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《遥感导论》是一门涉及地理和遥感技术的学科,主要介绍遥感的基本概念、系统构成、不同类型以及特点。遥感技术起源于20世纪60年代,是一种无接触的远距离探测技术,主要利用电磁波进行探测。根据广义理解,遥感涵盖了所有非接触探测技术,但通常特指电磁波探测。 遥感的核心概念在于其不与探测目标直接接触,而是通过探测仪器记录目标物的电磁波特性,以此揭示物体的特性及其变化。遥感与遥测(测量物体参数)和遥控(远距离控制)有所不同,但它们在实际应用中常常互相配合。遥感系统主要包括目标物的电磁波特性、信息获取、信息传输与记录、信息处理和信息应用五个部分。 遥感信息的获取依赖于传感器,这些设备可以是扫描仪、雷达、摄影机等,它们安装在不同的平台,如地面、空中或空间平台。信息接收后,经过处理,如辐射校正、卫星姿态校正等,转为用户可用的数据格式。遥感信息的应用广泛,覆盖了多个专业领域,如资源调查、环境监测、农业、林业、地质、气象、城市规划、灾害管理乃至军事应用。 遥感的分类方式多样,按平台分为地面、航空、航天和航宇遥感;按探测波段分为紫外、可见光、红外、微波和多波段遥感;按工作方式分为主动和被动遥感,以及成像和非成像遥感;按应用领域则涵盖了从大气层到海洋,从资源到军事的广泛范围。 遥感技术的特点显著,包括大面积同步观测的能力,这使得获取大量数据变得可能,不受地形等因素限制。此外,遥感还具有高效性、实时性、动态性和经济性,能够快速、全面地获取地球表面信息,极大地推动了地理科学研究和环境保护等领域的发展。
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第一章 绪论
1.1 遥感的基本概念
遥感是 20 世纪 60 年代发展起来的对地观测综合性技术。通常有广义和狭义的理解。
1.1.1 广义的遥感
遥感一词来自英语 Remote sensing,即“遥远的感如”。广义理解,泛指一切无接触的远距
离探测,包括对电磁场、力场、机械被(声波、地震波)等的探测。
实际工作中,重力、磁力、声被、地震波等的探测被划为物探(物理探测)的范畴。因
而,只有电磁波探测属于遥感的范畴。
1.1.2 狭义的遥感
遥感是应用探测仪器,不与探测目标相接触,从远处把目标的电磁波特性记录下来,
通过分忻,揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。
遥感不同于遥测(Telemetry)和遥控(Remote Control)。遥测是指对被测物体某些运动参
数和性质进行远距离测量的技术,分接触测量和非接触测量。遥控是指远距离控制目标物
运动状态和过程的技术。
遥感,特别是空间遥感过程的完成往往需要综合运用遥测和遥控技术。如卫星遥感,
必须有对卫星运行参数的遥测和卫星工作状态的控制等。
1.2 遥感系统
根据遥感的定义,遥感系统包括:被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记
录、信息的处理和信息的应用五大部分(图 1.1)。
1.2.1 目标物的电磁波特性
任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质,这是遥感的信息源。目标物与电磁
波的相互作用.构成了目标物的电磁波特性,它是遥感探测的依据。
1.2.2 信息的获取
接收、记录目标物电磁波特征的仪器,称为传感器或遥感器。如扫描仪、雷达、摄影机 、
摄像机、辐射计等。
装载传感器的平台称遥感平台,主要有地面平台(如遥感车、手提平台、地面观测台等)、
空中平台(如飞机、气球、其他航空器等)、空间平台(如火箭、人造卫星、宇宙飞船、空间
实验室、航天飞机等)。
1.2.3 信息的接收
传感器接收到目标地物的电磁波信息,记录在数字磁介质或胶片上。胶片是由人或回收
舱送至地面回收,而数字磁介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线传输给地面的卫
星接收站。
1.2.4 信息的处理
地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息,记录在高密度的磁介质上 (如高密度磁带
HDDT 或光盘等),并进行一系列的处理,如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影变
换等,再转换为用户可使用的通用数据格式,或转换成模拟信号(记录在胶片上),才能被
用户使用。
地面站或用户还可根据需要进行精校正处理和专题信息处理、分类等。
1.2.5 信息的应用
遥感获取信息的目的是应用。这项工作由各专业人员按不同的应用目的进行。在应用过
程中,也需要大量的信息处理和分析,如不同遥感信息的融合及遥感与非遥感信息的复合
等。
总之,遥感技术是一个综合性的系统,它涉及到航空、航天、光电、物理、计算机和信
息科学以及诸多的应用领域,它的发展与这些学科紧密相关。
1.3 遥感的类型
遥感的分类方法很多,主要有下列几种:
1.3.1 按遥感平台分
地面遥感:传感器设置在地面平台上,如车载、船裁、手提、固定或活动高架平台等;
航空遥感:传感器设置于航空器上,主要是飞机、气球等;
航天遥感:传感器设置于环地球的航天器上,如人造地球卫星、航天飞机、空间站、
火箭等;
