遙感方法

遙感方法是藉助對電磁波敏感的儀器,遠距離探測目標物,獲取輻射、反射、散射信息的技術。就地學而言,主要是指從近地或外層空間平台對地球表層的遠距離探測及遙感圖像、數據的處理、分析和製圖的技術系統。

遙感方法

遙感技術系統由遙感平台、遙感器、信息傳輸設備、接收裝置以及數字或圖像處理設備等組成。遙感平台是安放遙感儀器的裝置,如氣球、飛機、人造衛星、太空梭以及遙感鐵塔等。遙感儀器是接收和記錄物體輻射、反射、散射信息的裝置,常見的有可見光照相機、紅外照相機、紅外掃瞄器、多波段掃瞄器、微波輻射儀、真實孔徑雷達和合成孔徑側視雷達等20餘種。

地理學所運用的遙感方法,是利用地球表層所接收到的太陽輻射能、人工發射的雷射或微波能,反饋到遠離地面的遙感儀器的敏感元件上,轉換為電信號或數位訊號,通過信息傳輸設備,輸送給接收裝置,經過數字或圖像處理系統校正、增強、濾波等處理和加工,向用戶提供數字或圖像信息。這些信息通過專業判讀、模式識別和實地驗證,即可為地理學研究提供空間數學模型或專題圖件。

遙感方法產生於20世紀60年代。它與地理定位試驗站網路(見地理定位研究)和地理信息系統,並列為現代地理學的三大技術支柱。地理定位試驗站網路側重於研究物質能量遷移的機理和過程;地理信息系統體現區域性和綜合性的特點,具備系統分析的功能;遙感則提供準同步的、反映巨觀的空間分布規律的信息。三者相輔相成,把地理學推進到一個新的高度、廣度和深度。

遙感分類按遙感平台的高度和特點,一般分為航天遙感、航空遙感、近地遙感。①航天遙感。又稱衛星遙感。指軌道高度在100000米以上的人造衛星、太空梭和天空實驗室等遙感。由於軌道高度和遙感對象不同,遙感器的地面解析度和可能識別的地物大小也不同。例如,用於監測大氣活動的氣象衛星所獲取的遙感圖像的地面解析度為1.1~1.4公里;用於資源勘測與環境監測的陸地衛星或資源衛星為20、30、80米不等;適用於資源詳查和城市、海岸帶研究的回收型衛星或太空梭一般可達 5~10米。②航空遙感。利用飛機攜帶遙感儀器的遙感,包括距地面高度600~10000米的低、中空遙感和10000~25000米的高空、超高空遙感,可獲取解析度很高、波譜信息很豐富的照片或掃描圖像。由於航空遙感繼承並發展了航空攝影測量學的原理和方法,因而具有較高的定位精度和編制大比例尺系列專題地圖的功能。但是,航空遙感覆蓋的地區較小,技術處理過程較複雜,生產周期較長,主要適用於城市管理、工程設計、污染監測和災情調查等方面。③近地遙感。指距地面高度在1000米以下的系留氣球(500~1000米)、遙感鐵塔(30~400米)、遙感長臂車(8~25米)等的遙感,主要用於對大氣輻射訂正和光譜特性測試,以輔助高空遙感器的波譜選擇、輻射訂正和為圖像判讀分析提供參考。遙感鐵塔還可用於海面污染和森林火災監測。另外,有火箭和高空氣球遙感,這些一般只作為一種輔助手段,以快速獲取短暫的局部性的大氣或地面信息。

