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从空间观测和研究地球资源和环境,研究地球表面所发生的事件和现象已经成为了现代地学技术的一种倾向。
这张图(图2)表示了空间对地观测系统的状况。
当然现在围着地球转的,绝不仅有这几颗卫星。
这里面表示了三种不同的轨道,如在数百公里上高度运行的低轨道,在几千公里上运行的中轨道,在最外层是地球同步轨道,地球同步轨道的卫星是在地球赤道平面上空约36000公里处。
在这个轨道上,卫星相对地球而言是基本静止的。
例如我国的“风云二号”气象卫星、“北斗三号”导航卫星等就是地球同步轨道卫星。
我们的地球实际上随时随地都在被卫星所观测着。
所以用国际上通用的一句话说,在任何时间、任何地点、对任何事件、任何人,它都可以提供对地球的观测数据和由此所分析或派生出来的信息。
一、遥感的任务和功能1.
空间对地观测
所谓对地观测,就是从卫星或飞机上通过特定的技术手段对地球进行观测。
通过观测数据来判断各种地物的光谱、空间和时间的属性,定性、定量和定位地来分析地球表面的物体。
同时,经过分析,把不同的物体分成不同类型,我们经常讲物以类聚,也就是这个道理。
我们经常讲的四大地物,如岩石、水体、植被、土壤等,这样一些地物实际上可以再进一步细分。
就植被而言,有农作物、森林、草场。
而森林又可分为针叶林、阔叶林、混交林等。
对地物进行分类是遥感非常重要的功能或任务。
再进一步,遥感的一个重要功能就是要对目标进行识别。
在地球表面上,我们经常需要了解一个地物、一个现象、一个事件或一个过程是什么(What)、在什么地方(Where)和是什么时候发生的(When),也就是所谓的“3个W”。
这些都是遥感必须回答的,最终我们要判别它到底是什么东西,这无论对于民用或军用都是非常重要的。
我们讲的遥感地理空间信息(Remote
Sensing
Geospatial
Information),也就是首先要确定空间对地观测的目标和对象。
遥感主要反映的是地球表层及其所存在自然和人工地物的状况、类型、空间分布和它的变化等。
这里所说的空间是什么呢?
它实际上有两层含义,第一层含义,它表示从空间获得的对地观测信息;
从第二个方面来讲,它反映了地球信息的空间属性。
地球上的许多信息,都具有位置或坐标性质,也有它的尺度也就是在空间上的延伸。
信息的空间属性实际上是信息的一个非常重要的特性,如果信息没有了空间属性,信息的价值就要大大打折扣。
比如我们要去找一个人,如果完全不知道这个人在什么地方,或你根本不知道他的空间位置,要找这个人就等于是大海捞针。
从军事上来说,比如说只知道对方有什么目标,但完全不知道这个目标的空间位置,那么要想对这个目标实施军事打击是无法实现的。
所以我们说任何地物的空间属性是非常重要的。
空间对地观测信息主要是指以影像为表征的地表的信息。
这种信息具有空间特性、几何特性、辐射特性、光谱特性和时间特性。
任何地物及其所表现出来的信息实际上无时无刻都处在一种动态变化的过程中。
任何一个我们要感知或探测的地物都有三大属性,第一是空间属性,任何物体都有一定的空间大小,或尺寸。
第二是辐射特性,我们看物体的影像,实际上是这个物体对外界辐射或光线的反射所造成的。
这种辐射对我们的眼睛产生一种刺激,物体的辐射强度越强,对我们的眼睛刺激就越强。
把房间的灯都关掉,眼睛感知不到物体,我们就看不见东西了。
第三是光谱属性,也就是说物体所反射或发射的辐射并不是只有一个单一的波长,实际上是连续的光谱,这就是我们所能看到的颜色。
任何地物都是在这三个方面展开,比如说通过地物的光谱测量,可以得到地物的光谱曲线。
我们把辐射和空间结合起来,可以得到辐射在空间里的非均匀分布所形成的一张图像。
如果把辐射、光谱和空间结合起来,就能得到一种既有图像又有光谱的信息。
实际上现在人类充分利用了各种类型的对地观测卫星和飞机等遥感技术来观测地表的物体,它们的现象和过程,了解我们的河流、山川、土地等等,将各种观测数据用以服务于国家的经济建设和国家安全。
现在实际上在空间中有成百上千个卫星围绕着我们的地球转,低的几百公里,高的有几万公里,正是它们随时不断地观测着我们的地球。
2.
