遥感及分类

遥感及分类_地学遥感概论

第一节　遥感及分类

一、遥感的基本概念

1.遥感的定义

遥感（Remote Sensing）即“遥远的感知”。从广义理解，遥感泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、声波、地震波的探测。狭义遥感的概念是指基于电磁辐射场的探测和成像过程。

对重力场和磁场的空间探测称为地球物理探测，地球物理测量主要应用于区域测量、地质找矿、工程测量等；对水体的探测称为声纳测量，主要用于水下测量，如海洋探测或河道水下地形测量等；对地震波的探测称为地震测量，主要用于石油资源勘测。实际工作中，我们将这些领域的探测统称为物理探测范畴，而“遥感”仅仅是指用于电磁波谱探测或基于电磁辐射测量的对地观测范畴。

遥感定义：遥感是从不同高度的平台上，使用各种传感器，不与物体、区域目标或现象直接接触，接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，通过信息处理、分析，揭示出目标的结构性质及其变化的综合性空间探测技术。

地学遥感则是以电磁波与地球表面物质相互作用为基础，探测、分析和研究地球资源与环境，揭示地球表面各要素的空间分布与时空变化规律的一门科学技术。

2.遥测与遥控

遥测（Telemetry）也称为远程测量，是利用传感技术、通信技术和数据处理技术的一种综合性技术，将对象参量的近距离测量值传输至远距离的接收站或网络，实现对远距离目标的数据获取。遥测技术分接触测量和非接触测量两种。遥测技术主要用于检测分散的或难以接近的被测目标，如相距遥远、环境恶劣，或处于高速运动状态下的目标。

遥控（Remote Control）是对受控对象进行远距离控制和监测的技术，它是利用自动控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性技术，在国民经济各部门，特别是航空航天和导弹核武器等方面具有重要作用。被遥控的目标可以是固定的装置，如自动化水电站；也可以是活动的，如无人驾驶飞机、人造卫星、弹道导弹等。

3.遥感、遥测、遥控的关系

在空间遥感过程中，遥感探测任务的完成需要综合运用遥测和遥控技术。如在卫星遥感中，必须对卫星轨道运行参数进行遥测和对卫星姿态及遥感传感器工作状态进行遥控等。在现代综合遥感探测过程中，为了取得多元信息来解决地学及其空间关系问题，需要采用多传感器技术来获取多类物理信息或空间信息，如现代环境监测中的环境传感器、地面GPS基站等，都是遥感、遥测、遥控多传感器协同工作与交互验证的典型案例。

二、遥感技术分类

依据遥感技术分类标准的不同，遥感分类的方案也不同，通常有如下几种分类。

1.根据遥感平台的分类

遥感平台（Platform for Remote Sensing）是空间遥感过程的工作平台。平台由运载工具（飞行器）、传感器及其他用于遥测、遥控的装备所组成，遥感平台的基本功能是维护平台运行、进行数据存储、传输各种数据。按遥感平台的距地高度，可以分为近地遥感、航空遥感、航天遥感、星际遥感等不同平台类型。

（1）近地遥感平台：指以高塔、车、船为平台的遥感探测系统，地物波谱仪或传感器安装在这些平台上，可进行各种地物波谱测量。

（2）航空遥感平台：传感器搭载在航空飞行器上，主要指飞机、气球等。

（3）航天遥感平台：传感器搭载在环地球的航天器上，以地球人造卫星为主体，包括载人飞船、航天飞机和太空站，有时也把各种行星探测器包括在内。

（4）星际遥感平台（Planetary Remote Sensing）：也称深空探测平台，传感器搭载在星际飞船上；星际遥感探测的目标是地月系统以外的其他太空目标。

2.根据电磁波的工作波段分类

（1）紫外（UltraViolet，UV）遥感：探测波段在0.05～0.38μm，收集与记录目标物的紫外辐射能，由于波长小于0.3μm的信息被大气中的臭氧所吸收，可以通过大气传输的只有0.3～0.4μm的紫外信息才可适用于紫外摄影，主要用于监测气体污染和海面油膜污染。但由于该谱段受大气中的散射影响十分严重，故对成像条件的要求十分苛刻，由于探测的成功率低、应用范围狭窄，在实际应用时很少采用。

