第8章遙感科學與技術二十世紀六十年隨著航天技術的迅速發展，美國地理學家首先提出了“遙感”（RemoteSensing）這個名詞，它的含義是泛指通過非接觸傳感器遙測物體的幾何與物理特性而又不直接接觸物體的技術。遙感技術主要是建立在物體反射或發射電磁波的原理基礎之上。8.1遙感的概念航空航天遙感：定義什么是航空航天遙感？各種類型傳感器被攝物體影像通過量測和解譯過程自然物體及其環境的可靠信息8.1遙感的概念遙感原理示意圖傳感器定軌定姿信息獲取遙感數據接收處理服務與分發多種信息的融合與集成遙感成像機理各類型用戶信息傳輸各級產品的生產各種應用衛星研制與發射遙感學研究范疇災害頻繁資源耗失環境污染生態破壞環境變化實時監測災害預報及時準確資源探測完整可靠人類及其生存的地球正面臨嚴峻的挑戰遙感是解決上述問題的基礎遙感的意義國防建設與國家安全的需要“在某些情況下，中國建造一顆衛星是為了顯示它能干什么，而不是滿足作戰需求”–––

美國戰略和國際研究中心

2004年1月制空權制天權制海權制信息權衛星應用遙感信息技術成為支撐軍事信息化作戰，奪取戰場信息優勢，解決制約我軍聯合作戰和精確打擊瓶頸問題的重要技術手段遙感的意義經濟和社會可持續發展的需求國家信息基礎設施（NII）

國家空間信息基礎設施（NSII）社會信息化空間信息服務體系遙感信息技術廣泛用于國土資源規劃與管理、城市發展、精準農業、智能化交通等領域，將形成新的信息產業鏈，成為國民經濟的重要增長點，保障經濟和社會的可持續發展遙感的意義國家科技發展戰略的需求建設天基信息系統

（國家中長期科技發展規劃）2020年前投資1500～2000億元發射260顆左右的衛星，保持在軌穩定運行的衛星100顆左右進行全天候、準實時、多平臺立體觀測提供高精度的時空基準建設國家對地觀測系統

（2004－2010年國家科技基礎條件平臺建設綱要）建成MODIS共享網建設多分辨率、先進雷達遙感數據獲取共享平臺建立高效運行的遙感地面支撐系統形成高空間、高光譜、高時間分辨率和寬地面覆蓋于一體的衛星對地觀測系統遙感的意義光學機械掃描（多波段掃描儀）電子束掃描（反束光導管攝像機）CCD（電荷耦合器件）非圖像方式（主動式和被動式）雷達高度計合成孔徑雷達微波輻射計紅外輻射計…攝影法寬波段攝影多波段攝影被動方式圖像方式遙感技術掃描法主動方式側視雷達激光雷達遙感技術分類8.2遙感的電磁波譜電磁波譜遙感技術使用的電磁波分類名稱和波長范圍名稱波長范圍紫外線100A°～0.4μm紫0.38～0.43μm可見光0.4～0.7μm藍0.43～0.47μm紅外線近紅外0.76～3.0μm青0.47～0.50μm中紅外3～6μm綠0.50～0.56μm遠紅外6～15μm黃0.56～0.60μm超遠紅外15～1000μm橙0.60～0.63μm微波毫米波1～10mm紅0.63～0.76μm厘米波1～10cm分米波10cm～1m8.2遙感的電磁波譜人們把能到達地面的波段形象地稱為“大氣窗口”，這種“窗口”有三個。光學窗口是最重要的一個窗口，波長在300～700納米之間，包括了可見光波段（400～700納米），光學遙感一直是對地觀測的主要工具。第二個窗口是紅外窗口，紅外波段的范圍在0.7～1000微米之間，由于地球大氣中不同分子吸收紅外線波長不一致，造成紅外波段的情況比較復雜。對于對地觀測常用的有近紅外、短波紅外、中紅外和遠紅外窗口。第三個窗口是微波窗口，微波波段是指波長大于1毫米的電磁波。大氣窗口8.2遙感的電磁波譜大氣窗口8.2遙感的電磁波譜8.3遙感信息獲取光譜輻射空間輻射成像遙感（單波段成像）地物光譜測量成像光譜遙感（譜-像的合一）地物地物三大屬性及其遙感特征成像傳感器:遙感信息獲取的關鍵是傳感器。有多種類型的傳感器：框幅攝影機縫隙攝影機全景攝影機多光譜攝影機真實孔徑雷達合成孔徑雷達全景雷達光學攝影類型光電成像類型側視雷達被動式主動式成像傳感器