空间对地观测系统的发展
自从1957年前苏联发射第一颗人造地球卫星以来,人类进入了空间时代,而自从1960年美国发射了第一个气象卫星以来,特别是1972年美国发射了第一颗地球资源卫星以后,更是开创了从空间通过卫星来观测地球的历史。
到现在为止,人们已向空间发射了大量的卫星和各种飞行器。
据不完全统计,其数量可达五六千颗之多。
各种各样的卫星,其中有相当一部分是对地面进行观测的,虽然大部分现在已经不起作用了,但仍然还有数十颗在运行,还在不断地进行着观测,不断地向我们发送各种对地观测数据。
预计最近若干年还会有大量的卫星发射升空。
遥感的发展是通过不断提高观测能力来实现的。
现代的遥感技术往往是通过从空中或空间获取图像信息作为体现的。
这中间有个分辨率的问题,对遥感信息来说,有空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。
空间分辨率表示遥感影像对地面物体分辨的大小,通俗来说也就是地物的清晰程度。
现在从几百公里的卫星获得的影像上可以看到比1米还要小的地物。
光谱分辨率是表示一幅影像所占的光谱区间,光谱区间越小,光谱分辨率也就越高。
通常一张照片,如彩色照片,只有三个颜色,也就是只有三个波段。
而现代遥感技术的发展已经可以从卫星或者飞机上得到数十、数百以至上千个波段的信息。
时间分辨率是表示重复观测一个地区的时间间隔。
重复观测周期越短,时间分辨率也就越高。
这三种分辨率实际上也是一组矛盾,时间分辨率越高,空间分辨率就不可能很高,同样,光谱分辨率高了也会影响空间分辨率。
遥感卫星的发展从20世纪70年代到现在,其空间分辨率可以说几乎每十年要提高一个数量级,70年代民用卫星的分辨率大体是80~100米,但到本世纪初,卫星遥感的空间分辨率已经高于1米了。
光谱分辨率也几乎遵循同样的规律,不断地提高。
现在可用的民用的卫星,其空间分辨率已经达到了0.6米。
3.
对地观测技术的发展趋势
对地观测技术的发展趋势体现在以下四个方面:
①探测目标、解决问题和信息服务能力的拓展和深化。
最重要的是体现在前面所说的三个“W”问题上;
②观测能力不断提高。
主要表现在全天候、全天时和全球观测能力上。
现在遥感已具备不管刮风下雨,不管白天晚上,无论全球任何地方都能观测无误。
遥感的发展对于我们的认识论的提高是一个很大的飞跃,可以真正做到“秀才不出门,能知天下事”,“运筹帷幄,决胜千里”;
③向高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率的方向发展并同时提高,即所谓的三“高”发展趋势。
现在的气象卫星,包括中国的气象卫星在内每天可以把全球观测两遍。
现在我们随时可从电视台上可以看到天气预报,就是得益于气象卫星对地球的观测;
④综合观测的发展趋势。
具体体现在三个结合上,即大卫星和小卫星的结合,航空和航天遥感的结合,技术发展和应用相结合。
全球的观测能力是现代遥感的一个重要特征。
我们现在讲全球变化,遥感是其中重要的贡献者。
实际上人的眼睛所能看到的范围是非常小的,而遥感正是人的眼睛的延长和拓展。
卫星遥感给我们提供了非常宏观的观测能力,借助卫星人们可以实现对全球的观测。
通过卫星观测,可以得到全球土壤湿度状况、全球植被的分布状况、海洋浮游生物的空间分布及其富集状况等。
通过卫星人们随时都可以监测全球的变化。
(1)
海洋表面的温度监测
这是通过咱们国家发射的“风云一号”气象卫星所反演得到的全球海洋表面的温度状况图(图3),红色代表温度比较高,其中最高甚至达到32度,蓝色所代表的是温度比较低的区域。