（2）可见光（Visible，VIS）遥感：可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，遥感探测波段为0.38～0.76μm，只收集与记录目标物反射的可见光辐射能，所用传感器有摄影机、扫描仪、摄像机，是进行航空摄影测量、自然资源与环境调查的主要谱段。

（3）红外（InfraRed，IR）遥感：探测波段在0.76～1000μm。可以进一步划分为：近红外（0.76～1.3μm）、中红外（1.3～3μm）、热红外（3～14μm）、远红外（大于14μm）。其中0.76～0.9μm波长范围的辐射可以用于摄影（胶片）方式探测，故也称摄影红外，它对探测植被和水体有特殊效果。中、远红外可以探测物体的热辐射，所以也叫热红外。热红外辐射不能用摄影方式探测，须用光学机械扫描方式获取信息。在热红外遥感主要采用3～5μm和8～14μm两个窗口。热红外可以夜间成像，除用于军事侦察外，还可以用于调查浅层地下水、城市热岛、水污染、森林火灾和区分岩石类型等，具有广泛的应用价值。而波长大于15μm的超远红外辐射，绝大部分被大气层吸收。

（4）微波（Microwave，MW）遥感：探测波段在1mm～1m，收集与记录目标物发射、散射的微波能量，所用传感器有扫描仪、微波辐射计、雷达、高度计等。

3.根据电磁辐射源的分类

（1）被动式遥感（Passivity Remote Sensing）：指不利用人工辐射源，直接接收与记录目标反射的太阳辐射或者目标物本身发射的热辐射和微波辐射。如航空摄影、多光谱扫描、热红外扫描等。

（2）主动式遥感（Active Remote Sensing）：使用人工辐射源从平台上向目标发射电磁辐射，然后接收和记录目标物反射或散射回来的电磁波的遥感，如雷达遥感、激光遥感。

4.根据遥感资料的显示形式分类

（1）成像方式遥感：是把目标物发射或反射的电磁波能量以图像方式来表示遥感探测过程。

（2）非成像方式遥感：是将目标发射或反射电磁波辐射的各种物理参数记录为数据或者曲线图形式，主要包括以下传感器：光谱辐射计、散射计、高度计等。

5.根据波段宽度及波谱连续性的分类

（1）宽波段遥感：波段宽度大于100nm，其工作波段的波谱也不连续。宽波段遥感图像的光谱分辨率较低，对地物的光谱识别能力也较低。

图1-1　高光谱光谱分辨率与数据立方体示意图（据Schowengerdt，1997改编）

（2）高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）：波段宽度小于20nm，波段之间波谱区间接近连续，它可以同时获取空间、辐射和光谱三种类型的图像数据信息。由于高光谱图像的波谱变量维数多达数十甚至数百个波段，构成了多光谱阵列图像数据，故称高光谱图像数据为“立方体”数据。高光谱遥感的理论基础是测谱学（Spectroscopy）。测谱学是用于识别原子结构的成分测试技术，从1980年开始，基于测谱学原理创立了成像光谱学（Imaging Spectrosco-py）。成像光谱学是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域进行图谱合一的遥感探测成像过程，具有地质遥感、遥感找矿探测的应用潜力。

图1-1说明高光谱遥感绝不仅仅是图像数据量的增加，而是光谱信息量以十倍以至数百倍信息容量的增加。

6.根据应用学科领域的分类

（1）按遥感应用领域可以分为星际遥感、地球大气层遥感、陆地遥感和海洋遥感。

（2）按对地观测应用领域可以划分为：地质遥感（基础地质遥感、工程地质遥感、矿产资源遥感、地质灾害遥感、能源遥感）、地理遥感（地貌遥感、土地利用与地表覆盖遥感、环境遥感、水文遥感、城市遥感）、农业遥感、林业遥感、气象遥感和海洋遥感。

依据行业应用需求还可进一步划分为各种遥感专题应用项目。

三、遥感技术发展简史

遥感技术的形成与发展同传感器技术、宇航技术、通讯技术以及电子计算机技术的发展相联系，与军事侦察、环境监测、资源开发利用和全球变化研究的需要相适应。

（一）航空摄影的早期阶段

航空摄影技术的早期阶段是从空中照相活动开始的，到1840年人们就主张利用空中摄影来进行地形测量，称之为地貌摄影。

图1-2　1860年拍摄的波士顿航片

1.气球平台阶段

世界第一张航空相片是在升空气球上获取的，气球离地仅80m高度，拍摄到法国比弗雷的空中相片。但目前保存的最早一幅航空相片是1860年从630m高的气球上拍摄的波士顿市空中相片（图1-2）。

