遙感技術(shù)應(yīng)用綜述

張治宇

[摘 要]以1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星成功為標(biāo)志，人類(lèi)成功地進(jìn)入了空間探索的新紀(jì)元。其中依據(jù)電磁波理論的遙感技術(shù)，提供了一種全新的方法與思路，即通過(guò)收集、處理各種傳感儀器對(duì)遙遠(yuǎn)目標(biāo)的輻射和反射的電磁波信號(hào)，生成圖像從而觀(guān)測(cè)并識(shí)別地物。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，遙感技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)較為完備的技術(shù)體系與理論體系，廣泛地應(yīng)用于人們生產(chǎn)和生活的方方面面。本文將從遙感技術(shù)變化檢測(cè)應(yīng)用、遙感技術(shù)在資源環(huán)境中的應(yīng)用、遙感技術(shù)在氣象學(xué)中的應(yīng)用、遙感技術(shù)應(yīng)用的一般流程總結(jié)以及遙感技術(shù)存在的問(wèn)題及展望這五個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)。

[關(guān)鍵詞]遙感應(yīng)用；變化檢測(cè)；資源環(huán)境衛(wèi)星氣象學(xué)一般流程

一、遙感技術(shù)變化檢測(cè)應(yīng)用

1.1 遙感技術(shù)變化檢測(cè)應(yīng)用綜述

從1972 年美國(guó)發(fā)射第一顆陸地資源衛(wèi)星以來(lái)，對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷擴(kuò)大，應(yīng)用成效也得到不斷提高由于遙感觀(guān)測(cè)有著信息獲取方式優(yōu)良，獲取條件相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性、高效性、廣域性以及其他諸多優(yōu)點(diǎn)，因而如何從遙感觀(guān)測(cè)所供給的大量數(shù)據(jù)中提取變化信息，并將這些信息運(yùn)用于生產(chǎn)生活的方方面面，已經(jīng)成為目前遙感應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，變化檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。所謂變化檢測(cè)技術(shù)就是對(duì)不同時(shí)段的目標(biāo)或現(xiàn)象狀態(tài)發(fā)生的變化進(jìn)行識(shí)別、分析的計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，包括判斷目標(biāo)是否發(fā)生變化、確定發(fā)生變化的區(qū)域、鑒別變化的類(lèi)別、評(píng)價(jià)變化的時(shí)間和空間分布模式。在遙感技術(shù)幾十年的發(fā)展歷程中，變化檢測(cè)技術(shù)的研究成了各地專(zhuān)家學(xué)者研究的一個(gè)重要的課題。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、空間探測(cè)技術(shù)以及其他與遙感有關(guān)的諸多領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的帶動(dòng)下，世界各地學(xué)者跨國(guó)、跨領(lǐng)域的交流合作下，基于遙感影像的變化檢測(cè)技術(shù)迎來(lái)了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。然而就目前的技術(shù)與設(shè)備而言，目前所采用的任何一種變化檢測(cè)方法都具有其局限性。在下文中，我們將就各類(lèi)方法的局限性與優(yōu)越性進(jìn)行討論，了解其特點(diǎn)與所適用的領(lǐng)域。

1.2主流變化檢測(cè)方法及優(yōu)缺點(diǎn)

隨著數(shù)十年來(lái)各國(guó)學(xué)者跨學(xué)科跨領(lǐng)域的合作交流，遙感相關(guān)學(xué)科的蓬勃發(fā)展，作為土地覆蓋利用監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)的變化檢測(cè)方法日益繁多。可以將遙感影像的配準(zhǔn)方式以及變化檢測(cè)的數(shù)據(jù)源作為劃分依據(jù)，將目前主流的變化檢測(cè)方法分為兩大類(lèi)、七種方法。第一類(lèi)是先進(jìn)行圖像配準(zhǔn)后變化檢測(cè)的方法；第二類(lèi)是變化檢測(cè)與圖像配準(zhǔn)同步進(jìn)行的方法。或者，可以按照是否需要進(jìn)行實(shí)現(xiàn)分類(lèi)作為劃分依據(jù)，將變化檢測(cè)方法劃分為兩類(lèi)：即直接比較變化檢測(cè)法、分類(lèi)的變化檢測(cè)法。

