遥感技术_遥感技术及其

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遥感技术在地球资源方面的应用

姓名：王大伟

班级：资工

学号：

序号：10709 200701846 46

遥感技术在地球资源方面的应用

一、对地球观测技术发展的简要历程

对地观测，即对地球观测（earth observing）。它作为一个专有名词，起源於八十年代中期美国空间站对地观测系统（EOS）。对地观测技术是现代遥感技术发展的重要标志，它可追溯到六十年代的初期，刚刚出现人造地球卫星。当时一般都将它称为地球资源和环境的遥感技术。遥感（Remote Sensing）这个词最早出自於1960年。当时，美国海军科研局一位官员把一项研究照相判读技术的计划称为“遥感”计划。后来，经过一系列相关专业研讨会的确认，才得以传播开来。

六十年代的空间实验

六十年代，卫星出现不久，发展应用卫星的有效载荷技术，完全处於试验和摸索阶段。作为空间遥感卫星试验的前奏，应当特别提及飞机遥感技术的发展。世界许多国家都是首先开展大规模的机载对地观测技术的飞行试验活动，其“领头羊”是美国。美国在早期发展卫星遥感技术和应用，首先进行大量的飞机试验活动。为了获得卫星遥感仪技术的每一知识，几乎都是首先开展在飞机上的试验和验证。特别是为准备发射地球资源遥感卫星，本世纪六十年代末期，美国宇航局（NASA）在全美国展开了有史以来规模最大的机载飞行实验活动。历时三年。他们动用了当时能够提供的所有遥感仪器。包括微波雷达、红外扫描仪、和各种照相机设备。开辟了近400个试验场和典型地物场地。实验应用的范围极其广泛，包括农、林、地质、地理、水文、海洋、城市、工程等一大批应用。从此以后，至今还没有那次试验在规模上超过它。通过这次活动，人们不仅认识了各种遥感仪技术的作用和潜力，而且还初步学会如何开展应用遥感的具体方法。这是人类对遥感技术及应用的第一次、比较系统的实践。这次活动结束后二年，美国地球资源技术卫星（ERTS）发射成功。从此在全世界掀起了空间遥感应用的热潮。现在，回过头来再审视一下这次实验活动，会深刻体会到机载遥感飞行试验在整个空间对地观测技术发展中的重要作用。

1、气象卫星

早在人造卫星发射之前，世界各国就开始开展卫星遥感应用的技术准备。即卫星有效载荷对地观测仪器技术的探索和研究工作。卫星在围绕地球飞行过程中，能够在短时间内覆盖观测全地球。它特别符合气象观测的需求，因此，卫星一出现便受到气象工作者的重视。当时的问题是采用什么样的遥感仪器，能够在卫星飞行中摄取的地面图像并即时将其送回地面。在当时的传感技术中只有电视摄像机满足这一要求。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。星上电视摄像机首次送回地球大气清晰的可见光云图，具有气象价值。§1.1.2 地球资源卫星

早在六十年代初期，美国就酝酿利用空间技术勘察地球的资源。随即制订了“地球资源勘察”计划。包括发射资源卫星和天空实验室飞船，以及飞机计划。经过七年的论证和研制等准备工作，於1972年7月成功地发射第一颗实验型“地球资源技术卫星”（ERTS）。在这颗卫星上，安装有二种摄取地面图像的遥感仪器：三台返束光导摄像管（RBV）和多光谱扫描仪（MSS）。它们工作在可见光和近红外光谱区域。RBV有三个波段，地面分辨率100m。MSS包括四个波段: MSS1（0.5~0.6）μm，MSS2(0.6~0.7)μm，MSS3(0.7~0.8)μm，MSS4(0.8~1.1)μm。分辨率79m。在当时，电视摄像机已在气象卫星上试验成功。为提高分

辨率，请著名的美无线电公司（RCA）专门研制高分辨率电视摄像管，返束光导摄像管。扫描线达4500条。多光谱扫描仪（MSS）是一种利用行扫描原理的高分辨率光学-机械扫描成像系统。在扫描仪的焦平面上，利用分光元件和光电探测器相配合，在可见光和近红外光谱范围的四个狭窄波段摄取地面图像。光谱分辨率△λ＝0.1μm。从总体说来，ERTS-1的首次实验是成功的。虽然RBV在太空运行很短时间就因高压电源故障而停止，但是MSS获取的图像却得到了意想不到的成功。

ERTS-1原订寿命一年，MSS实际工作5.5年。它摄取了3.3万个地面景物，提供约150万张图像。这种包含（185×185）Km2地面的多光谱图像，初步分析便得到了在当时非常惊人的结果。当时发现，加拿大西部有镍矿、巴基斯坦可能有铜矿、看到了纽约海港的污染情况，断定了农作物的长势、与现有地图相比较发现一批错误和遗漏...。这些意想不到的结果引起了世界各国的普遍重视。这种卫星的多光谱图像迅速在世界范围扩散。随即掀起了世界性的地球资源与环境空间遥感应用的热潮。