2.风筝平台阶段

风筝摄影在1882年前后开始投入使用。第一张利用风筝拍摄的航空相片是一位英国气象学家完成的。1900年初期美国风筝摄影师在旧金山大地震之后的火灾险情下拍摄了旧金山的航空相片。

3.飞机平台阶段

飞机发明于1903年，1908年首次利用飞机拍摄电影。1909开始在飞机上进行航空摄影。在第一次世界大战期间就开始利用航空摄影技术进行军事侦察，引起人们极大的关注。第一次世界大战结束后，由美国军人摄影师协会成立了航空调查公司，航空摄影开始广泛应用。1934年美国摄影测量协会（现为美国摄影测量与遥感协会）科学专业组织成立，推动了航空摄影领域的学科和技术的发展。

（二）航空遥感的发展阶段

1.航空遥感光谱探测范围的发展

1924年彩色胶片开始出现，彩色航空摄影增加了地表图像信息的识别能力。航空摄影从军事侦查开始转入民用摄影测量与地形制图。

从20世纪30年代起，航空相片广泛应用于地学研究及应用领域，以认识地理环境和编制各种专题地图为主题。1930年美国开始运用航空遥感进行全国测绘制图，编制中小比例尺地形图，并将航空图像应用于农业服务。1931年开始应用近红外航摄胶片，并首次获得了目标物的非可见光信息。1937年首次生产出假彩色红外胶片，并探索进行多光谱和紫外航空摄影。第二次世界大战期间已开始应用雷达和红外遥感探测技术进行军事侦查。自20世纪50年代起，开始研制非摄影成像的扫描成像技术和侧视雷达成像技术并投入应用，航空摄影技术已从可见光摄影发展到航空多光谱多方式成像的遥感阶段。

2.航空遥感学的萌芽及发展

随着航空遥感技术的发展和空间探测技术的进步，基于航空摄影测量学的理论研究也得到了相应的发展。1941年《航空相片：应用与判读》专著出版，随后，基于测绘遥感的专著《航空摄影与航空测量》亦出版问世。美国于1949年在大学中开设航摄和相片判读课程，1949年国际地理学会设立了航片应用专业委员会，1945年美国创刊出版了《摄影测量工程学》杂志，1975年改名为《Photogrammetric Engineering ＆Remote Sensing》。航空遥感学术研究的深入促进了遥感事业的大发展，并逐步使航空遥感发展成为独立的基础学科。

（三）航天遥感阶段

1.航天遥感早期阶段

1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，从此，遥感平台从飞机发展到了卫星和飞船。1959年9月美国发射的“先驱者2号”探测器拍摄了地球云图，同年10月前苏联的“月球3号”航天器拍摄了月球背面的照片。现代遥感史以人类首次登月为重要里程碑。当时美苏在空间技术上的竞争，导致各种空间系统的迅速发展。美国宇航局（NASA）、欧空局（ESA）和其他一些国家，如加拿大、日本、印度和中国先后建立了各自的遥感系统。所有这些系统已提供了大量从太空向地球观测而获取的有价值的数据和图片。

1960年4月1日美国发射第一颗气象卫星“泰罗斯”（TIROS）卫星，全称为电视和红外观察卫星。卫星上电视摄像机首次送回地球大气层的可见光云图，并具有气象价值。1964—1965年间共发射了八颗第二代“云雨”（Nimbus）系列卫星。1965年12月4日国际标准时间19点30分，美国在肯尼迪州用“大力神Ⅱ”式火箭发射了“双子星座七号”卫星式宇宙飞船。宇宙飞船上有两名宇宙航行员：博尔曼和洛弗尔。

2.地球资源技术卫星阶段

美国基于“泰罗斯”（TIROS）、“云雨”（Nimbus）等气象卫星和双子星座（Glimni）、阿波罗（Apllo）飞船的遥感技术，于1972年发射了第一颗地球资源技术卫星（ERTS-1），后改名为陆地卫星（Landsat-1），标志着地球遥感新时代的开始。陆地卫星所携带的传感器由四个波段的多光谱扫描仪（MSS，分辨率为80m）发展到80年代初的专题制图仪（TM）的7个波段，到1999年4月发射的陆地卫星-7号则搭载了增强型专题制图仪（ETM＋）。