遙感分類

按電磁波的波譜範圍,遙感可分為可見光遙感、紅外遙感、紫外遙感、微波遙感、超短波遙感和多譜段遙感。①可見光遙感。用分波段照相機或用多波段掃瞄器採集0.34~0.76微米波段的信息。主要用於立體攝影測量、資源調查、軍事偵察等。②紅外遙感。指利用波長0.76~3.0微米的近紅外和波長3.0~15微米的遠紅外波段的遙感。紅外遙感對地表熱力場和植物葉綠素含量特別敏感,溫度解析度可達0.1~0.2℃。用於城市熱島、溫泉、海面溫度、埃爾尼諾現象、海洋中的淡水湧泉、海冰、積雪、冰川和湖泊的觀測,以及森林、草場、作物長勢的分級和湖泊富營養化、海面赤潮、海洋初級生產力的估算等。③紫外遙感。利用波長0.3~0.4微米的紫外波段的遙感,主要用於大氣和海洋溫度場的探測。④微波遙感。利用 1~1000毫米波段的遙感。具有全天候工作和穿透雲層、乾冰、沙漠和植被的功能,但空間解析度低。可用於地質勘探、資源調查等。⑤多譜段遙感。利用幾個不同波段範圍,同時對某一地物或地區進行遙感,對獲得的信息加以組合,以獲取有關物體的更多的信息。⑥超短波遙感。利用超短波的 α射線和X射線的遙感。如拖曳于海底的α射線探測儀,用於海底沉積和基岩剖面的探測。⑦雷射遙感。用於大地測量的衛星定位、活動斷層地形變化和 40~200米以內水下地形的測繪等。

按獲取信息的特點,遙感又可分為回收型、極軌型和靜止型。①回收型。回收遙感器後取得信息,如U-2飛機、太空梭、回收型衛星等都是在著陸後,從遙感器中取得遙感數據或圖像。工作時間由1到300多天不等。信息源不連續,但地面解析度很高。一般用於自然災害監測、局部地區的軍事偵察等。②極軌型。利用極軌衛星取得遙感信息。工作周期每天或14~18天重複一次,連續2~3年不間斷,能提供區域性的中長周期的準同步動態信息。適用於都市群發展、土地利用和土地覆蓋的變化,以及洪澇、蟲害、風沙、颱風災害的趨勢分析。③靜止型。高度為 35786公里、定軌於赤道上空的地球同步軌道衛星(又稱靜止衛星)對所覆蓋範圍,提供連續不斷的遙感數據或圖像,其同步性很高,但解析度較低。適用於監測全球性的巨觀動態變化,如全球大氣狀況、大陸綠波推移、南北極冰蓋進退、埃爾尼諾現象、洋流擺動等。

遙感與地理信息由於資源和環境衛星的發射,遙感獲取的地理信息已相當豐富。通過大氣遙感信息,研究大氣的狀況和特徵,以及遙感信息通過大氣圈傳輸的機理。地球表層的水圈、岩石圈和生物圈,以及人類活動情況,也是遙感的目標。例如,氣象和海洋衛星提供全球海洋表面物理場的動態遙感信息;陸地衛星和資源衛星提供陸地表面的地質構造、岩性、地表水、地下水、植被、土地覆蓋和利用、環境生態效應等的直接或間接信息。航空遙感和近地遙感可提供較為詳細的地理信息。

信息周期不同遙感信息源的時間周期不同,有5種尺度:①超短期的,如熱帶氣旋、寒潮、海況、魚情、赤潮、晴空湍流、城市熱島和污染事故等,其動態通過衛星遙感監測,按小時計算,並需結合定位觀測台站來檢驗;②短期的,如洪水、冰凌、旱澇、森林蟲害、作物長勢、綠波指數等,其動態變化,需要不同時間的對比,按日數計算,並需結合地面實況調查來研究;③中期的,如土地利用、作物估產、森林蓄積量、草場載畜量、海洋初級生產力等,按周年的季節變化估算,並需要有經濟統計數字作校正;④長期的,如水土保持、自然保護、冰川進退、河流改道、海岸變遷、湖泊消漲、荒漠化和綠洲化等,其演變過程往往經歷若干年的時間,需要歷史地圖和文獻的佐證;⑤超長期的,如新構造運動、火山噴發等地質現象,主要觀察其在遙感圖像上的歷史痕跡和間接標誌,參考化石、孢粉或C-14分析,推斷其年代,重建其發生髮展過程,演繹其變化規律。

信息處理遙感信息處理過程可分為預處理、精加工和判讀製圖 3個步驟。預處理是對遙感圖像的光譜輻射訂正和平台姿態參數的校準;精加工是按地面控制展布高精度的正射圖像地圖;判讀製圖是對圖像進一步增強特徵抽取和數理統計分析,從而編繪研究需用的專題地圖,並加以實地驗證。這些步驟的實施,以光學儀器為主體的稱為光學圖像處理;以計算機為主體的稱為數字圖像處理;以地學規律或地理系統為支撐的稱為地學處理。在比較複雜的判讀和製圖作業中,往往需要多種方法的配合,混合處理。

