遥感技术发展现状与未来趋势

遥感(Remote Sensing)就是遥远感知事物的意思,也就是不直接接触目标物和现象,在距离地物几公里到几百公里、甚至上千公里的飞机、飞船、卫星上,使用光学或电子光学仪器(称为遥感器)接受地面物体反射或发射的电磁波信号,并以图像胶片或数据磁带形式记录下来,传送到地面,经过信息处理、判读分析和野外实地验证,最终服务于资源勘探、环境动态监测和有关部门的规划决策。通常把这一接收、传输、处理、分析判读和应用遥感信息的全过程称为遥感技术,一般划分为航天遥感、航空遥感和地面遥感。遥感技术是20世纪60年代蓬勃发展起来的,随着现代物理学、空间技术、电子技术、计算机技术和信息科学等的发展,遥感技术已成为一种影像遥感和数字遥感相结合的先进、实用的综合性探测手段,被广泛应用于测绘、农业、林业、地质、水利、气象、海洋和环境保护等各领域。

(1)遥感传感器技术的发展。随着传感器技术的飞速发展,遥感数据分辨率大幅度提高,数据源向多样化方向发展。现代遥感史以20世纪60年代末人类首次登上月球为重要里程碑,随后美国宇航局(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(表13-1)。所有这些系统已提供了大量从太空向地球观测而获取得有价值的数据和图片。随着信息技术和传感器技术的飞速发展,卫星遥感影像分辨率,包括空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率,都有很大程度的提高。

表13-1　国内外常用卫星数据基本参数一览表

续表

低空间高时相频率的AVHRR(气象卫星NOAA 系统系列,星下点分辨率为1km)以及其他各种航空航天多光谱传感器亦相继投入运行,形成现代遥感技术高速发展的盛期。除了常规遥感技术迅猛发展外,开拓性的成像光谱仪的研制已在80年代开始,并逐渐形成了高光谱分辨率的新遥感时代。由于高光谱数据能以足够的光谱分辨率区分出那些具有诊断性光谱特征的地表物质,而这是传统宽波段遥感数据所不能探测的,使得成像光谱仪的波谱分辨率得到不断提高。从20世纪80年代初研制的第一代成像光谱仪——航空成像光谱仪(AIS)的32个连续波段,到第二代高光谱成像仪——航空可见光/红外光成像光谱仪(AVIRIS),AVIRIS是首次测量全部太阳辐射覆盖的波长范围的成像光谱仪。

美国宇航局于1999年底发射的中等分辨率成像光谱仪(MODIS)和即将送入地球轨道的高分辨率成像光谱仪(HIRIS)将为人类提供更多信息。美国航空航天局2002年5月又发射了AQUA 卫星,开始对全球水循环进行动态监测和研究。MODIS是EOS计划中用于观测全球生物和物理过程的仪器,每天可完成一次全球观测。MODIS提供0.4～2.5μm 之间的36个离散波段的图像,星下点空间分辨率可为250m、500m、1km。MODIS每两天可连续提供地球上任何地方的白天反射图像和白天/昼夜的发射光谱图像。HIRIS将有30m 的空间分辨率,获取0.4～2.5μm 波长范围的10nm 宽的192个连续光谱波段,它是AVIRIS的继承者。HIRIS将获取沿飞行方向前后+60°～-30°及横向±24°的图像。虽然它的周期为16日,但由于它的指向能力,对于一些特殊区域,其覆盖频率将会更高。HIRIS数据将用于识别表面物质、测量小目标物的二向性反射分布函数(BRDF)及执行小空间范围的生态学过程详细研究。

近几年发射的Obr View、IKONOS、Quick Bird卫星能同时提供更高空间分辨率和光谱分辨率的数据(表13-2),提供1m 全色波段影像和4m 或5m 的多光谱波段及空间分辨率为8m 的200个波段的高光谱数据。美国的EO-1 HYPERION 高光谱成像光谱仪空间分辨率为30m,光谱范围400～2500nm,波段数达到220个,保持世界顶尖水平。

欧洲于2002年3月发射的Envisat是目前最先进的环境卫星,载有10种科学仪器和一项多功能传感器,可同步监测陆地、海洋和大气层等地球环境变化,其中最主要的就是名为ASAR(Advanced Synthetic Aperture Radar)的合成孔径雷达传感器(表13-3)。

我国和巴西合作,也相继发射了CBERS1、2号资源卫星(表13-1)。

总之,信息技术和传感器技术的飞速发展带来了遥感数据源的极大丰富,每天都有数量庞大的不同分辨率的遥感信息,从各种传感器上接收下来(图13-1)。这些高分辨率、高光谱的遥感数据为遥感定量化、动态化、网络化、实用化和产业化及利用遥感数据进行地物特征的提取,提供了丰富的数据源。

表13-2　高空间分辨率卫星遥感器参数对照表

表13-3　Envisat卫星ASAR 传感器的技术参数

图13-1　目前常见遥感器时空和波谱分辨率图解(www.xing528.com)