3.现代航天遥感阶段

到20世纪80年代末至90年代初，法国发射了Spot卫星，其星载CCD成像传感器的空间分辨率达到5m及2.5m。1999年9月，美国光谱成像公司（Spectral Imaging Inc.）发射的小卫星上载有IKONOS传感器，其空间分辨率高达1m。Quickbird卫星于2001年10月由美国Digital Globe公司发射，是目前世界上唯一能提供亚米级分辨率的商业卫星，其星下点空间分辨率为0.61m，并实现了卫星遥感图像的高精度地理定位功能。NOAA卫星系统又推出了低空间分辨率的高光谱遥感及短覆盖周期的卫星遥感数据。向全球免费开放的MODIS高光谱卫星数据，促进了环境遥感监测技术的快速发展。在常规卫星遥感技术的发展中，立体测图卫星、成像光谱仪卫星也逐渐进入到卫星遥感应用领域，形成了集高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率为一体的卫星遥感系统。

（四）中国遥感发展概况

20世纪30年代，中国仅在少数城市进行过航空摄影，而系统的遥感技术发展始于20世纪50年代初期，主要是引进常规航空摄影技术，进行了大面积航空摄影测量，并开始航测成图和航空相片的综合利用（主要是进行自然资源勘测）；到了60年代航空摄影与航空相片的应用已形成了一套完整的体系。

中国遥感事业大致经历了20世纪70年代至80年代中期的起步阶段、80年代中后期至90年代前期的试验应用阶段、至90年代后期进入实用化和产业化阶段。

20世纪70年代以来，随着国际遥感技术的飞速发展，我国开始引进和研究现代遥感技术。一方面是从国外购进一批陆地卫星影像和少量仪器设备，开展图像的解译应用工作；另一方面积极开展我国自己的遥感研究工作，多次发射和回收地球卫星，开展不同自然地理区域的航空遥感试验和地物波谱测试工作，研制成功了多光谱相机、多光谱扫描仪、红外扫描仪、微波辐射计、激光测高仪、合成孔径侧视雷达等各种类型的传感器，同时研发出彩色合成仪、密度分割仪、数字图像处理系统等；建立了遥感卫星地面接收站，发射了一系列对地观测卫星，如科学探测与技术试验卫星、环境卫星、气象卫星、地球资源卫星和海洋卫星等。

中巴资源一号卫星（CBERS-01）于1999年10月14日由CZ-4B运载火箭在太原卫星发射中心发射升空。01星在轨稳定运行了近5年，CBERS-02星于2003年接替01星继续为中巴两国提供卫星遥感数据服务。CBERS-02B星于2007年进入轨道，搭载有CCD相机、红外扫描仪（也称红外相机）、宽视场相机、图像数据传输、空间环境监测和星上数据收集（DCS）等分系统。CCD相机有蓝、绿、红、近红外和全色等五个光谱段，采用推扫式成像技术获取地球图像信息。红外扫描仪有可见光、两个短波红外和一个热红外共四个谱段，采用双向扫描技术获取地球图像信息，它可昼夜成像。宽视场相机包含红光波段和近红外谱段，由于扫描辐宽达890km，因而在五天内可对地球覆盖一遍（图1-3）。

图1-3　新疆吐鲁番盆地中巴地球资源卫星图像

（图片来源：中国航天报）

中巴资源卫星已向全国160余家用户提供了14000多景数据产品。卫星图像及数据产品广泛应用于监测国土资源变化，更新全国土地利用图，测量耕地面积；估计森林蓄积量、农作物长势、产量和草场载蓄量及每年变化；监测生态环境与地质灾害，快速查清洪涝、地震、风沙等灾情及损失；提供沿海经济开发、滩涂利用、水产养殖、环境污染等动态情报；勘探地下资源，圈定金矿、石油、煤炭和建材等资源靶区，并监督资源的开发及其环境的影响。

2007年10月24日18时05分，长征三号甲运载火箭将“嫦娥一号”卫星顺利载入绕月轨道。中国探月工程是中国遥感发展史上的一个里程碑，开辟了中国宇航事业的新纪元。图1-4为“嫦娥一号”探月卫星获取的第一幅月球表面全景图像。这幅月境影像涵盖了月境的全部“领地”（图1-5）。

