遥感原理与应用(第二版)

**章 绪论 遥感（remote sensing，RS）技术是20世纪60年代兴起并迅速发展起来的一门综合性探测技术，它是建立在现代物理学（光学、红外线技术、微波技术、激光技术、全息技术等）、空间技术、计算机技术以及数学方法和地学规律基础之上的一门新兴科学技术。遥感的功能价值引起了许多学科和部门的重视，特别是在资源勘查、环境管理、全球变化、动态监测等方面得到越来越广泛的应用，极大地扩展了人们的观测视野及研究领域，形成了对地球资源和环境进行探测和监测的立体观测体系，揭示了地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律，并成为信息科学的重要组成部分。 **节 遥感的基本概念 遥感，顾名思义，遥远的感知，泛指一切无接触的远距离探测。遥感在不同的学科中有着不同的定义。根据全国科学技术名词审定委员会对遥感的定义，在测绘学中，遥感被定义为不接触物体本身，用传感器收集目标物的电磁波（electromagnetic wave）信息，经处理、分析后，识别目标物，揭示其几何、物理性质和相互关系及其变化规律的现代科学技术；在地理学中，遥感被定义为非接触的、远距离的探测技术，一般指运用传感器对物体的电磁波的发射、反射特性的探测，并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析的理论、方法和应用的科学技术。尽管遥感的定义种类较多，但是目前国内广泛采用的定义为：遥感是在远离探测目标处，使用一定的空间运载工具和电子、光学仪器，接收并记录目标的电磁波特性，通过对电磁波特性进行传输、加工、分析和识别处理，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。 从定义来看，遥感有广义和狭义之分。 一、广义的遥感 广义的遥感是指各种非直接接触、远距离探测目标的技术，往往是通过间接手段来获取目标状态信息。例如，遥感主要根据物体对电磁波的反射和辐射特性来对目标进行信息采集，包括利用声波、电磁场和地震波等。但在实际工作中，只将电磁波探测划入遥感范畴。 而《不列颠百科全书》对遥感的定义为：不直接接触物体本身，从远处通过探测仪器接收来自目标物体的信息（电场、磁场、电磁波、地震波），经过一定的传输和处理分析，以识别目标物体的属性及其分布等特征的技术。遥感不仅可以将地球的大气圈、生物圈、水圈、岩石圈作为观察对象，也可以扩大到地球以外的外层空间。 二、狭义的遥感 狭义的遥感是指利用搭载在遥感平台（remote sensing platform）上的可见光、红外、微波等各种传感器（sensor），通过摄影、扫描等方式，从高空或远距离甚至外层空间接收来自地球表层或地表以下一定深度的各类地物发射或反射的电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，进而识别地表物体的性质和运动状态。 遥感技术利用电磁波探测地物，并由此判读和分析地物目标和现象。因此，从电磁波的角度，狭义的遥感还可以看作一种通过利用和研究物体反射或辐射电磁波的固有特性，达到识别物体及其环境的技术。 第二节　遥感的类型与特点 一、遥感的类型 因为遥感技术应用领域广，涉及学科多，不同领域的研究人员所持立场不同，所以对遥感的分类方法也不同，目前还没有一个完全统一的分类标准。但总的来讲主要有以下几种类型。 1. 根据遥感平台分类 遥感平台是指搭载传感器的工具，主要包括人造地球卫星、航天/航空飞机、无线电遥控飞机、气球、地面观测站等。表1.1中列出了遥感中常用的平台及高度和使用目的。根据传感器的运载工具和遥感平台的不同，遥感可以分为地面遥感、航空遥感、航天遥感和航宇遥感。 表1.1 常见的遥感平台 地面遥感：将传感器设置在地面平台之上，常用的遥感平台有车载、船载、手提、固定和高架的活动平台，包括汽车、舰船、高塔、三脚架等。地面遥感是遥感的基础阶段。 航空遥感：将传感器设置在飞机、飞艇、气球上面，从空中对地面目标进行遥感。主要遥感平台包括飞机、气球等。 航天遥感：将传感器设置在人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭上面，从外层空间对地球目标进行遥感。 航宇遥感：将星际飞船作为传感器的运载工具，从外太空对地-月系统之外的目标进行遥感探测。主要传感器平台包括星际飞船等。 航天遥感和航空遥感一起构成了目前遥感技术的主体。不同平台各有其特点和用途，依据任务需要可以单独或配合使用，组成多层次立体观测系统。 2. 根据遥感对象分类 根据遥感对象的不同，遥感可以分为以下三种类型。 对地遥感：通过对地观测技术，从空中（或宇宙空间）对地球（包括地球体及大气空间）进行遥感观测，获取地球表面（陆圈、水圈、生物圈和大气圈）反射或发射的电磁辐射能量的数据，定性或定量地研究地球表层的物理、化学、生物及地学过程，为资源调查、环境监测等服务。 月球遥感：获取月球表面的三维立体影像，分析月球表面有用元素和物质类型的分布特点，探测月壤特性和地月空间环境。月球探测是众多高新技术的高度综合，也是各国综合科技实力的体现。 行星遥感：空间探测卫星所携带的传感器提供了大量有关行星天气、表面特征的图像和数据，可以用来研究行星的大气组成、大气层结构、表面温度与形态、成分与结构、岩石矿物、地质构造以及行星内部结构等特征。 3. 根据传感器的探测波段分类 根据传感器所接收的电磁波谱（也称光谱）不同，遥感可分为以下五种类型。 紫外遥感：探测波段在0.05～0.38μm，主要探测目标地物的紫外辐射能量，目前对其研究较少。 可见光遥感：探测波段在0.38～0.76μm，主要收集和记录目标地物反射的可见光辐射能量，常用的传感器主要有扫描仪、摄影机、摄像仪等。 红外遥感：探测波段在0.76～1000μm，主要收集和记录目标地物发射和反射的红外辐射能量，常用的传感器有扫描仪、摄影机等。