TV攝像機掃描儀電荷耦合器件CCD8.3遙感信息獲取遙感傳感器的結構組成傳感器由收集系統、探測系統、信號處理系統和記錄系統四個部分組成8.3遙感信息獲取推掃式CCD傳感器（SPOT）框幅式攝影機（傳統攝影測量用）光機掃描攝影機（TM、MSS）三種常用航空航天遙感（被動）傳感器主動式傳感器被動式傳感器區別：主動傳感器自身發射并接收經地面反射的能量，不受天氣干擾被動傳感器主要接收經地面反射的太陽光能量，受天氣干擾大目前的各國對地觀測衛星平臺

遙感平臺：遙感中搭載傳感器的工具統稱為遙感平臺（Platform）遙感平臺高度目的、用途其它靜止軌道衛星36000km定點地球觀測氣象衛星（風云2號、GMS等）圓軌道衛星（地球觀測衛星）500～1000km定期地球觀測Landsat,SPOT,CBERS等航天飛機240～350km不定期地球觀測空間實驗SRTM等無線電探空儀100m～100km各種調查（氣象等）超高度噴氣機10000～12000m偵察大范圍調查8.3遙感信息獲取遙感平臺高度目的、用途其它中低高度飛機500～8000m各種調查航空遙感飛艇500～3000m空中偵察各種調查直升機100～2000m各種調查航空遙感無線遙探飛機500m以下各種調查航空遙感飛機直升機牽引飛機50～500m各種調查航空遙感牽引滑翔機系留氣球800m以下各種調查索道10～40m遺址調查吊車5～50m地面實況調查地面測量車0～30m地面實況調查車載升降臺遙感平臺（續）傳感器可搭載在地面平臺（上左圖），飛機（上右圖），或航天飛機上（左圖）radarsatLandsatSPOTersJERSNOAASEASAT航天遙感傳感器搭載的主要平臺是衛星。上圖是目前國外常用的遙感衛星。地球靜止軌道近極地軌道遙感衛星一般有兩種繞地球飛行方式：靜止軌道和近極地軌道。靜止軌道可以定點觀測，而極地軌道（圓形）則可定期觀測。36000km遙感圖像中的分辨率空間分辨率：通常指一個像素對應地面的實際大小。一般遙感圖像分辨率指的是地面分辨率；光譜分辨率：成象范圍內波譜帶數目；時間分辨率：重復獲取某地區圖像的周期；溫度分辨率（熱紅外）：可探測的溫度變化幅度。8.3遙感信息獲取100m10m1m0.1m0.01m

空間分辨率全色多光譜高光譜地形圖測圖光譜分辨率交通國防城市農業資源環境森林應用需求SPOT5號全色波段圖像（5米）SPOT5號假彩色合成圖像（5米）SPOT5號全色波段圖像（2.5米）美國IKONOSⅡ

衛星美國華盛頓（1米）IKONOS衛星多光譜影像（4米）（排隊參觀毛主席紀念堂的隊伍隱約可見，花壇信息沒有，背景草坪不清晰）IKONOS衛星融合影像（1米）（排隊參觀毛主席紀念堂的隊伍清晰可見，花壇和背景草坪顯示出來，色調自然逼真，連紀念堂柱子的陰影都很清楚）發射日期2001年8月18日空間分辨率（底點）全色：61cm，多光譜2.44m軌道高度450km，98°極地軌道，太陽同步定位精度三軸穩定裝置，星相儀，GPS等輔助下，無地面控制點的定位精度：17~23米繞行一周收集的數據量57幅單景影像（128GB）掃描寬度和面積單景16.5×16.5km，一個飛行條帶：16.5km×165km量化級別11bitsQuickbird主要性能參數羅馬斗獸場（0.7米，真彩色）羅馬梵蒂岡大教堂,0.7m,真彩色三峽壩區衛星圖象QuickBird

奮進號航天飛機外觀圖I美國SRTM雙天線雷達（2000，2）奮進號航天飛機外觀圖II60m長桅桿從航天飛機上伸出，頂端安裝有另一個天線（還有一個在飛機上，這兩個天線形成立體象對）SRTM陸地表面覆蓋圖（平面）ASTER美國SRTM雷達地表影像（2000，2）由SRTM－C波段獲取DEM再與TM圖像疊加的結果8.3遙感信息獲取PerspectivewithLandsatOverlay,MountKilimanjaro,Tanzania

