讀標志是這一工作中的重要步驟。遙感圖像是地面物體反射或發射電磁波特征的記錄,也是地面景象真實的、瞬時的寫照。遙感圖像是地外表按一定比例尺縮小了的自然景觀綜合影像圖。它能夠較準確、客觀、全面地反映地外表的自然綜合景觀。圖像判讀就是建立在研究地物性質、電磁波性質及影像特征三者的關系。它主要從影像特征來判斷電磁波的性質,從而確定地物的屬性,也就是從影像特征來識別地物。地物電磁波特征的差異在影像上的反映就是各種各樣的色、形信息。整個遙感圖像的影像要素或特征,概括起來分"色〞和"形兩大類。色：色調、顏色、陰影、反差；形：形狀、大小、空間分布、紋理等。"色〞只有依附在"形〞上來判讀才有意義。遙感圖像的判讀根底就是地物的輻射特性和空間特性只有深入地研究這兩種根本特征,才能更好地判讀遙感圖像和更好地應用。目前開展起來的計算機圖像處理和信息提取技術也是建立在這兩種特性研究的根底上。遙感圖像的分類主要基于地物的波譜特性,結合其空間特性,到達增強不同地物的差異,提取有用信息的目的。在以波譜特性為主要根底的圖像處理中,人們還在利用地物的空間特性一精細的紋理構造。常用的紋理識別方法根本上都是以圖像的統計特性和構造特性為根底的。近年來開展起來的頻譜段圖像來獲取地物的空間特性和紋理構造。最終可能開展成為一種基于地物波譜和空間特性的計算機圖像處理的綜合方法。定量化遙感應用遙感的深化開展的標志之一就是定量化的遙感應用要實現遙感由定性向定量的開展,必須開展遙感定量化根底研究。通過遙感定量化研究,逐步解決遙感儀器的內外定標,大氣成分反演,大氣影響訂正和遙感數據的定量反演等根底問題,為遙感應用提供更準確的定量數據。成像光譜儀的開展為遙感應用提供了圖譜合一的綜合信息。由于其高光譜分辨率,可以從地物的細微光譜特性來識別目標,通常的方法是將成像光譜儀獲得的波譜曲線,與在地面或實驗室測量的波譜曲線進展比照分析。由于根底研究,開展了反射率的定量反演方法,如統計模型法、試驗場定標法,對數殘差模型和大氣影響訂正法而在地質找礦中得到很好地應用。熱紅外多波段掃描儀數據包含了地物輻射溫度和發射率雙重信息。3、遙感的應用3.1遙感在工程中的應用實例傳統的工程地質調繪〔地質測繪〕是依靠技術人員的野外作業來實現的，費時費力，效率不高，而且由于人的視野受到地形和植被的遮擋，許多地質問題不易觀察搞清遙感圖像信息的豐富性，為工程地質人員提供了最直觀調繪依據，可以大大加快工作的速度目前發生在全國已建成的高等級公路上的災害或問題大局部是不良地質現象造成的因此，應用遙感技術解譯調查各種不良地質現象，是提高勘察設計質量的必要環節，實踐中很好的應用效果為這一論斷提供了有力證據同時，遙感技術在工程區域地質條件評價公路走廊帶選擇路線方案比選病害成因及其影響評價方面具有常規手段和傳統方法所無法比較的優勢。3.2遙感在農業中的應用農業病蟲害的監測作物被蟲害后，它的外部形態和內部生理都將發生變化，不過，不管哪種變化都將造成遙感圖像光譜值得變化，我們可以通過這一變化，將該植物的光譜反射曲線與光譜庫中的標準光譜反射曲線進展比較分析，進而來監測農作物的安康情況應用遙感技術監測植物病蟲害，主要通過以下途徑：應用遙感技術直接研究害蟲及其寄主的活動行為；應用遙感手段監測病蟲害寄生地；應用遙感手段監測病蟲害對植物造成的影響，跟蹤其演變情況分析災情監測植物生長狀態植物的生長發育一般都具有周期性特點，而這種周期性特點在植物體各個局部都很顯著，同時也勢必會造成單個植物或植物群物理光學特性的變化，也就是植物生長各階段對電磁波反射和輻射的特性的不同因為遙感具有周期性獲取目標電磁波譜信息的特點，所以可以用它來監測植物的生長狀況作物的監測主要通過植被指數地面溫度土壤水分植物素營養氮等實現的研究說明，應用NDVI和葉面積指數〔LAI〕的相關性，考慮地面監測與農學模型，可以實現監測作物的長勢。3.3遙感在資源環境中的應用遙感在資源中的應用資源的原始狀態利用情況變化趨勢等都與一定的地表狀態或地理過程密切聯系，而這一狀態與過程又具有明顯不同的光譜或時態特征，在遙感影像中有不同的影像特征，我們可以通過這一不同來分析資源狀況，這就是資源遙感的原理遙感是資源探測和勘探的有力工具應用遙感圖像調查控礦構造，從而為地質物探提供靶區；森林資源遙感可以快速調查森林蓄積量，及時發現森林病蟲害森林火災隱患等影響因素，加強森林資源管理水平；土地資源遙感動態監測可以調查土地利用動態變化，及時發現土地利用中存在的問題，通過對光譜特征的深層挖掘與地表參數反演，還可以發現土地損害和污染的信息，從而為更好的規劃整治和利用土地提供支持；水資源遙感可以快速調查水資源現狀與開展趨勢，從而為更好的規劃水資源利用提供支持。遙感在環境中的應用環境遙感是指利用遙感技術探測和研究環境污染的空間分布、時間尺度、性質、開展動態、影響和危害程度，以便采取環境保護措施或制定生態環境規劃其原理在于各種環境要素〔包括大氣水固體廢棄物等〕環境污染物和環境過程都具有其特定的時間空間和光譜特征，這些特征直接或間接的可在遙感影像上表達出來，從而應用遙感信息處理提取環境要素監測環境污染評價環境格局分析環境趨勢預測環境開展發現環境問題輔助環境保護環境污染按應用領域不同，可分為水環境遙感〔水溫、水深、水域變化、水體富營養化、石油污染、廢水污染等〕大氣環境遙感〔大氣溫度和濕度、水汽、大氣成分、云際風、大氣降水監測、云遙感等〕生態環境遙感〔土地利用、土地覆蓋變化、植被土壤侵蝕、荒漠化、城市交通、城市住房、城市人口遙感城市環境監測等〕災害遙感〔水災、干旱、臺風、暴雨強對流天氣、雪災、滑坡、泥石流、地震、火山爆發、臺風、火災以及農作物果樹病蟲害遙感監測等〕四大類。3.3.4遙感在煤礦開采中的應用遙感在煤礦區的應用主要在如下幾個方面：礦區地面塌陷監測與變形分析；煤礦區土壤污染監測與分析；煤礦區環境監測；煤炭資源勘探；礦區地形和專題制圖；礦區演變監測；礦區綜合信息采集。3.3.5遙感圖像在天氣預報中的應用通過衛星獲得的大氣云圖的遙感影像圖，經過目視解譯、幾何變換、輻射校正、圖像的增強與變換、圖像分類獲得更清晰的衛星云圖，然后進一步進展判讀各地的天氣情況，用于預報其中圖像的預處理包括幾何校正與輻射校正，圖像增強與變換有空間域增強、頻率域增強、彩色增強、主成分變換、纓帽變換、典型成分變換，圖像分類有監視分類和非監視分類。/r