从对地观测技术发展的角度来审视应用技术的发展历史，六十年代的实验活动是有成效的。通过气象和资源两类应用卫星的实践过程，建立了初步满足实用化要求的信息获取技术。利用光电探测和光-机扫描成像原理的光电遥感仪器技术，被确定为实用化卫星有效载荷技术，推动了对地观测技术及其应用的整体发展。事实证明，这是一条正确的技术路线。

2.海洋遥感卫星

美国的海洋卫星（SeaSat）是从七十年代初期开始论证和研制的。这是第一颗专门用於海洋遥感的实验性空间飞船。1978年7月26日发射成功。由於星上电源故障，该星仅工作160天便停止工作。尽管如此，它还是完成了预定的海洋遥感实验。这颗卫星装载了在当时技术条件下能够研制出来的所有海洋遥感仪器。包括：雷达测高仪（ALT）、散射计、合成孔径雷达（SAR）、多通道微波辐射计、可见光和红外辐射计等。它们收集地球海面和包括风、浪、温度、海水、形貌等大批信息。同时也对最新研制的各种遥感仪技术进行实验和评价。

从海洋卫星（Seasat）以后的海洋遥感卫星看，第一颗卫星的实验是成功的，它基本上达到了既定目标。雷达高度计、散射计和辐射计等仪器的实验均转入实用化阶段，它们后来都成为海洋遥感的基本工具。此后，美国海军的海洋遥感系统（NROSS）、美国宇航局和法国合作的海貌卫星（Topex/Poseidon）,日本的海洋观测卫星（MOS-1）以及欧空局的遥感卫星（ERS-1）等，都是后续的海洋遥感卫星，实用化的具体计划。

从遥感技术发展过程看，海洋卫星上首次装载的合成孔径雷达（SAR）实现太空飞行，这是一件有意义的事情。众所周知，早在五十年代初期，为军事侦察需要发明了真实孔径侧视成像雷达。微波辐射的穿透和全天候特性，吸引许多人继续从事研制高分辨率成像雷达的工作。结果，合成孔径雷达（SAR）的概念诞生。到六十年代，机载SAR的飞行，图像分辨率可达到15m的水平。七十年代初期，空间遥感技术发展引起世界性轰动，但技术界人士都非常明白，这完全是因为光电遥感技术的成功。因此，把高分辨率成像雷达搬到卫星上去，是技术专家和遥感用户共同的迫切愿望。海洋卫星实现了SAR的空间首次飞行，得到分辨率为25m的地面雷达图像，据说曾引起了很大的轰动和反响。可想而知，在当时，这种全天候图像在军事上的意义是很大的。此后，日本、欧洲、俄国、中国和加拿大等国都全力投入空间SAR技术研究工作，并研制SAR卫星。

二、全新一代对地观测技术

从世界范围看，对地观测技术到八十年代中期，在大气、陆地、海洋三大应用领域基本上完成了应用遥感技术的初步研究工作。此后各国便加紧向着实用化空间遥感技术发展。此时此刻，人们自然要问，人类对地球的观测的研究活动下一步的总体目标是什么。为此，还要发展哪些高级的对地观测技术。

人类应当对于自己居住的星球有一个全面而深刻的了解。掌握地球科学的知识，这是人类追求最高目标的基本条件。也是全世界每个国家和每个团体义不容辞的责任。卫星诞生后所发展的地球资源和环境遥感技术，是人类迈向这一伟大目标的第一步。当我们看到七十年代空间遥感应用的巨大成就，使我们更加深刻地认识到,全面地认识地球体系是非常重要的。确信，现在更加有条件完成这一任务。

地球是宇宙太阳系内一个独特的星球。它的表面分布着一大批特定的材料。在它们接收到太阳辐射能量之后，实现着一系列复杂过程。地球科学家始终想知道,地球体系整体是如何运行的。地球的表面、内部和大气层等各部分,在整体运行过程中都处於什么状态。产生什么作用。地球上许多过程是横跨地球的几个部分发生的。显然，地球体系各部分之间的相互作用，是该体系整体运行的重要内容。

因此，有必要建立一个对地球整体的观测系统。采用一大批敏感仪器，利用所有能够传递信息的媒质，获取有关地球体系及其各个组成部分的详细数据或信息。具体说，在更加宽广的电磁辐射波谱范围，建立一批新型的信息获取手段，满足各学科和各部门的信息需求。空间站对地观测系统（EOS）

八十年代中期，美国提出空间站的发展设想。专门成立了对地观测系统（EOS）科学和飞行任务需求的研究工作小组，他们从理论上提出了地球科学应用的基本任务。确定了低轨道地球观测的基本需求。从地球物理、气候过程、生物化学、和水文等四大学科，确定六个方面的观测内容。详见表1－1。应当说，这个总结是比较全面的。它指导着一个时代的相关技术发展。

