機載遙感

機載遙感是指在高空的飛機平台上，運用各種感測器（如攝影儀、掃瞄器和雷達等等）獲取地表信息，通過數據的傳輸和處理，從而實現觀測地面物體形狀、大小、位置、性質及其環境的相互關係的一種綜合性技術。

基本介紹

• 中文名：機載遙感
• 外文名：airborne remote sensing
• 優點：高靈活性、低造價、可調解析度
• 套用：戰場偵查、自然災害監測等
• 傳輸模式：機—地、機—星—地、機—機—地
• 套用學科：測繪科學、電子科學、地質資源

簡介

機載遙感是指在高空的飛機平台上，運用各種感測器（如攝影儀、掃瞄器和雷達等等）獲取地表信息，通過數據的傳輸和處理，從而實現觀測地面物體形狀、大小、位置、性質及其環境的相互關係的一種綜合性技術。

優點

雖然航天遙感是當今遙感技術的主流，但在一些領域，採用機載遙感技術具有獨特優勢。首先，靈活性明顯高於衛星遙感。偵查衛星或者是商業遙感衛星目前的資源是有限的，衛星過頂周期和過頂時間通常是固定的，對地觀測的頻度相對較低，對於突發性問題不能給出及時的遙感圖像；其次，機載遙感造價明顯低於衛星遙感。每次衛星的發射需要大量的資源，也需要大量的準備時間，而且每顆衛星的使用壽命也是有限的，一旦衛星發生問題，則很難補救，而機載遙感雖然也有受天氣的影響等不足，但具有明顯的價格優勢；再次，機載遙感可以獲得靈活的遙感圖像解析度。雖然衛星遙感的圖像解析度有的已達米級甚至亞米級，但通常是固定的，不如飛機的近地遙感那樣可靈活設定圖像解析度，獲得高清晰的圖像。

機載遙感平台的機動和快速反應能力，使得其在各種緊急事物的處理上成為必備手段之一，比如軍事套用上的戰場偵察、重大自然災害的實時監測等。為了進一步提高遙感數據套用的時效性，對獲取的遙感圖像等信息進行實時傳輸、實時處理顯得尤為必要。此外，機載遙感數據實時傳輸的某些套用，要求傳輸過程具有高度保密性、隱蔽性和抗干擾能力。而這些在目前的實際機載遙感系統中遠沒有得到較好的解決。

發展現狀

在機載遙感套用方面，當前較多的是無人機用於遙感，國外把自控無人機稱為UAV（Unmanned Aerial Vehicle）。隨著在海灣戰爭和阿富汗戰爭中的突出表現，

近年來關於無人機的報導和相關文獻才大量湧現，其中最為著名的機型包括美國的全球鷹、捕食者等（Btyenburgh，1999）。無人機系統在科學、商業領域的套用是近十年來才開始的，1992 年，Holland 等提出了自重小於20 公斤、利用GPS 自動駕駛、長航時、微小型飛機平台的概念，主要套用目的是對無人區進行大氣探測。到1990 年Joanne 的文章中討論了商業高空無人機遙感所引起的相關法律問題，1999 年Rodrigo 等提出了一種低速、長航時民用遙控飛行器的初步設計方案，可見在國外關於UAV 的民用研究，特別是在遙感領域的套用研究也正處於起步的階段。目前各種類型的UAV 在國外被廣泛地用於精準農業、海洋環境快速評估、交通管理和大氣監測等領域。作為載體的UAV 也處於不斷的發展之中，並且新型的平台不斷出現。

國內對無人機遙感的研究也有十餘年時間，1999 年，中國測繪科學研究院在國家863課題資助下對無人機海監遙感系統關鍵技術進行了研究，開發了UAVRS-I型低空無人機遙感監測系統，2003 年在國土資源部資助下完成了“UAVRS-II 型低空無人機遙感監測系統”的研製；北京大學與貴州航空工業集團於2005 年合作研製成功了多用途無人遙感機； 2006 年，中國測繪科學研究院研製的“UAVRS-10Y”型遙感無人機試驗證機研製成功。