GTOPO30,USGSSRTMDEMEastern-centerTibet(Xizang,China)SRTMDEM實例（中國，西藏）遙感對地觀測的歷史發展1609年，Galileo制作天文望遠鏡，發現太陽有斑點，月球表面并非平原，當然最大的發現是木星的周圍有衛星，打破地心說；1859年法國攝影師兼氣球飛行愛好者Nadar試圖進行航空攝像，但沒有成功Nadar’sballoon1862年，美國教授ThaddeusLowe試圖用氣球觀測天氣，但不幸從Ohio吹到南California。遙感對地觀測的歷史發展1909年，美國Wright兄弟發明飛機后，立即開始了航空攝影。遙感對地觀測的歷史發展1957年前蘇聯發射了第一顆人造衛星，使衛星攝影測量成為可能;1959年從人造衛星發回第一張地球像片，1960年從“泰羅斯”與“雨云”氣象衛星上獲得全球的云圖;1971年美國“阿波羅”宇宙飛船成功地對月球表面進行航天攝影測量;1972年美國地球資源衛星（后改稱陸地衛星）上天，其多光譜掃描儀（MSS）影像用于對地觀測遙感對地觀測的歷史發展主要的遙感對地觀測衛星及未來發展1)．氣象衛星地球同步靜止氣象衛星太陽同步極軌氣象衛星。8.3遙感信息獲取

地球同步靜止氣象衛星系統系統公司發射時間位置MeteosatESA19950oGOES-8/9NOAA1994-199575-135oWGMSNASDA1995135oEInsatISRO1996-199775oEFY-2中國1997105oE8.3遙感信息獲取太陽同步極軌氣象衛星系統系統公司發射時間位置NOAA-14NOAA1994AVHRR/2NOAA-KNOAA1996AVHRR3FY-1A/1B中國1988-1990VHRSRFY-1(C),1D中國1999-2001VISSR8.3遙感信息獲取2)．資源衛星衛星系統多采用光機掃描儀、CCD固體陣列傳感器等光學傳感器，獲得20~100m空間分辨率的全色或多光譜圖像。采集的多光譜數據對土地利用、地球資源調查、監測與評價、森林覆蓋、農業和地質等專題信息提取具有極其重要的作用8.3遙感信息獲取資源衛星系統系統公司發射時間掃描寬度(km)分辨率（m）LandsatMSNASA1972-197818580MSLandsatTMNASA198218530MS15MSLandast7NASA199918530MSSpot1-4Spotimage1986-1990-1993-19986020MSIRSIC/DISRO1995-199714218MSMOMS02PDLR19967850MSMOSNASDA1982-199210018MSAdeosNASDA1996-19978016MSCBERS-1中國/巴西1999-10113（CCD）119（IRMSS）890（WFI）20（CCD）80（MSS）160（熱紅外）256（WFI）現有雷達衛星系統衛星發射國家發射時間衛星高度（km）波長（cm）分辨率（m）掃描帶寬（km）重訪周期（天）Seasat美國197880023.5(L)25100－ERS-1歐空局1991782～7855.6(C)30102.535JERS-1日本199256823.5(L)187544ERS-2歐空局1995782～7855.6(C)30102.535Radarsat-1加拿大1995793～8215.6(C)9-2550-500243、地球觀測系統（EOS）計劃美國國家宇航局（NASA）于1991年發起了一個綜合性的項目，稱為地球科學事業（ESE），它的核心便是地球觀測系統（EOS），用來監測全球火災、冰（冰川）、陸地、輻射、風暴、氣侯、污染以及海洋等。NASA現在采用地球觀測系統數據和信息系統（EOSDIS）來管理這些衛星，并對其數據進行歸檔、分布和信息管理等。8.3遙感信息獲取

EOS的目標是：

1）檢測地球當前的狀況；2）.監測人類活動對地球和大氣的影響；3）.預測短期氣候異常、季節性乃至年際氣候變化；4）.改進災害預測；5）.長期監測氣候與全球變化。8.3遙感信息獲取4．測圖衛星為了用于1：10萬及更大比例尺的測圖，對空間遙感最基本的要求是其空間分辨率和立體成像能力，下表列出了幾種具備這一能力的衛星系統。值得注意的是，美國成功發射的IKONOS-2衛星和快鳥衛星開辟了高空間分辨率商業衛星的新紀元。8.3遙感信息獲取系統發射者發射時間掃描寬度（km）分辨率（m）立體模式Spot1-4Spotimage1986-1990-19986010Pan異軌IRS1C/DISRO1995-1997705.8Pan異軌KFA-1000RKKResours-F166-1055單像/立體KVR-1000RKK空間站222單像/立體KVR-3000RKK空間站50.5單像/立體MOMS/02-PDLR1996376同軌AdeosNASDA1996-1997808Pan異軌IKONOS2SpaceImaging199911.30.82同軌QuickBirdEarthWatch2001220.61同軌Orbview3Orbimage199981同軌Orbview4Orbimage200081-2同軌ErosBWestIndianSpace199913.51.3同軌Spot5Spotimage2001602.5同軌zy3中國2012522.1/3.5/5.8同軌目前運行的主要制圖衛星5)．遙感傳感器的未來發展成像光譜儀（ImagingSpectrometer）能以高達5～6nm的光譜分辨率在特定光譜域內以超多光譜數的海量數據同時獲取目標圖像和多維光譜信息，合成孔徑側視雷達的發展主要體現在時間分辨率的提高，特別是雙天線衛星雷達的研制激光斷面掃描儀（LaserScanner）也是近幾年來引起廣泛興趣并成為研制熱點之一的傳感器系統，其作用是直接用于測定地面高程，從而建立數字高程模型。

