地球遙感

地球遙感是指是從人造衛星、飛機或其他飛行器上收集地物目標的電磁輻射信息，判認地球環境和資源。

基本介紹

• 中文名：地球遙感
• 外文名：Remote sensing of the earth
• 實質：收集地物目標的電磁輻射信息
• 遙感器種類：膠片相機、超多光譜遙感器等
• 地球資源衛星：第一個可詳細研究地球的空間平台
• 套用領域：測繪科學、地理資源、地質學等

發展歷史

150年前，L.J.M.Dguerrea和J.N.Niepce發明的銀板照相術為現代攝影技術奠定了基礎，也提供了一種記錄遙感圖象的方法。

20年後即1859年，G.F.T.Clateu在氣球上拍攝的巴黎可謂世界上第一張航空像片。中國的風箏在早期也是一種重要的空中平台，在1906年G.R.Lawrence拍攝的1.4mx2.4m的巨幅像片—大地震後的舊金山，就是用17個風箏把相機帶到空中拍攝的。第一張有據可查的從飛機上拍攝的航空像片是1909年由W.Wrihgt駕駛的飛機在義大利上空拍攝的。第一次世界大戰期間，航空像片廣泛用於軍事偵察，並取得了良好的效果。第二次世界大戰中，航空攝影技術得到了進一步發展，出現了彩色照片和用於識別偽裝的彩色紅外照片。第一張用火箭拍攝的地球像片是戰後初期用V—2火箭將相機帶到高空拍攝的。

1960年前，探險者6號衛星第一次從空間拍攝了地球像片。稍後，1960年美國宇航局發射了第一個系列空基觀測平台—泰羅斯1號氣象衛星。平台的飛行軌道與衛星的用途有關。例如，拍攝地球圖象的載人空間飛行平台沿近赤道軌道飛行；大多數氣象衛星按極地軌道運行；而位於赤道上方高度為35400km的同步氣象衛星則與地球自轉的角速度相同，從地面看它是靜止不動的。

1972年美國宇航局發射的地球資源衛星(後改名為陸地衛星1號)按低高度的極地軌道運行，它每隔18天對整個地球掃描一遍，其上裝有高解析度的成象遙感器，是第一個可用來詳細研究地理現象的空間平台。遙感器的解析度越高，每幅圖象的信息量也越大，而平台上磁帶機的存貯量卻有限。為了避免丟失數據，在80年代中期著手發射跟蹤和數據中繼衛星。它由三顆同步通訊衛星組成，任何成象衛星在任何時侯至少可與其中的一顆保持聯絡，從而實時地將圖象信號通過它傳送到地面接收站。

2005年底, 俄羅斯計畫發射實驗型地球遙感衛星Monitor-E, 目前, 該衛星正在赫魯尼切夫(Khrunichev)中心進行最後試驗。它採用了非密封式的模組式設計, 是一種擁有智慧型星載系統的新一代太空飛行器。該太空飛行器裝備兩架解析度分別為8m和20m的電子光學照相機。Monitor-E重750kg, 幾乎都是俄羅斯宇航業界研發的最先進的設備及專用元件。Monitor-E的成功研製將標誌著該中心研發先進航天系統所取得的重要成就,也使得俄羅斯成為第一個研發與大型太空飛行器具有同樣性能的小型太空飛行器來進行環境監測的國家。

套用領域

從太空拍攝的高解析度圖像可用於透視地球上人們生活的方方面面。通過衛星跟蹤停車場中的汽車類型，進而預測未來汽車的零售趨勢；拍攝地面礦井狀況的高空圖像可反映出礦場的產出能力；個人和企業每天的各種行為，如運輸貨物、在大商場中購物、砍伐樹木、在夜間關燈等，都能夠以某種方式在衛星圖像中得到記錄。大數據公司已經可藉助過濾交易記錄等網際網路數據，洞察消費者行為，了解世界各國的經濟狀況。

而高高懸在太空的衛星，掌控著幾乎還未開發的大資料庫，這些數據有可能揭開許多公司和政府迫切需要的信息與知識。超過90%政府信息和95%商業信息均與地理空間信息密切相關，從太空洞察地球變化信息，讓地表信息尤其是精確的地理空間信息，變得易於獲取而且有用將是地球遙感信息變化套用的必然趨勢。

遙感探測的物理參數

為簡化起見，我們這裡僅討論被動遙感成象系統，它的工作波段從可見光至熱紅外波段(0.4—20μm)。

在可見和近紅外波段，最重要的物理參數是反射比，反射比不僅與地物有關，也與波長有關.。多波段遙感器波段劃分和選擇的依據就是這些光譜曲線體的發射率及大氣效應的影響，可根據遙感器記錄的長波紅外圖象來算出地表的溫度。

為了區分不同的地物，必須提高遙感器的輻射度解析度。例如，水中葉綠素濃度有了明顯的變化，而反射比僅改變千分之幾，如要探測出葉綠素濃度的改度，則輻射度解析度必須達到這個數量級。