航宇遥感:传感器设置于星际飞船上,指对地月系统外的目标的探测。
1.3.2 按传惑器的探测波段分
紫外遥感:探测波段在 0. 05—0.38 μm 之间;
可见光遥感:探测波段在 0. 38—0.76 μm 之间:
红外遥感;探测波段在 0.76—1 000 μm 之间;
微波遥感:探测波段齐 1 mm—10 m 之间;
多波段遥感:指探测波段在可见光波段和红外波段范围内,再分成若干窄波段来探测
目标。
1.3.3 按工作方式分
主动遥感和被动遥感:主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散
射信号;被动遥感的传感器不向目标发射电磁被,仅被动接收目标物的自身发射和对自然
辐射源的反射能量。
成像遥感与非成像遥感:前者传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成(数字或模拟)图
像;后者传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。
1.3.4 按遥感的应用领域分
从大的研究领域可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等;
从具体应用领域可分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、
气象遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等,还可以划分为更细
的研究对象进行各种专题应用。
1.4 遥感的特点
1.4.1 大面积的同步观测
在地球上,进行资源和环境调查时,大面积同步观测所取得的数据是最宝贵的。依靠
传统的地面调查,实施起来非常困难,工作量很大。而遥感观测则可以为此提供最佳的获
取信息的方式,并且不受地形阻隔等限制。遥感平台越高,视角越宽广,可以同步探测到
的地面范围就越大,容易发现地球上一些重要目标物空间分布的宏观规律,而有些宏观规
律,依靠地面观测是难以发现或必须经长期大面积调查才能发现的。如一帧美国的陆地卫
星 Landsat 图像、覆盖团积为 100 n mile (185 km×l85 km)=34 225 km²,在 5—6 min 内即可
扫描完成,实现对地的大面积同步观测;一帧地球同步气象卫星图像可覆盖 1/3 的地球表
面,实现更宏观的同步观测。
1.4.2 时效牲
遥感探测,尤其是空间遥感探测,可以在短时间内对同一地区进行重复探测,发现
地球上许多事物的动态变化。这对于研究地球上不同周期的动态变化非常重要。不同高度
的遥感平台其重复观测的周期不同,地球同步轨道卫星可以每半个小时对地观测一次 (如
FY—2 气象卫星);太阳同步轨道卫星(如 NONN 气象卫星和 FY—1 气象卫星)可以每天 2 次
对同一地区进行观测。这两种卫星可以探测地球表面及大气在一天或几小时之内的短周期
变化。地球资源卫星(如美国的 Landsat、法国的 SPOT 和中国与巴西合作的 CBERS)则分别
以 16 天、26 天或 4—5 天对同一地区重复观测一次,以获得一个重访周期内的某些事物的
动态变化的数据。而传统的地面调查则须在大量的人力、物力,用几年其至几十年时间才
能获得地球上大范围地区动态变化的数据。因此,遥感大大提高了观测的时效性。这对于
天气预报、火灾、水灾等的灾情监测,以及军事行动等都非常重要。
1.4.3 数据的综合性和可比性
遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上许多自然、人文信息。红外遥感
昼夜均可探测,微波遥感可全天时全天候探测,人们可以从中有选择地提取所需的信息。
地球资源卫星 Landsat 和 CBERS 等所获得的地物电磁波特性均可以较综合地反映地质、地
貌、土壤、植被、水文等特征而具有广阔的应有领域。由于遥感的探测波段、成像方式、
成像时间数据记录等均可按要求设计,使其获得的数据具有同一性或相似性。同时考虑到
新的传感器和信息记录都可向下兼容,所以,数据具有可比件。与传统地面调查和考察比
较,遥感数据可以较大程度地排除人为干扰。
1.4.4 经济性
遥感的费用投入与所获取的效益,与传统的方法相比,可以大大地节省人力、物力、财力
和时间,具有很高的经济效益和社会效益。有人估计,美国陆地卫星的经济投入与取得的
效益比为 1:80,甚至更大。
1.4.5 局限性
目前,遥感技术所利用的电磁波还很有限,仅是其中的几个波段范围。在电磁波谐中,尚
有许多谱段的资源有待进一步开发。此外,已经被利用的电磁波谱段对许多地物的某些特
征还不能难确反映,还需要发展高光谱分辨率遥感以及遥感以外的其他手段相配合,特别
是地面调查和验证尚不可缺少。但随着遥感技术的进一步发展,所能利用的电磁波谱段将
愈来愈多,成像的空间分辨率和光谱分辨率也愈来愈高,其感测的目标更广,对地球上的
资源和环境的调查、监测将起到更大的作用。
1.5 遥感发展简史
最 早 使 用 “ 遥 感 ” 一 词 的 是 美 国 海 军 研 究 局 的 艾 弗 林 · 普 鲁 伊 持
(Evelyn.L.Pruitt,1960)。1961 年,在美国国家科学院(National Academy of Sciences)和国家
研究理事会(Nation Research Council)的资助下.于密歇根大学(univesity of Michigan)的威罗.