另外，國內一些文獻也對無人機用於遙感的關鍵技術進行了探討，相繼提出了遙感平台設計、影像實時處理與下傳、遙感數據地面接收與處理等多項關鍵問題並提出了技術方案；研究了機載SAR 圖像壓縮傳輸的關鍵技術，設計了基於JPEG2000 標準的SAR 圖像壓縮算法；並通過對無人機航片的分析提出了遙感影像獲取及處理相關技術。相對而言，有人機用於遙感由於技術相對成熟，在文獻中探討的較少。

用無人機進行遙感的主要優勢體現在它可以使駕駛員從各種危險環境中擺脫出來，但從我國的現狀來看，無人機技術發展還處於初級階段，遠未達到大規模實用化的地步，因此其在航空遙感方面的可用性和可靠性都大打折扣。而一般機載航空遙感系統更加實用和可行，可以有效滿足當前森林防火等領域的緊迫需求。

實時傳輸模式

傳輸模式是機載遙感影像空地傳輸的重要問題。機載遙感數據的空地實時傳輸模式，主要有機——地模式、機——星——地模式以及機——機——地模式三種。

機-地模式

機-地模式是我國機載遙感數據實時傳輸系統中最先採用的模式。即飛機將機載遙感器的數據經過處理後通過機載天線直接傳送給固定/移動的數據接收站。也有的系統在固定/移動接收站接收到傳輸的遙感信息後，進一步通過衛星信道或者本地電信網路將信息傳送到遙遠地區的用戶，如圖1所示。

圖1 機‐地實時傳輸模式

機——地傳輸模式的優勢是傳輸信道容量較大，遙感信息可以不壓縮或者以低倍率壓縮傳送到地面站，可以得到無損的或者失真很小的遙感圖像。但是其缺點也很明顯，包括：實時傳輸距離有限，由於飛機作業空域受飛機最大飛行距離限制所致；飛行作業地域受到限制，原因是飛機續航能力有限造成的；受氣候、和天氣影響較大。

機——星——地模式

中科院空間中心的姜景山院士針對機——地模式的缺點，率先在上世紀八十年代初提出了一種全新的機——星——地傳輸模式。機——星——地傳輸模式採用衛星作為數據實時傳輸的中繼站，遙感信息經過處理後經由機載的衛星天線發給地球同步軌道衛星，衛星轉發後由地面的接收站完成數據的接收。

機——機——地模式

安裝在小型機載平台上的遙感

器和數據實時傳輸系統將獲取的遙感信息通過空中無線信道傳輸給空中的大型航空平台，大型航空平台通過機載上行站接收的數據通過衛星中繼傳送給全國各地的用戶。機——機——地模式綜合了上述兩種傳輸模式的優點，既突破了機——地模式傳輸距離限制，也突破了機——星——地模式的傳輸數據速率限制。

信道特性

通信信道，通俗地講就是通信時傳遞數據時所用的通道。一般數據傳輸按照傳輸介質的不同而分成兩大類：有線通信和無線通信。

有線通信是用導線作為傳輸媒質的通信方式，有線數據傳輸形式多樣，從短距離的RS-232，RS-485 匯流排傳輸到架設光纜、電纜、租用電信專線以及通過計算機網路進行傳輸。有線信道是現代通信網中最常用的信道之一，各項技術發展得最為成熟，因此傳輸性能穩定可靠、噪聲電平低、保密性能較好。傳統有線信道的傳輸媒體有雙絞線、同軸電纜、光纖等，統稱傳輸線。發展到今天，有線網路基本形成了以光纖介質傳輸為主，雙絞線或者同軸電纜為輔的傳輸連線。

無線通信則不需要架設導線，而是利用無線電波在空間的傳播來傳遞信息。無線數據傳輸也是一個龐大的系統，分為專用無線數據傳輸系統（包括紅外、藍牙技術、微波傳輸、衛星傳輸）；借用CDPD，GSM，CDMA 等公用網信息平台等多種方式。

無線信道形式

無線信道一般有下面三種形式：

①微波通信。這是一種利用微波波段的電磁波在對流層的視距範圍內進行信息傳輸的通信方式。工作特點在於多路復用、射頻工作和中繼接力。與波長較長的無線電通信相比，優點有：工作頻頻寬、通信容量大；通信效果較好，靈活性大；受外界干擾小；投資省、見效快。但是易受地形、大氣的影響，造成電波衰落。