二、遙感技術(shù)在資源環(huán)境中的應(yīng)用

2.1遙感技術(shù)應(yīng)用于資源環(huán)境監(jiān)測(cè)中的必要性

自第一次工業(yè)革命以來(lái)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)、資源開(kāi)發(fā)和可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾便已經(jīng)存在，且受到世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及后續(xù)兩次工業(yè)革命的影響，人與自然、人與資源的矛盾日益加劇。如何處理與社會(huì)發(fā)展相共生的資源匱乏以及環(huán)境惡化，成為人們不得不面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。然而一直以來(lái)，兩道天塹阻隔在資源環(huán)境問(wèn)題處理的面前，即如何全面而快速地獲取資源環(huán)境變化信息，以及如何高效高精度的處理這些數(shù)據(jù)。直到20世紀(jì)60年代，隨著空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的日漸成熟，遙感技術(shù)進(jìn)入了人們的視野之中。遙感技術(shù)以其觀(guān)測(cè)的廣域性、數(shù)據(jù)獲取的綜合性、資料采集與數(shù)據(jù)處理的高效性、處理結(jié)果的高精度性等優(yōu)勢(shì)成了現(xiàn)如今，局部乃至全球資源環(huán)境數(shù)據(jù)獲取與處理的重要手段。

2.2遙感技術(shù)應(yīng)用于資源環(huán)境的優(yōu)越性

遙感技術(shù)對(duì)環(huán)境研究來(lái)說(shuō)，其優(yōu)越性可歸納為“高、遠(yuǎn)、多”。

高，遙感影像從高空對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，所受的遮蔽少，視野開(kāi)闊，觀(guān)測(cè)范圍大，鳥(niǎo)瞰全局，從而使遙感影像更加完備而全面的實(shí)現(xiàn)地面觀(guān)測(cè)。

遠(yuǎn)，遙感技術(shù)能夠不直接接觸被測(cè)物體，遠(yuǎn)距離的獲取地物的幾何與物理信息，對(duì)目標(biāo)地物及其所處的環(huán)境不造成干擾，使得獲得的數(shù)據(jù)更加客觀(guān)可靠。

多，包括多點(diǎn)位、多譜段、多時(shí)相、多高度的遙感影像和“多次增強(qiáng)”的遙感信息。

總的來(lái)說(shuō)，遙感技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境資源中，可以為用戶(hù)提供時(shí)空連續(xù)性的區(qū)域性同步信息。這些信息具有綜合性、系統(tǒng)性與同時(shí)性，而這也恰恰是遙感技術(shù)區(qū)別于其他技術(shù)，在資源環(huán)境中的應(yīng)用所具有的優(yōu)越性。

2.3遙感技術(shù)在資源環(huán)境中的發(fā)展趨勢(shì)

遙感影像獲取技術(shù)方面，隨著高性能新型傳感器的研制開(kāi)發(fā)水平的提高以及環(huán)境資源遙感對(duì)高精度遙感數(shù)據(jù)要求的提高，高空間和高光譜分辨率已是衛(wèi)星遙感影像獲取技術(shù)的總發(fā)展趨勢(shì)。遙感技術(shù)在資源環(huán)境中的應(yīng)用主要呈現(xiàn)以下五個(gè)大的發(fā)展的趨勢(shì)：

2.3.1 遙感影像獲取技術(shù)蓬勃發(fā)展

2.3.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)呈現(xiàn)高速性、大容量性和高精度性的特點(diǎn)

2.3.3 4S技術(shù)（GIS、GPS、RS、ES）技術(shù)呈現(xiàn)集成化、一體化的發(fā)展趨勢(shì)

2.3.4 遙感信息模型與遙感信息處理方法的逐步發(fā)展完善

2.3.5 國(guó)家環(huán)境資源信息系統(tǒng)以及環(huán)境遙感應(yīng)用系統(tǒng)的建立

可以預(yù)見(jiàn)的是，遙感技術(shù)在資源環(huán)境中的應(yīng)用在未來(lái)的發(fā)展中，功能模塊集成化、技術(shù)科學(xué)化、數(shù)據(jù)處理智能化、檢測(cè)科學(xué)化等特點(diǎn)將更加明顯。隨著遙感技術(shù)以及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，在未來(lái)的生產(chǎn)生活中，遙感技術(shù)必將更加深入而廣泛地應(yīng)用于資源環(huán)境資料的獲取與處理，以其獨(dú)特的優(yōu)越性服務(wù)于生產(chǎn)生活。