大家记忆犹新的是1997年厄尔尼诺的大爆发,这是最近十几年以来最强的厄尔尼诺现象,它对全球,特别是东半球产生了重大的影响。
厄尔尼诺的影响从南美洲的西海岸,一直扩大到澳大利亚、新西兰、印度尼西亚、菲律宾等国家。
上述许多地区雨量偏多,但也有不少地区实际降水量非常稀少,导致1997年的冬季和1998年春季,印度尼西亚、马来西亚等国降水偏少,异常干旱。
那一年,在东南亚这一带出现非常严重的森林火灾,严重的时候甚至连飞机的起降都受到影响,有时机场也不得不关闭。
大家同样记忆犹新的是我国1998年的特大洪水,实际上都是受到整个海洋厄尔尼诺和La
Nina现象影响的结果。
通过卫星的观测人们还可以了解到对地球起到保护作用的臭氧层受到破坏所形成的空洞,而且臭氧空洞还在不断扩大,这对人类是非常不利的。
(2)
全天候观测
全天候观测的问题,是遥感发展的一大趋势。
我们在卫星和飞机上采用的雷达遥感器,它就可以透过云层观测地面。
美国在2000年用航天飞机带上去的一个雷达地形制图仪,它于2000年2月11号发射上去,2月22号返回地面,一共工作了11天的时间,飞行高度为233公里。
它的一个天线伸展出去60米。
在这11天中,它把北纬60度到南纬56度之间,1.126亿平方公里的范围做了一次完整的测绘,获得了非常丰富的数据。
现在我们再看看,遥感是怎么会回答是什么,有什么,什么时间的。
实际上卫星的轨道是非常准确的,因此,卫星所获得的信息都可以精确定时和定位。
这是美国纽约曼哈顿地区的高分辨率卫星遥感图像。
大家可以看到这两座世贸大楼,在2001
年9•11之前是完好的。
但是就在9月12日,即9•11撞击之后的第二天,这两座大楼已经坍塌,冒出的浓烟正笼罩在纽约的上空,这个完全是用卫星,在700多公里高空拍下来的,我们可以非常清楚地看到每一栋楼。
华盛顿美国国防部的五角大楼也遭到同样的命运。
9月12日,五角大楼的一个角被削掉了。
通过卫星观测的跟踪可以看到2002年6月3号的时候,基本上得到了重建。
通过上述事例充分说明,遥感卫星有这个能力来回答前面所提出的问题。
由于光谱分辨率的提高,又从另外一个角度提供了回答“是什么”的问题。
这里可以用北京沙河地区的高光谱遥感来说明。
我们可以看到对这个地区进行的详细分类,它告诉我们,哪些是植被,哪些是水体,哪些是高速公路,哪些又是一些不同材料的屋顶。
我们可以把经过分类的植被、高速公路、煤堆、水泥表面,甚至油毡屋顶提取出来,分别表示。
(3)
高空间分辨率遥感
遥感的一个重要发展趋势就是高分辨率的发展趋势,即向高空间分辨率、高光谱分辨率,和高时间分辨率的方向发展。
1999年美国发射了一颗名为IKONOS的高分辨率卫星,也就是前面大家看到9•11以后监视纽约世贸大楼和华盛顿五角大楼的那颗卫星(图5),它的分辨率为1米。
美国去年又发射了一颗叫作快鸟的卫星,这个卫星的分辨率是0.61米,也就是61厘米的分辨率,是它最重要的参数。
这颗卫星还有一个彩色的多光谱成像仪,它的分辨率是2.44米。
这里我们可以看到IKONOS卫星所得到的北京天安门广场的照片(图6)。
在这幅照片中可以看到天安门广场上的许多细节,包括瞻仰毛主席纪念堂排队的人群,人们排的队形成为一条很细的线条进了纪念堂,而离开纪念堂的人流就散开了去。
这就是0.61米的卫星所得到的北京天安门广场的照片,应该说有一些地方看得更清楚了,如天安门广场上单独的人、正在建设的国家大剧院等。
(4)
我国的卫星发展
我国从20世纪70