(2)遥感信息定量化。遥感信息定量化是指通过实验的或物理的模型将遥感信息与观测目标参量联系起来,将遥感信息定量地反演或推算为某些地学、生物学及大气等观测目标参量。遥感信息定量化研究将涉及到遥感器性能指标的分析与评价、大气参量的计算与大气订正方法和技术、对地定位和地形校正方法与技术、计算机图像处理与算法实现、地面辐射和几何定标场的设置以及各种遥感应用模型和方法、观测目标物理量的反演和推算等多种学科及领域。遥感器定标、大气订正和目标信息的定量反演是遥感信息定量化的三个主要方面。遥感信息的定量化研究,主要目标是实现空间位置定量化和空间地物识别定量化,即利用数字摄影测量技术和遥感地物波谱技术和模式识别技术来定位地物并判别地物特征。鉴于遥感信息的定量化处理,可以在现有遥感数据的基础上,获取质量更高、位置更精确的信息,从而扩大遥感信息的应用深度和广度,实现遥感应用的工程化、实用化和功能化。遥感数据处理技术,包括影像正射校正技术、影像融合技术、多源信息复合技术、模糊分类技术、小波变换技术、分形分析技术和人工神经网络技术等得到不断发展和应用。例如,风云二号气象卫星实时高精度定位技术、服务器端一体化的数据管理与快速存取技术、基于光谱相似性的遥感影像相似性检索技术等。一些应用系统突出了实用化的目标;在前沿探索研究方面,有一定的创新,如SAR 扫描带宽扩展、多角度多光谱成像仪、极化干涉SAR 数据处理、地学图谱基本类型和标准化、模式化和虚拟实验等。

(3)遥感信息采集和处理的智能化。遥感的智能化首先表现在遥感传感器的可编程,传感器不仅可以按设定的方式进行扫描,而且可以根据具体要求由地面进行控制编程,使用户可以获得多角度,高时间密度的数据。影像识别和影像知识挖掘的智能化是遥感数据自动处理研究的重大突破,遥感数据处理工具不仅可以自动进行各种定标处理,而且可以自动或半自动提取道路,建筑物等人工建筑。地物波谱库的建立及高光谱自动识别系统使用户可以方便的进行地物识别,并在此基础上进行定量化分析。例如,我国典型地物标准波谱数据库的建立是“863”计划取得的重要成果。近景摄影测量系统利用摄像+图像采集卡、照相+扫描以及数码照相三种方式获取数字图像并有软件能自动进行图像拼接,可满足各种水利工程近景数字成像的需要。

(4)遥感信息的动态化。由于小卫星技术的发展,使得卫星造价很低,因此卫星网络计划得以顺利实施。NASA 的“传感器网络”使用户可以在获得更高分辨率的数据的同时,也可以获得更高时间密度的遥感数据。而雷达微波技术的发展,更使用户可以获得全天候的遥感数据,这一切都为遥感动态监测创造了条件,使遥感数据真正实现了“四维”(空间维和时间维)信息获取。

(5)遥感技术的网络化发展。Internet改变了我们的世界。当前,Internet已不仅仅是一种单纯的技术手段,它已演变成为一种经济方式——网络经济。人们的生活也已离不开Internet。大量的应用正由传统的客户机/服务器(C/S)方式向浏览器/服务器(B/S)方式转移,和传统的基于C/S的GIS、RS等产品相比较,新的网络化产品有更广泛的访问范围,客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据,而这一Internet/Intranet所特有的优势大大方便了GIS的数据管理,使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实现。新的网络化产品具有平台独立性,无论服务器/客户机是何种机器,用户就可以透明地访问各种异构数据,在本机或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分析,实现远程异构数据的共享。

(6)遥感技术的实用化、工程化和产业化。遥感技术通过多年的研究和发展,同时随着遥感数据获取技术的突飞猛进以及图像处理硬件和软件价格的下降,大量有实力的商业公司加入到遥感应用领域,不仅为遥感行业带入了大量资金,而且使应用成本快速下降。它们向最终用户直接提供满足要求的产品,使用户不必再投入硬件、软件和培养专门人才,降低了应用遥感的门槛。

遥感技术实用化和工程化已经成为必然趋势。除了卫星遥感外,航空遥感也是遥感中不可或缺的重要组成部分。它的优点是空间分辨率高,运行灵活机动。除了与星载遥感器类似的传感器外,激光扫描测距仪是近年来机载传感器方面成熟的进展之一。它可以精确地测量地形以及与高度有关的信息。把GNSS、INS、激光扫描测距和多波段扫描成像仪按设计目标进行有机集成,可以在无须地面控制点的条件下,快速生成地学编码图像和数字地面模型,它能够同步获取地面目标的三维位置(X,Y,Z)和多波段光谱信息(三维位置和遥感光谱数据套合在一起的一体化遥感信息,称为三维遥感信息),是遥感技术工程化的具体体现。