图1-4　中国探月卫星“嫦娥一号”第一幅月球全景图像

（图片来源：中华网）

图1-5　中国探月卫星“嫦娥一号”第一幅月面图像

（图片来源：中华网）

在遥感理论研究和人才培养上，中国科学院、高等院校和一些应用部门陆续成立了遥感研究单位、教育机构，设置了专门培养遥感技术人才的专业和学科，许多相关专业也开设了遥感课程，国家成立了空间科学技术委员会和遥感中心，组织、领导和协调全国的遥感工作，积极开展与国外的技术与人才交流。

四、遥感技术的特点

遥感具有多学科交叉特征，及其宏观、综合、动态、快速的技术特点，故遥感图像被广泛应用于地理、地质、测绘、气象、海洋、农林、水电、交通、军事等国民经济各个领域，并产生较大的社会和经济效益。

1.宏观性

航空遥感飞机的飞行高度为10km左右，陆地卫星的卫星轨道高度达910km左右，可及时获取大范围的信息。一张23cm×23cm航片可覆盖60km²的地表面积。而陆地卫星图像的覆盖面积可超过3×10⁴km²。遥感图像对地球资源调查和环境监测具有明显的宏观性。

2.时效性

卫星遥感可获取地表重复覆盖及最新图像数据，例如，陆地卫星每16天可覆盖地球一遍，NOAA气象卫星每天能接收2次图像数据。Meteosat每30分钟可获得同一地区的图像。遥感图像的时效性有利于对资源环境、自然灾害进行动态监测，为抗灾、减灾工作提供可靠的科学数据。

3.连续性

卫星图像具有连续覆盖特征，可获取一个区域的完整图像数据并进行资源环境遥感调查。对自然条件恶劣、人类难以到达的地域，如沙漠、沼泽、高山峻岭、雪山等均不受地面条件限制，可方便及时地获取各种图像资料和地学解译的连续性信息。

4.多尺度性

遥感图像具有多平台、多尺度性的特点，卫星遥感图像的像元分辨率可从1000m的低分辨率到0.5m的高分辨率，形成了一个多层次、多尺度的综合观测体系。地学遥感应用可根据不同的任务选用不同平台和空间尺度的图像数据进行解译。

5.综合性和可比性

遥感图像的综合性体现在光谱数据的综合性和季节物候信息的综合性。光谱信息可综合分析来自紫外、可见光、红外、微波的地物电磁辐射信息差异，不同季节图像信息可综合对比地表生态物候信息的电磁辐射差异。热红外遥感可对比目标物在昼夜之间的信息差异，微波遥感数据可对目标进行全天候、全天时探测。综合信息可反映地质、地貌、土壤、水文、灾害、城市等光谱特征与空间结构变化信息，并对同一地域的多时相图像，进行空间结构综合分析和动态监测。

6.普适性

遥感数据可广泛应用于地质调查、成矿预测、地理环境分析、资源勘查、灾害监测、农业估产、环境保护、城市规划、土地清查等领域，具有多专业应用的普适性。

7.局限性

遥感技术及其图像信息也具有应用的局限性，表现在电磁波特性的局限性、空间尺度的局限性、探测深度的局限性、应用领域的局限性等方面。

当前遥感技术的发展趋势体现在以下四个方面。

（1）进行近地、航空、航天的多层次综合遥感，建立地球环境的卫星观测网络，系统获取地球表面不同分辨率的立体遥感数据。遥感传感器向电磁波谱全区间覆盖，传感器件向固体化、小型化、高分辨率、高灵敏度与高光谱方向发展。

（2）加强地物波谱形成机制与遥感信息传输理论研究，建立地物波谱与影像特征的图像模型，以实现遥感分析解译的定量化和精确化。

（3）遥感图像信息处理将实现光学-计算机协同处理及实时处理，并将与地学数据库结合，建立遥感信息系统，引进人工神经网络、小波变换、分形技术、模糊分类与专家系统等理论，进行遥感图像的自动分类与模式识别。

（4）遥感、地理信息系统与全球定位系统相互依存，共同发展，构成一体化的技术体系，将广泛应用于资源开发、环境评估、区域规划、工程建设和交通管理等领域，成为资源环境、地球科学、测绘、农林、工程地质的重要技术和辅助决策手段。