遙感圖像分析方法,最常用的有以下幾種:①目視判讀(或稱解譯)。運用地學(生物學)知識,藉助光學儀器或電子光學儀器,根據自然環境與人文現象的相關性,對遙感圖像上的直接或間接標誌作綜合的定性、定量分析,這種方法適用於航空照片或攝影圖像。②系列製圖。以航空或衛星圖像作為統一的信息源,按地理系統(或景觀),逐級劃分單元。這些單元內部具有統一的物質和能量的內循環,屬於有共性的統一體,而與外部有明顯的分異特徵和界線。根據地面採樣專業指標,將這些單元合併或細分為各種“類型”。按照自然發生髮展的過程順序作業,首先編繪地形圖和地質圖,其次是土地利用圖和水文地質圖,最後是土壤圖和土地評價圖。③自動分類。對數位化多譜段遙感圖像,藉助於計算機,通過主成分分析、邊界增強、傅立葉變換、KL變換等圖像增強手段,對像元進行識別,最後繪出分布圖,並統計面積。④信息複合。由於不同遙感圖像的波譜、時相,以及空間、時間解析度不同,所提供的地理環境信息也不同。不同圖像複合在一起,綜合分析,可獲得更多的信息。例如,洪水與枯水期湖泊圖像複合,可以反映湖面的消長;雷達與多譜段掃瞄器的圖像複合,可以突出地質構造與岩性的關係。⑤專家系統。地理信息系統的數據源,部分來自遙感,部分來自非遙感。後者包括地圖資料庫、高程數字模型庫、地名庫等。獲取遙感圖像或數據之後,以地理信息系統為基礎,迅速更新多級比例尺的專題地圖,做出預測預報。例如,通過專業評價模型軟體,直接輸出土壤侵蝕或森林蓄積量的圖像數據,作出農作物估產或自然災害趨勢預測。

特點遙感方法廣泛套用於研究整個地球表層的岩石、大氣、水、生物諸要素及其構成的自然綜合體的特徵、地理分布、相互作用和動態變化,以及人對自然環境的影響、提供了前所未有的信息源,不僅獲得新的地理知識和促成了一些新的地理概念,而且促進了地理學研究從微觀到巨觀、從靜態到動態、從定性到定量、從描述到預測預報的轉變。

運用遙感方法對地理學研究的重要意義,有以下方面:①區域調查方法的變革。長期以來,地理工作者主要通過定位觀測和野外考察來研究區域地理現象,即以點、線的直接觀察為基礎,認識地理規律。遙感方法則使地理工作者可以首先通過衛星圖像對整個區域、甚至全球作巨觀概查,然後針對關鍵地區與關鍵問題,組織大比例尺的航空遙感詳查,並結合野外實地考察。這種作業順序更符合認識論的邏輯,更符合區域規劃、工程設計的要求。②全球性的準同步觀測。常規的地面調查,需要較長時間才能完成,使用遙感方法可大大地縮短所用時間。通過衛星遙感,使人們能獲得接近於同步的全球觀測數據和圖像。③動態監測與預報。遙感技術系統具有大面積覆蓋、準同步快速獲取和處理大量信息的功能,特別是在高速計算機和地理信息系統支持下,加速和加深了人們對資源變化、自然災害發生、區域經濟發展趨勢等的認識。把地理數據採集、處理、分析、模擬的全過程,壓縮在自然和社會環境動態變化過程的時間之內,從而贏得預測預報的時間。④向太空和宇宙的延伸。地理學主要以地球表層為研究對象,而遙感方法使地理學某些研究擴展到月球和其他行星,如通過衛星遙感,繪製了整個月球的地形圖和地質圖,以及火星和木星的地圖。⑤建立和更新地理信息系統,為地理學的區域性和綜合性研究,提供了現代化的技術保證。地理信息系統的數據採集和更新,除利用地圖和調查統計數據外,遙感也是重要來源之一。

參考書目

陳述彭主編:《陸地衛星影像:中國地學分析圖集》,科學出版社,北京,1984。

P N.斯溫,S.M.戴維斯編著,朱振福等譯:《遙感定量方法》,科學出版社,北京,1984。(P.H.Swain,S.M.Davis, ed., Remote Sensing: The Quantitative Approach,McGraw-Hill,New York,1978.)

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