②衛星通信。該方式利用人造地球衛星作為中繼站，實現地球上兩個或多個地球站之間的通信。與其它通信方式相比較，具有以下特點：覆蓋區域大、通信距離遠，具有多址連線能力；頻頻寬、容量大，通信機動靈活，穩定可靠；建站費用與距離無關。需要解決的問題有因電波傳播距離遠帶來的傳輸時延過大的影響；實現多址連線需要多址技術；衛星工作應有高度的可靠性；不同通信系統之間存在的相互干擾等。

③短波通信。這是利用地面發射的無線電波在電離層反射，或者在電離層與地面之間經過多次反射而到達接收點的一種遠距離通信方式。由於電離層的不穩定性，短波通信在傳輸質量上極不穩定。但是它在進行遠距離通信的時候，僅需要不大的發射功率和適中的設備費用，並且具有抗毀性的中繼系統—電離層。對於軍事通信和移動通信有重要的實用價值。

數據傳輸方式

在通信信道上，數據傳輸通常有以下兩種方式：

①基帶傳輸。原始數據信號不僅包括直流分量在內的低頻率分量，還包含許多其他頻率成分的諧波分量，它所占用的頻帶稱為基本頻帶，簡稱基帶。直接利用基帶信號通過傳輸信道進行傳輸的方式稱為基帶傳輸。

②頻帶傳輸。與基帶傳輸相對應，將基帶信號先以某一形式的載波進行調製之後，再通過信道的傳輸，稱為頻帶傳輸。對大多數信道（尤其是無線信道）而言，並不能直接傳輸基帶信號，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進行控制，使這些參量隨基帶信號的變化而變化，即調製。調製滿足了信道傳輸的需要，還能實現多路復用，完成頻率分配和減小噪聲干擾的影響。一般採用正弦波進行調製，分為調幅、調頻、調相三種基本調製方式。

兩種傳輸模式信道特性

在機——地系統中，遙感監測飛機不僅作為影像獲取的主要設備，同時也是傳輸系統的傳送單元。經過對遙感影響的存儲、壓縮、加密處理後，數據可以適應一定的頻寬傳輸，通過機載的接收單元進行上變頻調製，經發射單元放大到合

適的射頻脈衝，最後經天線傳送出去。地面接收設備在一定的範圍內便可以接收到實時的遙感數據。從機——地傳輸的工作模式看，其傳輸信道同樣受到各種各樣的因素干擾，但其干擾主要來自於低層大氣衰減與噪聲的干擾較大。在機——星——地系統中，同步軌道衛星作為傳輸系統的一個中繼站，將通信系統分為上行鏈路（機載平台到衛星）和下行鏈路（衛星到地面接收站）兩個部分。對於接收站而言，影響傳輸信道的因素可以歸結為兩大類：大氣衰減與噪聲和接收站周圍的多徑干擾。

機載站上行鏈路和地面站下行接收鏈路的電磁波傳播都要穿越地球表面的大氣層，大氣層的存在給傳輸信道帶來一定的影響。電離層電離出的自由電子對衛星通信有著顯著的影響。對流層中大氣的壓力分布、溫度分布、水分子的密度都會影響電磁波在穿越對流層時的折射效應。大氣擾動引起的電磁波在對流層的折射係數變化與大氣衰減都與天線的仰角有關，在天線工作仰角較高情況下（>5 度）它們的影響都很小。雲雨引起的衰減與噪聲，僅對10GHz 以上的頻道影響顯著。可見，對於固定的衛星接收站而言，通常接收站的合理選址，能夠避免接收天線周圍環境引起的多徑干擾。

在機——星——地實時傳輸系統的套用中，有時需要使用車載移動站實時接收衛星轉發數據。比如森林火災、水災的實時檢測和臨時現場指揮部、軍事偵察套用中的小型移動指揮中心等。移動衛星信道除了前面固定信道中的大氣衰減、雲雨噪聲的影響外，由於接收站周圍環境的變化，還會帶來衰落和多徑效應，因此是時變的、隨機信道，信道參數與接收站所處理的地理環境、季節、氣象條件等因素有關；通常根據移動所處的不同場景，來分析、預測信道特性。