国之实力的遥感技术

传感器技术 2019-03-18 18:00

文 | 传感器技术


2月2日,我国首个遥感人工智能应用技术研究中心在重庆成立。该研究中心将以人工智能、大数据技术等新兴技术,促进地理信息、城市规划等业务技术升级拓展,用产学研合力推进遥感数据智能化。


遥感技术集中了空间、电子、光学、计算机通信和地学等学科的最新成就,是当代高新技术的一个重要组成部分。



遥感技术


遥感是从远离地面的不同工作平台上,如高塔、气球、飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和航天飞机等,通过传感器对地球表面的电磁波辐射信息进行探测,然后经信息的传输、处理和判读分析,对地球的资源与环境进行探测与监测的综合性技术。


遥感技术从远距离采用高空鸟瞰的形式进行探测,包括多点位、多谱段、多时段和多高度的遥感影像以及多次增强的遥感信息,能提供综合系统性、瞬时或同步性的连续区域性同步信息,在环境科学领域的应用具有很大优越性。


遥感技术是60年代在航空摄影和判读的基础上随航天技术和电子计算机技术的发展而逐渐形成的综合性感测技术。


遥感技术的发展史


遥感作为一种空间探测技术,至今已经经历了地面遥感、航空遥感和航天遥感三个阶段。


广义的讲,遥感技术是从19世纪初期(1839年)出现摄影开始的。19世纪中叶(1858年),就有人使用气球从空中对地面进行摄影。1903年飞机问世以后,便开始了可称为航空遥感的第一次试验,从空中对地面进行摄影,并将航空图像应用于地形和地图制图等方面。可以说这揭开了当今遥感技术的序幕。


随着无线电电子技术、光学技术和计算机技术的发展,20世纪中期,遥感技术有了快速的发展。遥感器从第一代的航空摄影机,第二代的多光谱摄影机、扫描仪,很快发展到第三代固体扫描仪(CCD)。未来遥感技术还有十分广阔的发展前景,并将得到进一步的发展。


遥感技术的分类


为了便于专业人员研究和应用遥感技术,人们从不同的角度对遥感作如下分类:


1、按搭载传感器的遥感平台分类:


(1)地面遥感,即把传感器设置在地面平台上,如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等;


(2)航空遥感,即把传感器设置在航空器上,如气球、航模、飞机及其它航空器等;


(3)航天遥感,即把传感器设置在航天器上,如人造卫星、宇宙飞船、空间实验室等。


2、按遥感探测的工作方式分类:


(1)主动式遥感,即由传感器主动地向被探测的目标物发射一定波长的电磁波,然后接受并记录从目标物反射回来的电磁波; 


(2)被动式遥感,即传感器不向被探测的目标物发射电磁波,而是直接接受并记录目标物反射太阳辐射或目标物自身发射的电磁波。


3、按遥感探测的工作波段分类:


(1)紫外遥感,其探测波段在0.3~0.38um之间; 可见光,其探测波段在0.38~0.76um之间;


(2)红外遥感,其探测波段在0.76~14um之间;


(3)微波遥感,其探测波段在1mm~1m之间;


(4)多光谱遥感,其探测波段在可见光与红外波段范围之内。


4、按应用领域或专题分类:


环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感、林业遥感等。


遥感技术体系

遥感技术体系是实现对目标识别的理论、方法、设备和技术的总称。它包括空间信息获取系统、遥感数据传输与接收系统、遥感数据处理系统和遥感信息提取与分析应用系统。它能够实现对全球范围的多层次、多视角、多领域的立体探测,是获取地球资源信息的现代高科技的重要手段。


1、空间信息获取系统


地球表面地物目标空间信息获取主要由遥感平台和遥感器等协同完成。


(1)遥感平台,即运载工具,包括各种飞机、卫星、火箭、高空气球、高塔、机动高架车、载人宇宙飞船等;


(2)遥感器是远距离感测地物环境辐射或反射电磁波的仪器。根据信息的获取方式遥感可分为主动遥感和被动遥感。


2、遥感数据传输与接收系统


数据传输与接收系统是指卫星地面接收站、用于数据中继的通讯卫星等遥感接收到地物目标电磁波信息,记录在胶片或数字磁带上。从遥感卫星向地面接收站传输的空间数据中,除了卫星获取的图像数据以外,还包括卫星轨道参数、遥感器等辅助数据。


3、数据处理系统


遥感数据处理是在计算机系统支持下,依赖于一定的图像处理设备对地面接收到的遥感图像信息进行加工以获取反映地物性质和状态的信息的各种技术方法的统称。它包括图像校正、图像变换、图像增强、图像解译四部分。