年代以来,已向空中发射了将近50颗国产卫星,其中包括6颗气象卫星,3颗地球资源卫星,海洋卫星,还有4艘神舟号宇宙飞船。
最近我们还将要进一步发射我国的卫星,特别是通过卫星来开展我们的对地观测。
这就是我们第一颗地球资源卫星,又称为中—巴地球资源卫星,是和巴西联合研制的。
它的分辨率是20米,也就是说我们可以看到一个比较宏观的,但是也是比较细致的地球表面的影像。
我国去年3月份发射的神舟3号宇宙飞船上载有一台中分辨率成像光谱仪,后来发射的神舟4号和将要发射的神舟5号上都会一直不断地进行对地观测的科学实验。
我们神舟3号的中分辨率成像光谱仪从整体上来讲是比较先进的,它共有34波段。
在我们眼睛所能见到的可见光范围之内,有20个波段,在我们眼睛不能见到的近红外光谱区共有10个波段,此外短波红外有一个波段,热红外有三个波段。
通过这样的仪器,我们可以不断地对地球进行观测。
这个成像光谱仪最大的优点,是它可以把地面的地物和它的光谱特性结合起来。
5)
高光谱遥感
现在无论是我们国还是国外,都在发展一种新的遥感仪器,叫作高光谱成像仪,这是高光谱成像仪的影像的集合体(图10),我们把它称为图像立方体,实际上这是一个图像,这个图有80个波段,也就是说它相当于一个扑克牌一样,里面的每一个扑克牌都是一个影像,但是它的波段不一样,所以从这个里面可以得到它的光谱,得到任何一点的光谱特性,这是高光谱成像仪的特点。
通过我们的高光谱遥感仪器,从飞机或卫星上就可以获得地面的高光谱影像。
(6)
大卫星和小卫星
我们现在所能用的空间遥感数据,有很多来自于较大的卫星,有一些来自于较小的卫星,也有一些来自于航空遥感。
我们现在用得较普遍的一些数据来自于美国发射的一个叫作地球观测系统(EOS)的卫星组,这是一种很大的卫星观测平台,这个卫星上装了有五六种大型的仪器,实现着综合的对地观测。
去年欧洲发射的一个叫作“环境卫星”的大型卫星,它的重量有8.2吨,研制的周期长达15年,整个耗资20亿欧元。
这个卫星能力非常强,是一个很综合的卫星,它的主要任务是要研究全球变暖、臭氧层破坏、厄尔尼诺现象、世界森林变化、海平面的上升、大气污染、自然灾害等等。
我们也应该看到,除这种大型的卫星而外,同时在天上飞的,还有一些小型和微小的卫星。
与常规的大卫星相比,这种卫星要小得多,它的大小只有几十,甚至几公斤,比一个人还要小。
我们的清华大学曾经发射了一颗微小对地观测卫星,在空中也可以对地面进行照相。
现在我国国家遥感中心也正在与国外合作研制和发射一颗高性能对地观测小卫星,这颗高性能对地观测小卫星有两个遥感器,一个是32米的分辨率的多光谱成像仪,它的地面覆盖宽度可以达到600公里宽;
第二种遥感器是一种全色固态成像仪,它的地面分辨率是4米,地面覆盖宽度为24公里。
这是一种多光谱和全摄的有效组合。
它的轨道高度将近700公里,重量仅为160多公斤。
(7)
航空遥感
除此而外,航空遥感也同样受到重视。
现在国际上无论是美国等发达国家还是发展中国家,都还是不断地利用飞机装载各种遥感仪器对地面进行遥感探测。
飞机有相当大的灵活性,可以装很多仪器,有利于实施航空对地观测。
例如美国的一种高空遥感飞机,是由原来的军用高空侦察飞机改装而成的,它可以装有十几种甚至更多的仪器来对地进行综合观测。
现在国外还正在发展一些能飞行在平流层的超高空的无人飞机或飞行器,它们的飞行高度可以达到20多公里以上,它也可以用来对地面进行有效的观测。
现在有一种以太阳能为动力的无人飞机,它的飞行高度甚至可达到30公里,它在平流层高空上可以留空的时间超过100小时。