最初，他们设想，建立极轨空间站平台，装载EOS有效载荷。平台总重约10吨，峰值功率25KW，数据容量500Mpbs。在这种平台上，将装载五组仪器，其中有12种新型对地观测敏感仪器。具体罗列如下：

第一组，地面成像和探测（SISP）。包括中分辨率成像光谱仪；高分辨率成像光谱仪；高分辨率多频微波辐射计；光雷达大气探测和测高仪。

陆地方面 海洋方面 气候学方面

岩体、地壳、地面变迁

冰层（气候、地貌、植被、地质、土壤等）各因素间关系

速度的长期变化

表层对流

重力场和磁场

长时间变化现象海洋循环

海洋与大气的耦合海冰动态

上部海水

物理和生物过程

表层水和深水的交换气象长期变化模型

太阳辐射的变化

气象变化与海温海流变化间的关系

陆地变化对局部气候的影响

陆地生物数据的作用

气候预报

增加气候知识

大气方面 生物化学循环 水文循环方面

各大气层的多种关联

上下大气层的关联

臭氧层的变化

天气预报的准确度C、N、S、金属的生化循环

生物质、生产和呼吸的全球分布

沉积物和营养物输运

对流层气体的输运

酸雨过程降雨、蒸发、蒸散、和溶出水的过程

海和陆冰的作用

植被、土壤和地形之间的相互作用

第二组，主动式微波敏感仪（SAM）。包括合成孔径雷达（SAR）；雷达测高仪；雷达散射计。

第三组，大气物理和化学监视器（APACM）。包括：多普勒光雷达；上层大气干涉仪；对流层成份监视器；上层大气成份监视仪；高能粒子监视器。

第四组，实用化温度和湿度探测仪。包括：扫描辐射计，高分辨率红外探测仪。

第五组，监视仪。监视太阳、粒子和场、地球辐射收支等。包括：太阳紫外光谱辐照度监视仪、太阳常数监视仪、磁圈粒子和场探测仪、磁圈流体和场测量仪、和地球辐射收支仪等。§1.3.2 “行星地球”国际计划

人口增加，加速消耗地球的资源。工业化竞争带来环境恶化。过度地使用土地、森林面积减少，使沙漠化加速漫延。臭氧层破坏、CO2增加，大气污染日趋严重。地球的环境已经开始影响世界的农业、能源和人类健康。人类必须面对这个涉及到自身生存的严重问题，保护地球环境。

1989年美国等24国提出行星地球计划（Miion To Planet Earth，MTPE）。这项空间计划的目标是：跟踪地球环境的变化过程；记录自然过程同植物、动物和人类生活等两者之间的相互作用过程；记录大气、海洋和陆地等三者之间的相互作用过程。该计划的基本任务是，收集那些在地球环境方面对于国际组织选择正确方法和国家决定正确决策起作用的信息。该计划将耗资数百亿美元、费时15年、建立由一大批卫星或空间飞船组成的对地观测系统。坚持长期观察和测量，累积具有论断能力的数据。九十年代初期世界“冷战”结束的政治形势，更加有利於这一计划的实施。

“行星地球”计划的主要内容。建立三种空间平台，根据总目标确定每种平台的卫星数量和星上有效载荷任务。这样，从九十年代后期开始，将发射二十多颗各种卫星，它们共同构成整个对地球观测的完整系统。

极轨平台是指大型太阳同步极轨卫星。目前已经确定并部分完成的三个卫星系列，即美国的对地观测系统（EOS-AM，－PM，-Chem-1），欧空局的环境卫星-1（Envisat-1）,以及日本的高级对地观测卫星（ADEOS）。它们均属於大型遥感平台。重量在（3～8）吨范围，平台上安放多种遥感仪。卫星由各国自行组织研制和发射，有效载荷内容协商确定，数据共享。共同建立集成的从空间对地球体系的观测系统。

地球同步轨道平台，包括5－6颗静止轨道卫星。分别由美、日、欧等国负责发射。它们提供整个地球范围的连续的环境数据。在波段上，还将增加微波遥感仪，提供地球表面的温度和湿度的数据。

小型“地球探针”是一批针对性较强的小卫星。例如，测量臭气总量的光谱仪（TOMS），将由小火箭作为独立小卫星发射。它们专门收集特殊的信息，作为EOS主体的补充。由众多遥感仪器组成的庞大对地观测系统，所产生的数据数量也是巨大的。该计划将专门建立数据和信息系统（例如，EOSDIS）。除了按常规方法建立数据标准格式的数据库之外，还将研究巨量数据的管理方法、所有权、及预订数据等方法。特别，受空间遥感商业化发展的影响，EOS 数据和信息也有可能走商业化的发展道路。