3 遙感技術(shù)在氣象學(xué)中的應(yīng)用

3.1遙感技術(shù)應(yīng)用于氣象學(xué)的優(yōu)越性與局限性

大氣遙感作為遙感技術(shù)數(shù)十年間發(fā)展最為迅速的新興學(xué)科，在大氣科學(xué)中一直發(fā)揮著重要作用，是現(xiàn)今氣象學(xué)的支柱學(xué)科之一。隨著氣象學(xué)的研究與發(fā)展，氣象學(xué)對(duì)全球范圍以及區(qū)域范圍的大氣特征的觀(guān)測(cè)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)其時(shí)空連續(xù)性。且由于氣象學(xué)研究的主要對(duì)象無(wú)法直接接觸，或直接接觸難度大，遙感技術(shù)作為一種不直接接觸被測(cè)物體，即可獲得其物理幾何特性的觀(guān)測(cè)技術(shù)，顯示出了其獨(dú)特的魅力。另一方面大氣物理學(xué)、近代電磁學(xué)、計(jì)算機(jī)及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，傳感器等硬件設(shè)施的完善，都進(jìn)一步地推動(dòng)了遙感技術(shù)在氣象學(xué)中應(yīng)用的深度與廣度。

大氣遙感是利用遙感器傳感器所監(jiān)測(cè)到的監(jiān)測(cè)大氣結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及變化，不需要直接接觸目標(biāo)而進(jìn)行區(qū)域性的跟蹤測(cè)量，能夠快速地進(jìn)行污染源的定點(diǎn)定位，從而獲得全面的綜合信息得一門(mén)遙感技術(shù)。安置在遙感平臺(tái)上的傳感器通過(guò)對(duì)大氣光譜特性的觀(guān)測(cè)，可以將無(wú)法由遙感手段直接得到的各氣體成分以及其他的各個(gè)物理量判讀出來(lái)。遙感技術(shù)所用的探測(cè)波段廣，可以根據(jù)不同大氣成分的電磁波譜特性，選用合適的波段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，由于遙感平臺(tái)上所搭載的傳感器對(duì)于各種波譜的探測(cè)寬度與靈敏性遠(yuǎn)高于人眼，故可以探測(cè)到人眼無(wú)法識(shí)別的對(duì)象。遙感測(cè)量獲得的原始影像能夠給氣象學(xué)研究提供更多的原始數(shù)據(jù)，而遙感影像的后續(xù)處理則能將所獲取的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成有益于氣象研究的信息。

然而，受限于當(dāng)前遙感技術(shù)的發(fā)展水平以及軟硬件設(shè)備的技術(shù)條件，遙感應(yīng)用于氣象學(xué)中所獲得的衛(wèi)星云圖分辨率有限，同時(shí)由于除觀(guān)測(cè)對(duì)象外其他大氣成分干擾，攝取的影響將會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的為誤差，嚴(yán)重的影響測(cè)量精度，降低了遙感影像所獲取的氣象學(xué)資料的可靠性。

3.2遙感技術(shù)應(yīng)用于氣象學(xué)的幾個(gè)實(shí)例

3.2.1有害氣體的監(jiān)測(cè)

有害氣體通常指人為或自然條件下產(chǎn)生的二氧化硫、氟化物、乙烯、煙霧等對(duì)生物有機(jī)體有害的氣體。但用遙感技術(shù)對(duì)大氣中的某一成分進(jìn)行觀(guān)測(cè)時(shí)，我們往往不能直接對(duì)其進(jìn)行觀(guān)測(cè)。但是，這并不意味著遙感技術(shù)不適用于該類(lèi)觀(guān)測(cè)。我們可以利用所觀(guān)測(cè)成分特定的電磁光譜特性間接地監(jiān)測(cè)該成分的分布以及變化情況；或者我們可以通過(guò)觀(guān)察這些不易直接觀(guān)測(cè)的成分對(duì)其他地物的影響，以達(dá)到對(duì)目標(biāo)成分追蹤觀(guān)測(cè)的目的。比如地表硫化面，酸雨對(duì)植物的腐蝕情況等等。

3.2.2城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)

城市熱島效應(yīng)是城市中的空氣溫度高于城市周?chē)紖^(qū)的溫度，故形成了從城市流向郊區(qū)的一種環(huán)流。與有害氣體監(jiān)測(cè)相類(lèi)似，城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)同樣采用了間接監(jiān)測(cè)的手段。我們知道到，植被覆蓋率與植被覆蓋種類(lèi)和城市熱島效應(yīng)的影響范圍存在很強(qiáng)的相關(guān)性。通過(guò)比對(duì)城郊的植被變化，就可以得到城市熱島到效應(yīng)的影響范圍。當(dāng)然，我們也可以通過(guò)直接比較不同時(shí)相的遙感熱紅外影像直接得到城市熱島效應(yīng)的日/年變化規(guī)律。

4 遙感技術(shù)應(yīng)用的一般流程總結(jié)