根据探测波段的差异，红外遥感又可分为反射红外遥感和热红外遥感。反射红外遥感探测波段在0.76～3μm，与可见光遥感共同的特点是其辐射源为太阳，在此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区分不同的地物类型。热红外遥感探测波段在6～15μm，它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分布。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。 微波遥感：探测波段在1mm～1m，主要收集和记录目标地物发射和反射的微波能量，常用的传感器有扫描仪、雷达、高度计、微波辐射计等。 多波段遥感：探测波段在可见光波段和红外波段范围内，把目标地物辐射的电磁辐射细分为若干窄波段，同时得到一个目标物不同波段的多幅图像。常用的传感器有多光谱扫描仪、多光谱摄影机和反束光导管摄像仪等。 4. 按工作方式分类 根据传感器工作方式不同，遥感可以分为主动遥感和被动遥感。 主动遥感：传感器主动发射一定电磁能量并接收目标地物的后向散射（scattering）信号的遥感方式，常用传感器包括侧视雷达、微波散射计、雷达高度计、激光雷达等。 被动遥感：指传感器不向目标地物发射电磁波，仅被动接收目标地物自身辐射和对自然辐射源的反射能量，因此被动遥感也被称为他动遥感、无源遥感。 5. 按数据的显示形式分类 根据数据的显示形式不同，遥感可以分为成像遥感和非成像遥感。 成像遥感：是指传感器接收的目标电磁辐射信号可以转换为图像，电磁波能量分布以图像色调深浅来表示，主要包括数字图像和模拟图像两种类型。 非成像遥感：是指传感器接收的目标地物电磁辐射信号不能转换为图像，*后获取的资料为数据或曲线图，主要包括光谱辐射计、散射计和高度计等。 6. 按波段宽度和波谱连续性分类 根据成像波段宽度以及波谱的连续性不同，遥感可以划分为高光谱遥感（hyperspectral remote sensing）和常规遥感两种类型。 高光谱遥感：是利用很多狭窄的电磁波波段（波段宽度通常小于10nm）产生光谱连续的图像数据。 常规遥感：又称宽波段遥感，波段宽度一般大于100nm，且波段在波谱上不连续。例如，一个专题制图仪（thematic mapper，TM）波段内只记录一个数据点，而用机载可见光/红外成像光谱仪（airborne visible infrared imaging spectrometer，AVIRIS）记录这一波段范围的光谱信息需用10个以上数据点。 7. 按遥感的应用领域分类 宏观上，遥感按其应用领域可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感和海洋遥感等。 微观上，即从遥感的具体应用领域来分，可分为资源遥感、环境遥感、林业遥感、渔业遥感、城市遥感、农业遥感、水利遥感、地质遥感、军事遥感等。这里重点介绍资源遥感和环境遥感。 资源遥感是指以地球资源作为调查研究对象的遥感方法和实践。其中，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，能有效克服自然界环境恶劣的影响，大大提高了工作效率。 环境遥感是指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、评价或预报。由于人口的增长与资源的开发、利用和自然社会环境都在发生变化，利用多源、多时相遥感信息能够迅速为环境监测、评价和预报提供可靠的技术支撑。 8. 按遥感应用的空间尺度分类 根据遥感应用的空间尺度不同，遥感可以划分为全球遥感、区域遥感和城市遥感等类型。 全球遥感是指利用遥感技术全面系统地研究全球性资源与环境问题，主要针对自然和人为因素造成的全球性环境变化以及整个地球系统行为。全球遥感是研究地球系统各组成部分之间的相互作用及发生在地球系统内的物理化学和生物过程之间的相互作用的一门新兴学科。 区域遥感是指以区域资源开发和保护为目的的遥感信息工程，主要针对区域规划和专题信息提取的遥感行为。一般情况下，区域遥感根据行政区划和自然区划范围进行划分。虽然区域遥感的研究区域比全球遥感小，但是其应用性与人类的关系更为紧密。 城市遥感是指以城市资源和环境作为主要调查对象的遥感工程。城市作为一个地区的物质流、能量流和信息流的枢纽中心，往往需要借助遥感技术来对城市绿地、城市空间形态、城市热岛效应以及大气污染等方面进行动态监测。 近年来，还出现了一种新型的激光遥感技术。激光遥感是指运用紫外线、可见光和红外线的激光器作为遥感仪器进行对地观测的遥感技术，属于主动式遥感。地面激光扫描仪和配套的专业数码照相机融合了激光扫描和遥感等技术，可以同时获取三维点云（point cloud）和彩色数字图像（color digital image）两种数据，扫描精度达到5～10mm。激光遥感是高效率空间数据获取方面的研究热点所在，目前，广泛应用于古代建筑重建与城市三维景观、虚拟现实和仿真、资源调查和灾害管理等方面。 目前，较统一的遥感技术分类如图1.1所示。首先，按照传感器记录方式不同，遥感技术划分为成像遥感和非成像遥感两大类；其次，根据传感器工作方式不同，把成像遥感和非成像遥感划分为主动遥感和被动遥感两种；*后，把主动遥感和被动遥感按照各自成像方式和特点进行进一步划分。例如，主动遥感中的侧视雷达又可以分为真实孔径雷达（real aperture radar，RAR）和合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）；光学摄影分为框幅摄影机、缝隙摄影机、全景摄影机、多光谱摄影机；电子扫描分为TV摄像机、扫描仪、电荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）。 图1.1 遥感技术分类 二、遥感