但是遥感产业化还存在许多关键问题有待研究,其中遥感工程应用技术及工程标准是急需解决的问题。

(7)遥感技术的发展方向。

1)近期卫星。

在20世纪90年代最后一个月美国发射的中分辨率成像光谱仪具有36个波段,而最近几年又可能发射的澳大利亚资源信息和环境卫星(ARIES)将有105个波段,美国“轨道影像公司”(ORBIMAGE)的Orb View-4卫星在保持Orb View-3的1m 高分辨率之外,还具有一台有280个波段的高光谱成像仪。号称“新千年计划”第一星的美国EO-1卫星,将装载一台光谱分辨率达10nm 共220个波段的高光谱成像仪,将具有特殊的优势。计划2004 年发射的加拿大卫星Radarsat-2,较Radarsat-1将有大幅度的技术改进(表13-4),由于增加了左右视模式和全极化能力,对于洪水监测(尤其是对于有植被覆盖区),提供了优化选择数据的条件。

表13-4　加拿大卫星Radarsat 2参数一览表

①　SSP:可选单极化HHor HVor Wor VH;SDP:可选双极化HH+ HVor W+ VH;QP:全极化HH+ HV+ W +VH。

2005年以后,美国Landsat系列卫星有11个波段的遥感产品;数字全球图像和信息公司发射据包括4颗5m 多光谱数据卫星的M5星座。SPOT 系列卫星有二颗空间分辨率达厘米级的光学小卫星和四颗合成孔径雷达小卫星组网运行。

我国计划中的CBERS-3、4(2006年发射)将在01/02星的基础上进行改进,新增一台5m 全色/10m 多光谱CCD 相机、幅宽60km;原01/02星的20m 多光谱CCD 相机由5个谱段改为4个谱段(取消了全色谱段);红外多光谱扫描仪分辨率由原来01/02星的80/160m 提高到40/80m;宽视场CCD 相机比01/02星多了0.52～0.59mm 和1.55～1.75mm 两个谱段,分辨率从260m 提高到73m;CCD 数传分系统中2个53Mb/s传输速率信道改为2个138Mb/s传输速率信道;红外数传分系统中传输速率由6.127Mb/s改为66Mb/s传输速率;遥感数据记录设备改为固态存储器。CBERS-5、6(预计2010年发射),将包括一颗03/04星的改进型卫星,二颗高分辨率和一颗SAR 卫星。03/04星的改进型卫星:安装两台5/10m 全色、多光谱相机其性能指标与03/04星基本相同,以替代一台5/10mCCD 相机和一台20mCCD 相机。如05星与06星组网,CCD 相机重复观测周期可缩短到13d,红外扫描仪为7d,WFI为1d。使资源卫星保持其连续性和公益性。高分辨率卫星:全色/多光谱推扫式CCD 相机,空间分辨率:1～2m(全色)/4～8m(多光谱);成像波段:0.45～0.9mm(全色),0.53～0.59mm,0.63～0.69mm,0.7～0.9mm;图幅宽:20～30km;观测周期:2～3d;图像相对定位精度:优于50m。SAR 卫星:具有全天候、全天时观测能力;空间分辨率:优于10m;成像宽度:110km;辐射分辨率:3d B;观测周期:3d。

另外,国内还有环境与灾害监测小卫星星座,空间分辨率全色谱段为4m 的国家遥感中心双遥感器小卫星等。

2)发展方向。未来发展方向是机载高空间分辨力、高光谱分辨力多维集成遥感系统。光谱分辨率的提高是近几年来卫星遥感发展的又一个趋势。在2010年后,对地观测卫星将是一个国内外星“百家争鸣”的局面,卫星数据应用市场将会有激烈的竞争,中国资源卫星将面临着机遇和挑战。结合美国TM 和法国SPOT 的经验,应以需求为导向,通过对中国资源后续星使用前景需求的调查和分析,充分吸收国际卫星制造、卫星数据处理等前沿技术,结合我国现有研发卫星的能力,做好卫星整体设计、有效载荷、波段的选择和设置、卫星数据生成的模拟图像算法、各种传感器的辐射校正、几何校正的算法模型、产品深加工的方法等一系列星地技术的充分论证和预先研究工作,将充分提高开发研制效率,减少盲从性,节省资金和资源的浪费,使中国资源卫星能够得到最大限度的应用。

2004年,美国劳动部将空间技术和纳米技术与生物技术一起确定为新出现的和正在发展中的三大最重要的技术。目前,“对地观测系统”已经列入我国中长期科学和技术发展战略规划中(第十五专题),提出以应用为驱动,建立空、天、地一体化,高空间、高时间和高光谱分辨率相融合,符合我国国情的对地观测大系统,作为国家地球空间信息基础设施,多维、全方位实施对地观测,系统地获取地球多圈层的信息,为全面、深入研究和了解我们赖以生存的地球,地球资源和环境及其动态规律,并进而对地球过程进行预测、预报和预警提供及时、科学、客观的数据和信息,服务于国家经济社会全面、可持续发展的科学决策。对地观测系统的建设内容包括先进对地观测平台系统、遥感有效载荷系统、地面数据保障和服务体系,以及对地观测定量化技术支撑系统对地观测应用技术系统(3S一体化应用于各行业、各领域的空间信息应用技术和应用系统)。对地观测系统预期在海量(TB级)、高速(Gbs级)数据接收、传输和处理技术;国家资源环境综合预警技术;对地观测数据定量化技术等关键技术方面有大的突破。