遙感技術(shù)應(yīng)用的一般流程：

隨著遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的日益廣闊，各個(gè)學(xué)科與遙感技術(shù)的聯(lián)系逐漸加強(qiáng)，遙感技術(shù)的規(guī)范化、流程化成了大勢(shì)所趨。如何建立一個(gè)普遍適用的大體操作流程，成了我們現(xiàn)在急需解決的問(wèn)題，筆者根據(jù)平時(shí)所學(xué)以及匯總眾多的資料，現(xiàn)提出自己的觀(guān)點(diǎn)。

4.1利用遙感平臺(tái)上的傳感器對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行觀(guān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取與輸入。

4.2采集光譜特征，并依照光譜特征建立模型，并對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估，以此作為是否重建模型的依據(jù)。

4.3利用所建立的模型對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可分為三個(gè)流程：（1）建立數(shù)據(jù)處理流程；（2）選擇各個(gè)環(huán)節(jié)所采用的數(shù)據(jù)處理方法；（3）輸入所需處理數(shù)據(jù)并配置相關(guān)參數(shù)。

4.4獲取處理后的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。

5 存在的問(wèn)題及展望

5.1存在的問(wèn)題

遙感技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)十分完善的學(xué)科體系，應(yīng)用于生產(chǎn)生活的方方面面。然而，在現(xiàn)階段的技術(shù)條件的限制下，遙感技術(shù)仍然需要面對(duì)一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

首先是遙感技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，尺度與角度的問(wèn)題。由于用不同空間分辨率獲取的圖像間沒(méi)有簡(jiǎn)單的平均或平分對(duì)關(guān)系。[16]傳感器的分辨率與地物的輻射值并不滿(mǎn)足線(xiàn)性相關(guān)。同時(shí)，由于傳感器所接收到的輻射信號(hào)具有多源性和多時(shí)性，這就給數(shù)據(jù)的幾何配準(zhǔn)帶來(lái)了不便。另一方面，雖然隨著人工智能與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遙感信息的提取效率越來(lái)越高。然而由于技術(shù)條件以及軟硬件條件的限制，遙感信息的自動(dòng)提取仍然是我們急需解決的問(wèn)題。最后，隨著時(shí)間維度的加入，遙感數(shù)據(jù)變得異常復(fù)雜。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)四維數(shù)據(jù)進(jìn)行同化，是我們不得不面對(duì)的問(wèn)題。

5.2 對(duì)遙感未來(lái)的展望

遙感技術(shù)方興未艾，即使是發(fā)展到現(xiàn)在，仍然有著巨大的發(fā)展?jié)摿Αo(wú)論是空間探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，還是傳感器的更新?lián)Q代，都將極大地促進(jìn)遙感技術(shù)的發(fā)展與繁榮。展望未來(lái)，我們可以發(fā)現(xiàn)遙感技術(shù)將呈現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)：

5.21隨著傳感器的更新?lián)Q代以及遙感技術(shù)更高精度的要求，衛(wèi)星遙感將呈現(xiàn)高分辨率、高精度的發(fā)展趨勢(shì)。

5.2.2隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展與廣泛使用，各式雷達(dá)傳感器的廣泛使用，遙感技術(shù)走向全天候、全時(shí)段的新階段。

5.2.3熱紅外遙感技術(shù)的大力推廣使得遙感技術(shù)對(duì)于與地球表面熱量有關(guān)的地物及其變化的監(jiān)測(cè)進(jìn)入了一個(gè)新的高度。

5.2.4 4s技術(shù)的發(fā)展使得遙感技術(shù)呈現(xiàn)集成化一體化的趨勢(shì)。

5.2.5數(shù)字地球概念的提出，使得遙感技術(shù)與其他相關(guān)學(xué)科在全球?qū)用嫔蠈?shí)現(xiàn)了一體化、系統(tǒng)化、聯(lián)系化，構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)的整體網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)束語(yǔ)

自19世紀(jì)60年代遙感誕生之日起，數(shù)十年來(lái)，遙感技術(shù)在變換檢測(cè)、資源環(huán)境信息獲取與處理等諸多領(lǐng)域一直發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)然，任何技術(shù)都不是萬(wàn)能的，都有其局限性。然而遙感技術(shù)盡管經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的發(fā)展，但其應(yīng)用前景依舊廣闊。尤其是隨著深空探測(cè)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、波譜分辨技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科的不斷發(fā)展推進(jìn)，遙感技術(shù)更是展現(xiàn)出來(lái)前所未有的生機(jī)，筆者限于所學(xué)知識(shí)有限，無(wú)法對(duì)遙感技術(shù)進(jìn)行更深層次的專(zhuān)業(yè)化討論，但我們相信，遙感技術(shù)的前景一定是務(wù)必廣闊的。

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