8.3遙感信息獲取高光譜傳感器能同時獲取上百個波段的反射數據，從而獲得光譜譜段上相對連續的采樣上圖為TM的光譜曲線，下圖為成像光譜儀的光譜曲線8.4遙感信息傳輸與預處理遙感信息的傳輸

遙感信息的傳輸有兩種方式，即模擬信號，這是一種連續變化的電源與電壓表示的模擬信號，經過放大和調制后用無線電傳輸，這種方式稱為模擬信號傳輸。數字信號傳輸是指將模擬信號轉換為數字形式進行傳輸。由于遙感信息量相當大，要在衛星過境的短時間內將獲得的信息數據全部傳輸到地面是有困難的，因此，在信息傳輸時要進行數據壓縮。

遙感信息的預處理數據轉換：由于所接收到的遙感數據記錄形式與數據處理系統的輸入形式不一定相同，而處理系統的輸出形式與用戶要求的形式也可能不同，所以必須進行數據轉換

數據壓縮：其目的是為了除去無用的或多余的數據，并以特征值和參數的形式保存有用的數據數據校正：為了保證獲得信息的可靠性，必須對這些有誤差的數據進行校正。校正的內容主要有輻射校正和幾何校正

8.4遙感信息傳輸與預處理8.5遙感圖像數據處理

)遙感圖像數據處理概述遙感影像數據的處理分為幾何處理、灰度處理、特征提取、目標識別和影像解譯。幾何處理。對于無立體重疊的影像主要是幾何糾正和形成地學編碼，對于有立體重疊的衛星影像，還要解求地面目標的三維坐標，和建立數字高程模型(DEM)。影像的灰度處理：包括圖像復原和圖像增強、影像重采樣、灰度均衡、圖像濾波特征提取：是從原始影像上提取用戶有用的特征目標識別：是從影像數據中人工或自動半自動地提取所要識別的目標，包括人工地物和自然地物目標

2)雷達干涉測量和差分雷達干涉測量

雷達干涉測量（INSAR）和差分雷達干涉測量（D-INSAR）被認為是當代遙感中的重要新成果。所謂雷達干涉測量是利用復雷達圖像的相位差信息來提取地面目標地形3維信息的技術。而差分干涉測量則是利用復雷達圖像的相位差信息來提取地面目標微小地形變化信息的技術。8.5遙感圖像數據處理

獲取立體雷達圖像的干涉模式主要有：沿軌道法、垂直軌道法、重復軌道法沿軌道法8.5遙感圖像數據處理

垂直軌道法8.5遙感圖像數據處理

重復軌道法8.5遙感圖像數據處理

雷達干涉測量原理

雷達干涉測量的成像幾何關系8.5遙感圖像數據處理

從中可導出以下主要關系：其中h即為所求解的未知高差。8.5遙感圖像數據處理

雷達干涉測量的數據處理包括：用軌道參數法或控制點測定基線，圖像粗配準和精配準，最終要達到1/10像元的精度才能保證獲得較好的干涉圖像；隨后進行相位解纏。其中最常用的方法有枝切法、最小二乘法、基于網絡規劃的算法等

由于重復軌道獲得干涉條件的困難，所以，人們把注意力集中在攻克雙天線雷達成像技術上。8.5遙感圖像數據處理

差分雷達干涉測量原理

3軌道法差分雷達干涉測量成像幾何8.5遙感圖像數據處理

差分干涉測量的主要關系式8.5遙感圖像數據處理

8.6遙感技術的應用

在國家基礎測繪和建立空間數據基礎設施中的應用在鐵路、公路設計中的應用遙感技術在農業中的應用遙感技術在林業中的應用遙感技術在煤炭工業中的應用遙感技術在油氣資源勘探中的應用遙感技術在地質礦產勘查中的應用遙感技術在水文學和水資源研究中的應用遙感技術在海洋研究中的應用遙感技術在環境監測中的應用遙感與GIS在洪水災害監測與評估中的應用遙感技術在地震災害監測中的應用

