信息的获取

第一节　信息的获取

人类靠自身的感觉器官直接获取的信息是有限的，为了克服人体器官的局限和自然条件的限制，各种传感技术和遥感、遥测技术得到迅速发展，大大扩展了人们获得信息的能力。

一、传感器技术

（一）传感器组成

随着电子计算机技术应用的飞速发展，向计算机传送信息的传感器技术却落后了。这种失衡，势必影响科学技术的进步，因此传感器技术已成为各国竞相发展的技术。

传感器是将各种非电量（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换为便于处理和传输的另一种物理量（一般为电学量）的器件。根据传感器感知外界信息的不同原理，可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。

传感器一般包括：敏感元件，把待测的物理量、化学量、生物量等转换为容易转换成电学量的非电学量；转换元件，把非电学量转换成电学量；测量电路，把转换元件输出的电学量变成便于显示、记录、控制和处理的电信号。

利用物理现象、化学现象、生物效应设计制作各种用途的传感器是传感器技术的基础工作。目前以硅材料为主的半导体传感器材料已十分成熟。陶瓷传感器材料可在高温环境中使用，克服了半导体材料传感器工作温度上限低的缺点。

测血压传感器

（二）传感器的分类

根据工作原理，传感器可分为物理传感器和化学传感器两大类。

物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，以及离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器利用化学吸附、电化学反应等现象，将被测信号量的微小变化转换成电信号。

大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题、规模生产的可能性、价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

（三）传感器的作用

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作处于正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多性能优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

触摸屏传感技术

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域，例如在宏观上要观察上亿光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到纳米的粒子世界，纵向上要观察长达数十亿年的天体演化、短到皮秒的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会催生该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

二、遥感技术

遥感技术是从地面到高空各种对地球、天体观测的遥感综合性技术的总称，由遥感平台、遥感仪器、信息处理、接收与分析应用等组成。遥感技术是在一定距离以外不直接接触物体而通过该物体所发射和反射的电磁波来感知和探测其性质、状态和数量的技术，遥感是不接触的测量和识别技术。这是20世纪60年代兴起的一种探测技术，是根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种物体进行探测和识别的一种综合技术，涉及到物理、电子学、计算机、空间技术、地球科学等高科技领域。目前利用人造卫星每隔18天就可收集一套全球的图像资料。利用遥感技术，可以高速度、高质量地测绘地图。

遥感卫星

（一）基本原理

任何物体都具有光谱特性，具体地说，它们都具有不同的吸收、反射、辐射光谱的性能。在同一光谱区，各种物体反映的情况不同，同一物体对不同光谱的反映也有明显差别。即使是同一物体，在不同的时间和地点，由于太阳光照射角度不同，它们反射和吸收的光谱也各不相同。遥感技术就是根据这些原理，对物体作出判断。

遥感技术通常是使用绿光、红光和红外光三种光谱波段进行探测。绿光段一般用来探测地下水、岩石和土壤的特性；红光段用于探测植物生长、变化及水污染等；红外段用于探测土地、矿产及资源。此外，还有微波段，用来探测气象云层及海底鱼群的游弋。

因各种物体的光谱特征互不相同，我们只要事先用仪器收集记录各种物体在不同情况下的各种光谱，用计算机处理分析，把信息存储起来。然后通过安装在地面或飞机、卫星、航天飞机等运载工具上的各种遥感器，收集和记录当前目标及其所处环境（如大气、地表面等）的辐射或反射的电磁波信息，得到数据或图像再经过计算机数据处理或人工图像判读，与原来存储的相关信息进行比较，便能得到目标及其环境的当前的信息特征。

（二）系统组成

遥感技术由遥感器、遥感平台、运载工具、信息传输设备、接收装置以及图像处理设备等组成。遥感器装在遥感平台上，它是遥感系统的重要设备，它可以是照相机、多光谱扫描仪、微波辐射计或合成孔径雷达等。运载工具是把遥感器送到与被测物体保持一定距离和角度的地点。信息传输设备是飞行器和地面间传递信息的工具。图像处理设备对地面接收到的遥感图像信息进行处理（几何校正、滤波等）以获取反映被测物体性质和状态的信息。图像处理设备可分为模拟图像处理设备和数字图像处理设备两类，现在常用的是后一类。

（三）应用范围与划分

遥感技术广泛用于军事侦察、导弹预警、军事测绘、海洋监视、气象观测等。在民用方面，遥感技术广泛用于地球资源普查、植被分类、土地利用规划、农作物病虫害和作物产量调查、环境污染监测、海洋监测、地震监测等方面。遥感技术总的发展趋势是提高遥感器的分辨率和综合利用信息的能力，研制先进遥感器、信息传输和处理设备以实现遥感系统全天候工作和实时获取信息，以及增强遥感系统的抗干扰能力。遥感按常用的电磁谱段不同分为可见光遥感、红外遥感、多谱段遥感、紫外遥感和微波遥感。

可见光遥感是应用比较广泛的一种遥感方式，对波长为0.4～0.7微米的可见光的遥感一般采用感光胶片（图像遥感）或光电探测器作为感测元件。可见光摄影遥感具有较高的地面分辨率，但只能在晴朗的白昼使用。

红外遥感又分好几种，近红外或摄影红外遥感，波长为0.7～1.5微米，用感光胶片直接感测；中红外遥感，波长为1.5～5.5微米；远红外遥感，波长为5.5～1000微米。中、远红外遥感通常用于遥感物体的辐射，具有昼夜工作的能力。

多谱段遥感可以利用几个不同的谱段同时对同一地物（或地区）进行遥感，从而获得与各谱段相对应的各种信息。将不同谱段的遥感信息加以组合，可以获取更多的有关物体的信息，有利于判释和识别。

山川遥感图

紫外遥感是利用波长0.3～0.4微米的紫外线进行遥感，主要遥感方法是紫外摄影。

微波遥感是利用波长1～1000毫米的电磁波（即微波）进行遥感。微波遥感具有昼夜工作能力，但空间分辨率低。雷达是典型的主动微波系统，常采用合成孔径雷达作为微波遥感器。

现代遥感技术的发展是由紫外谱段逐渐向X射线和γ射线扩展，从单一的电磁波扩展到声波、引力波、地震波等多种波的综合。

（四）遥感技术的优越性

遥感技术在获取信息方面具备多方面优越性，比如探测范围大，航摄飞机高度可达10千米左右，陆地卫星轨道高度达到910千米左右，一张陆地卫星图像覆盖的地面范围达到3万多平方千米，约相当于我国海南岛的面积，我国只要600多张的陆地卫星图像就可以全部覆盖；获取资料的速度快、周期短，实地测绘地图，要几年、十几年甚至几十年才能重复一次，陆地卫星每16天可以覆盖地球一遍；受地面条件限制少，不受高山、冰川、沙漠和恶劣条件的影响；手段多，获取的信息量大，可用不同的波段和不同的遥感仪器取得所需的信息，不仅能利用可见光波段探测物体，而且能利用人眼看不见的紫外线、红外线和微波波段进行探测；不仅能探测地表的性质，而且可以探测到目标物的一定深度。

遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、地理、海洋、水文、气象、测绘、环境保护和军事侦察等许多领域。