这就是说人类除了利用卫星和常规的飞机以外,还可以并正在利用一些更先进的以太阳能作为动力的超高空无人机。
这是中国科学院装备的高空遥感飞机,这两架高空遥感飞机从1986年引进和改装到现在一直还在运行。
而科学院研制的一些遥感仪器,也曾经应邀到国外进行了飞行,开展合作研究。
我国除中科院以外,其他一些部门,如航天部门、一些高校都在遥感技术和应用的发展中发挥了很大的作用。
近年来由国家863高技术计划支持,我们国家在遥感方面,特别是航空遥感、卫星遥感,包括小卫星遥感,取得了很大的成绩。
从可见光到微波,包括合成孔径雷达在内的各种类型的遥感仪器都在研制,有的已研制成功。
(8)卫星导航和定位技术的发展
卫星导航定位技术现在已经深入人心了,国内外很多出租车上都安装了卫星导航定位系统,这对出租车的运行调度有很大的作用。
我们经常讲的遥感,实际上往往是代表空间信息的集成,或称为遥感地理空间信息,是所谓的3S,也就是遥感、地理信息系统和卫星定位系统的综合集成。
现在我们谈到卫星定位系统,往往以美国的GPS作为典型的范例,因为美国的GPS应用非常广泛。
俄罗斯的Glonass卫星定位系也有一定的使用和覆盖范围,但是没有美国这一套系统覆盖得这么宽,在全球的各个领域都在用。
实际上GPS一共是24颗卫星围绕着地球转,随时的任何目标,都可同时看到若干颗卫星,通过接受卫星的信号,进行解码和计算,人们就可以准确地知道接收机的准确位置。
其中精度最高的是美国搞的单站战军用的P码,它可以做到3米,甚至1米。
我们平常一般可以得到15米到30米的精度,而这个定位精度对解决资源探测环境研究,特别是自然灾害的监测和评估会发挥很大的作用。
如果我们采用差分技术,它的精度还会大大提高。
这个差分技术,就是在地面建立一个基准站,与它的坐标位置一致的基准站,通过基准站和卫星能够形成一个联网,这样的话,通过对基准站数据的广播,我们可以得到更精确的定位信息。
现在我们国家在高精度的GPS方面,以美国的卫星作为应用的对象,实际上已经构成了非常密的GPS网,可以在我们国家任何地方通过这个网,观测到你的位置。
甚至现在可以把GPS装到飞机上,对飞机进行定位。
比如说我们在进行航摄的时候,进行遥感的时候,实际上可以对GPS定位,来导航,实际上它的应用范围非常宽,非常广。
有人做了这样一个比方,如果遥感的市场是1的话,地理信息系统的市场可能是10,但是GPS对地卫星定位技术的市场可能是100,也就是说从遥感的服务对象来看,在中国和一些发达国家,实际上它的对象主要是政府,国家的各个地方政府、中央政府。
地理信息系统(GIS),它的对象可以是很多公司,可以一直到非常小的单元,但是GPS,比如说卫星定位系统,它一直可以到每一个人,现在国内外都研制出这种服务体系,一直到每一个人的服务体系,所以有的甚至把这种卫星定位的接收机装到小孩的身上,让他背在书包里面,这样他到什么地方,他的家长随时都可以知道他的位置。
所以,这样的应用已经逐渐在拓宽。
二、
遥感空间信息在资源、环境、人口、灾害及国家宏观管理和政府科学决策中的作用实际上遥感应用在我国已经取得了很大的进步,已经成为国家经济建设、社会发展和政府科学决策的重要信息支撑,比如说对土地资源、土地利用和它的动态监测,已经在我国作为运行系统运行,不断提供相关数据。
对主要的农作物进行了遥感估产,对森林资源进行了调查,对植树造林、退耕还林进行了评估。
对一些重要自然灾害,遥感一直在进行着监测和评估。
我们每天听的天气预报,实际上就是采用了气象卫星的遥感数据。
1.