兰(Willow.Run)实验室召开了“环境遥感国际讨论会”,此后,在世界范围内,遥感作为一
门新兴的独立学科,获得飞速的发展。
但是,遥感学科的技术积累和酝酿却经历了几百年的历史和发展阶段。
1.5.1 无记录的地面遥感阶段(1608-1838 年)
1608 年,汉斯·李波尔赛制造了世界第一架望远镜,1609 年伽利略制作了放大倍数 3
倍的科学望远镜,从而为观测远距离目标开辟了先河。但望远镜观测不能把观测到的事物
用图像的方式记录下来。
1.5.2 有记录的地面遥感阶段(1839-1857 年)
对探侧目标的记录与成像始于摄影技术的发明,并与望远镜相结合发展为远距离摄
影。1839 午,达盖尔(Daguarre)发表了他和尼普斯(Niepce)拍摄的照片,第一次成功地把拍
摄到事物形象地记录在胶片上。1849 年,法国人艾米·劳塞达特(Aime Laussedat)制定了摄
影测量计划,成为有目的有记录的地面遥感发展阶段的标志。
1.5.3 空中摄影遥感阶段(1858-1956 年)
1858 年,G .F.陶纳乔(Caspard Felix Tournachon)用系留气球拍摄了法国巴黎的“鸟瞰”像片。
1860 年,J.w.布莱克(James Wallace Black)与 S.金(Sam King)乘气球升空至 630 m,成
功地拍摄了美国波士帧(Boston)市的照片。
1903 年 J.W. 纽布朗纳(Julius Nenbronner)设计了一种捆绑在飞鸽身上的微型相机。这些
试验性的空间摄影,为后来的实用化航空摄影遥感打下了基础。
同年,w.莱特和 O.莱特(wilbour Wright &Orvilke Wright)发明了飞机,才真正地促进
了航空遥感向实用化的迈进。
此外,还有人用风筝拍摄空中照片,如 G. .R 劳伦斯(Laurence)于 1906 年成功地记录了著
名的旧金山大地震后的情景.
1909 年,w.莱特在意大利的森托塞尔上空用飞机进行了空中摄影;1913 年,利比亚班
加西(Bangashi)油田测量就应用航空摄影,C.塔迪沃((Captain Tardivo)在维也纳国际摄影测
量学会会议上发表论文,描述了飞机摄影测绘地图问题。
在第一次世界大战期间,航空摄影成了军事侦察的重要手段,并形成了一定的规模。与
此同时,像片的判读水平也得到提高。一战以后,航空摄影人员从军事转向商业应用和科
学研究。美国和加拿大成立了航测公司;美国和德国分别出版了《摄影测量工程》及类似
性质的刊物,专门介绍有关技术方法。1930 年起,美国的农业、林业、牧业等政府部门都
采用航空摄影并应用于制定规划。
1924 年,彩色胶片的山现.使得航空摄影记录的地面目标信息更为丰富。 1935 年彩色胶
片投入市场初期,由于速度慢和无法消除大人气霾的影响,加工冲印技术不过关,不能推
广,但为后来的航空遥感打下了基础。
第二次世界大战前期,德、英等国就充分认识到空中侦察和航空摄影的重要军事价值,
井在侦察敌方军事态势、部署军事行动等方面收到了实际效果。
二战后期,美国的航空摄影范围覆盖了欧亚大陆和太平洋沿岸岛屿,包括日本在内的广
大地区,制成地图,并标绘了军事目标,成为美国在太平洋战争中的重要情报来源。在前
苏联的斯大林格勒保卫战等重大战役中,航空摄影对军事行动的决策起到了重要作用。
二战中,微波雷达的出现及红外技术应用于军事侦察,使遥感探测的电磁波谱段得到了
扩展。
二战及其以后.出版了一些著作,对航空遥感的方法和理论进行了总结。如 1941 年
A.J.厄德莱(Eardey)的《航空像片:应用与判读》、J. w.巴格莱(Bagley)的《航空摄影与
航空测量》等。前者讨论了航空像片的地质学应用及某些地物,包括植被的物征。后者则
侧重于航空测量的方法探讨。
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