遙感對社會可持續發展的作用減少自然或人為災害所造成的生命財產損失；了解環境因素對人類健康和生命的影響；

改善對能源資源的管理；了解、評價、預測、減輕以及適應氣候變異和變化；通過更好地了解水循環，改善水資源的管理；

改善氣象信息、天氣預報和預警；提高對陸地、海岸、海洋生態系統的保護和管理；支持可持續農業，減少荒漠化；了解、監測和保護生物多樣性；保障國家安全與國家主權。引自2cdEOSummit,2004,4Tokyo8.6遙感技術的應用

TheIGOSGeo-hazardsThemeInconsiderationofspacerequirements災害Floodmonitoring洪水監測流行病與健康Populationmondialeàrisque:2à3milliardsMortalité

humaineannuelle:3.5à4.5millionsdont1/2moinsde5ans(~5millionsdemortsparleSIDA)Mortalité

animaleannuelle:10à15millionsRisquesaccrusderé-émergencedemaladiesinfectieuses,certainesenrelationavecElNi?o-LaNi?aDengueMéningiteCholéra?20028.6遙感技術的應用

流行病與健康

Quatretypesdeparamètresnécessaires

PrévisiondesépidémiesEnvironnementauxEntomologiquesVétérinairesHumains?20028.6遙感技術的應用

林火與生態BurnedareasFirehotspotsEcosystemrecoverypostfire(FAPAR,LAI…)8.6遙感技術的應用

TOPEX/POSEIDONALTIMETRYFORELNINO氣候與海洋Multi-pathIRColorImagefromFY-1D氣象預報氣象預報SatelliteMeteorologicalApplicationSystemTheglobalcarboncycletheme

Ocean(39000)Vegetation(600)Atmosphère730GtCAtmosphere730Carbonesol(1600)Photosynthèse120CombustionCO2(3.5)CO(0.5)Aerosols(<0.1)RespirationPlantes60Respirationsols65DOCexport0.4Charcoalformation<0.1Air-seagrossfluxes90PuitsocéanPuitsbioDéforestation

COoxidationEmissionsaccumulation(1GtC=1015gC)全球碳循環FLOODINNUNDATIONMAPSATELLITESALSOINSPIREDUSTOLOOKATTHERELATIONSHIPSBETWEENTHECOMPONENTSOFTHEINWATERCYCLEANEWWAYWATERCYCLETHEME全球水循環AerosolcontentdeducedfromADEOSII/GLI380nmchannel19May2003http://www.eorc.nasda.go.jp大氣化學MahajambaBayonMadagascarIsland

帶到海灣的沉積物CoastalTheme:海岸帶ResourcesandEnvironmentInformationSystematNationalLevel

資源與環境TopographyTerrainslopePrecipitationTemperatureAridityHumidityDynamicMonitoringofLandUsebyRSData土地利用與動態監測OriginalTMimage,1998Rectification

RectifiedTMimage,1998Fusedimage1999RectifiedSPOTimage1999Fusedimage98+99ChangedetectionInterpretationresultStatisticaltable2002年10月圖像2003年5月圖像變化檢測結果交互式分析后圖斑GIS分析后變化圖斑GIS分析實地勘查利用資源二號衛星查處違法建設及綜合利用系統Workflow（北京市）

農業應用（精準農業）：農作物的識別和品種劃分左:日本長野縣鹽尻市南部農作物的識別結果

紫-水稻,黃-葡萄,綠-梨,藍-大豆右:長野市西北部農作物的識別結果

黃-蘋果,藍-水稻下:葡萄的相對長勢，紅色區長勢相對較好HighLowPHI在日本高光譜遙感用于農業信息提取和長勢監測8.7我國航天航空遙感的主要成就1．風云1號（FY-1）風云2號（FY-2）氣象衛星 8.7我國航天航空遙感的主要成就風云二號衛星8.7我國航天航空遙感的主要成就風云二號衛星圖像8.7我國航天航空遙感的主要成就資源衛星1號（CBERS）8.7我國航天航空遙感的主要成就中巴資源衛星1號設計參數中巴資源1號彩色合成圖像（武漢市）中國的海洋衛星HY-1HY-1水色掃描儀三通道合成圖（菲律賓呂宋島東北海域）8.7我國航天航空遙感的主要成就HY-1水色掃描儀三通道合成圖（印尼蘇拉威西北部海域）8.7我國航天航空遙感的主要成就“神舟三號”飛行8.