土地覆盖、土地利用的遥感调查与监测
因为有了遥感,我们可以科学、客观地分析我们全国的土地利用的状况,可以看到不同的土地利用状况,如幼林地、灌木林、草地、河流、湖泊、农业用地、城市用地、工业用地等,这些都可以通过卫星遥感分析得到。
我们也可以看看中国耕地分布的空间格局。
我国的耕地,主要分布在东部,从华北到华东这一带,四川的耕地也相当密集。
林地在中国主要分布在东北、西南等地。
草地基本上是偏到中国的西部。
建筑用地的空间分布,反映了这些地区人类活动的状况。
我国沿海,特别是珠江三角洲、长江三角洲,人口密集,反映了人类活动的剧烈程度,这里土地利用程度非常之高。
在土地利用程度的空间分布图上,红颜色表示了高的土地利用程度。
从1996年到2000年中国土地利用的变化状况中,我们可以看到水田、旱地、林地、城市用地的变化等等。
这些都是用卫星可以不断监测的。
城市遥感
城市和城市群的发展,城市的热岛效应,都是我们人居环境的重要组成部分。
现在的建筑密度越来越大,建筑物互相辐射的影响,再加上夏天的空调,因此,实际上在每一个城市,都形成了一个热源,它比周围温度,最高的时候可能高出4~5度。
一个环境非常良好的城市,不应有明显的热岛效应。
现在北京市委市政府采取了很多措施,特别是在申奥成功以后,加大了环境建设的力度,不断地提高和改进我们的城市环境。
现在我们强调一个区域的建设,都要有相当的绿地。
所以北京市的绿地会不断地扩大,也就是将来的热岛效应,会逐渐下降。
但是城市毕竟比周围温度要高一些。
我们看到在长江三角洲,苏、锡、常、上海、南京这一带城市群的发展,可以看到我们国家基本建设的发展。
遥感可以为国家的管理者、国家有关部委,包括党和国家领导人提供科学客观的信息,为国家建设的宏观决策发挥信息服务的作用。
森林遥感
在有关森林的遥感影像上,用红颜色来表示森林,这是遥感的一种特别表达方法,也是国际上大家都公认的一种有利于显示植被的方式,它被称为假彩色。
红颜色越浓,表示森林或植被越茂密。
我们用了一些圈子来显示森林的变化,在一些圈里两个时期森林变化很大,有的原来很好的林子被毁掉了,有的是人为砍掉的,有的则可能是被烧掉的。
当然,也有个别变好的。
虽然这只是一个局部的例子,但它还是具有代表性。
从整体讲,森林也和环境一样,局部有所改善,但在整体上还需要进一步加大治理的力度。
此外,我们也可以从遥感影像上看到防护林带的建设情况。
从世界范围内看,有两个地方的森林是最重要的,一个是东南亚,一个是巴西的亚马逊河流域。
巴西的亚马逊河流域森林的面积有几百万平方公里,有的人把它称为地球的肺,这是很有道理的。
现在,亚马逊河流域的森林也遭受到很大的破坏。
被砍掉的森林几乎都是沿着交通线,看来这是和当地经济发展有关。
森林的砍伐,现在看来还是有增无减,还在加剧,所以这个地方引起了全世界的广泛关注。
我们曾获得用雷达得到的亚马逊河森林地区的一个图像,经处理成彩色以后,一些信息就能得到更好的显示。
图中还表示了地表的高程,或地形,也能表示森林的高度。
因此这样的雷达遥感技术可以获得地表非常综合的信息。
海岸和红树林
红树林是海岸带的宝贵财富,因此,国际上非常重视红树林的保护。
在我国比较好的红树林并不很多,它们主要分布在海南岛、广东、福建等地。
从海南岛的一个红树林地区的影像来看海南岛东寨港红树林保护区从198
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