成象系統的另一個解析度是空間解析度，即遙感器探測到的目標的最小尺寸。它通常取決於探測元投影在地面上的尺寸，也是系統的最小取樣面積。

此外還有一個光譜解析度，即光譜通道的頻寬。如圖1中每個光譜通道的光譜解析度是0.1μm。提高光譜解析度即減小頻寬，探測器接收的總光子數將減少，使系統的信噪比減小，導致輻射度解析度下降。

圖1

遙感器種類

膠片相機遙感器

膠片相機遙感器具有便宜、解析度高的特點，它是載人空間飛行計畫中最有用的成象遙感器，雙子星座、阿波羅和天空實驗室計畫中就是用各種膠片—相機遙感器獲得了大量圖象。通常，相機採用普通的35mm或70mm型，配以長焦距鏡頭和大量的暗盒。為載人飛行還專門研製了一些特殊的大視場、高解析度相機。

例如太空梭上用的大相幅相機，它的相幅是230mm×460mm，對應的地面解析度約15m。如太空梭的高度是300km，成象面積是225×450km。採用不同的膠片—濾光片，可獲得可見—近紅外光譜區內不同波段的圖象。

多光譜電子—光學遙感器

照相膠片雖然便宜、解析度高，但膠片必須回收，且飛行平台上裝載的膠片也有限，故不適合長期在軌道上工作。

專門研究地球資源的實用型衛星上安裝的電子—光學遙感器可長期在軌道上工作。陸地4號和5號上的遙感器採用“帚掃”式掃描器成象，它們用一振動鏡垂直於平台飛行方向來回振動，象用掃帚掃地似地不斷向前進，成象於探側器上的地面景物也不斷地改變。探測器將圖象的光信號轉換成電信號，電信號可實時地傳輸下來或存貯在平台上的磁帶機上，當平合經過地面站上空時再快速傳輸下來。探測器是一組配有不同光譜濾光片，的探測器列陣，各探測器輸出的信號反映地面景物在該特定光譜波段內的光強，因而掃描器能產生多個光譜波段的圖象。

超多光譜遙感器

成象遙感器最新、最激動人心的進展是出現了超多光譜遙感器.SPOT，TM，MSS和AVHRR等多光譜遙感器的光譜解析度約10nm，超多光譜遙感器的光譜解析度約10nm，提高了10倍.美國宇航局試圖從兩個途徑來實現上述目標，具體體現在兩台實驗型遙感器上：航空圖象光譜儀—IAS—2和高級可見—近紅外成象光譜儀—AVIRS。計畫中的航天成象光譜儀是HIRIS和MODIS，它們於90年代中期發射上天。

這些航空超多光譜遙感器的空間解析度較低在1mrad左右，而SPOT為12μrad。在遙感器設計中高空間解析度和高光譜解析度不能兼得。因為物體進人遙感器的總光子數是有限的，這些光子或分到許多光譜波段中或分到許多象元中，若兩者都滿足將降低整機的信噪比.

提高信噪比和光譜、空間解析度的辦法是加大聚光系統或增加取樣積分時間(即慢掃描)，但大聚光系統非常昂貴，而掃描速率主要取決於軌道的動態特性。因而在相當長的時間內提高空間解析度還是提高光譜解析度之爭將延續下去。

國際地球遙感系統

目前，陸地遙感資料是從6顆衛星上獲取的，這些衛星由5個國家所操縱。到20世紀末，在軌運行的遙感衛星大概有50顆，這些衛星並不都是用於陸地觀測，當然也不都是用於商業目的。

遙感衛星根據套用分為三類：1)氣象衛星;2)科學衛星;3)商業衛星。無論是科學的還是商業的都將提供地球觀測資料。

氣象衛星

以美國國家海洋與大氣管理局的工作型極軌氣象衛星為例，它們提供的資料可用於全球氣象預報與資源調查。現有120多個國家的1000多個地面站從這些極軌衛星上接收天氣圖。另外衛星所提供的資料可用來監測海水情況及預測旱情。

科學衛星

一些地球觀測平台可歸於這一類，它們提供的資料可用於環境研究。這類研究可以是研究性的，也可以是試驗性的，但不是商業性的。例如，印度發射的IRS一IA就是一顆工作型科學衛星，它的主要任務是提供國家資源和環境監測方面的圖片資料。

商業衛星

設計實用的商業衛星最終目的是要盈利。這些衛星的設計、製造、發射和運行費用要從投資收益中支付。設計者期望通過銷售圖片資料和提供服務及包建地面基礎設施時得到收益。目前，只有陸地衛星和SPOT衛星可以認為是商業衛星，但它們不是提供商業性資料的唯一系統。從1987年起，前蘇聯已開始銷售MKF和KATE遙感器系統所獲取的資料，儘管沒有正式宣布這是一個商業系統，但是這樣做，無疑形成了一種商業競爭。同樣，極軌氣象衛星獲取的資料也有商業價值，至少是在美國與陸地衛星和SPOT衛星爭奪客戶。

這些衛星所獲資料的空間解析度、光譜解析度、價格和使用價值差異較大，但大多數衛星獲取的資料可以相互補充，因而激發了用戶購買的熱情。