遥感图像处理的核心是几何纠正。遥感图像经过深加工会得到4D产品和城市三维图,为生产实践提供信息服务。图像解译是遥感信息应用的基础,包括目视判读和计算机解译。


4、遥感信息提取与分析应用系统


以某种应用为目的,对遥感数据进行处理、分析、判读、制图的一系列设备、技术和方法。

遥感信息提取是从遥感图像等遥感信息中有针对性地提取感兴趣的专题信息,以便在具体领域应用或辅助用户决策。


遥感信息分析指通过一定的方法或模型对遥感信息进行研究,判定目标物的性质和特征或深入认识目标物的属性和环境之间的内在关系。


5、精度评价


图像解译之后要对解译图的完整性、可靠性、及时性、明显性等四个指标进行精度评价。


中国卫星遥感技术的发展现状


经过三十多年来的发展,卫星遥感技术的范畴从当初的单一遥感技术发展到今天包括遥感(RS)、地理信息系统(GIS),全球定位系统(GPS)等技术在内的空间信息技术,逐渐深入到国民经济、社会生活与国家安全的各个方面,其发展与应用水平业已成为综合国力评价的重要标志之一。


随着国家和地区空间信息基础设施的建立和完善,分布式数据库的发展与成熟,以及高性能计算、联网处理能力的提高,美国和西方七国集团已把空间信息技术列为从工业化向信息化过渡,实现全球信息社会(Global Information Society,GIS)的一个重要高新技术应用产业。


我国经过“八五”,“九五”的攻关研究,RS、GIS和GPS的综合配套发展能力开始形成,为3S走向实用奠定了基础。在应用方面, 3S技术已在国家的经济建设中,尤其在重大自然灾害监测与评估和资源调查等方面, 提供了大量科学的宏观辅助决策信息,产生了巨大的社会效益。


在技术应用逐步由国家行为向产业行业的转化过程中,有力地推动了国土、农业、林业等部门对这些新技术的认同和采用,成为主管部门执法或制定产业政策、规范及行业技术改造的重要依据之一。


自70年代以来,我国高度重视遥感技术发展与应用, 在遥感技术系统,遥感应用系统、GIS等方面均取得突出进展。


建立了国家级资源环境宏观信息服务体系


该服务体系包括以中国1:25万土地利用数据为核心的国家资源环境空间数据库,二个部级服务系统,三个省级示范系统及五个县级服务系统,珠江三角洲地区“4D”(数字高程模型DEM,数字正射影像库 DOQ,数字专题地图库DRG和数字专题信息DTI)技术系统以及全国资源环境信息技术系统。


以1:10万土地利用数据为核心的国家资源环境数据库包括30多种主要资源环境要素,且具有统计的数据标准、参数、数据格式与数据精度。 两个部级服务系统是面向农业部和国家林业局开发的。其中农业部以上述本底数据库为基础,针对华北地区有关缺少耕地的农情进行分析,直接支持了农业部的决策工作。国家林业局的系统在本底数据库基础上,直接支持了国家生态环境的建设工作。  


该服务体系自建立起来就得到了广泛的应用。据不完全统计,国家资源环境数据库用户数现已达到 200余个,用户涉及包括国家计委、农业部,水利部。国家环保总局、国家林业局、国家统计局、国家航天局以及总参等多个政府部门。推广应用的省份包括江西、安徽、福建、湖北。湖南、江西、贵州,山东,内蒙、新疆等。特别是水利部在数据库的基础上,在九个月的时间内,完成了全国1:10万比例尺的土壤侵蚀遥感调查工作,成果得到了水利部领导的一致好评。国家环保总局拟在数据库的基础上,建设国家生态环境监测系统。此外,数据库直接支持了对1998年特大洪涝灾害的监测工作。国家有关部门已要求全面移植本底数据库的主要数据类型,作为国家领导人的决策参考数据。

  

建立了灾害遥感监测评估业务运行系统

  

该系统由三部分组成:灾害宏观动态监测系统、机载SAR数据实时传输系统、洪涝灾害测评估系统。

  

洪涝、干旱。林火和雪灾的宏观动态监测与评估系统,已具备针对中国范围内发生的洪涝、干旱、林火和雪灾等多种自然灾害的宏观动态监测和成灾区的区域覆盖评估的能力;系统通过网络通信同其它子系统实现产品传送和数据共享,并以VSAT和INTERNET网络通信方式向应用部门提供防灾减灾信息服务。

  

机载SAR数据实时传输系统,实现了3米SAR图像的实时网络远程传输、地面接收和处理;它可以针对3米SAR图像进行7种功能的实时处理。迄今为止,该业务运行系统已经在对中国发生的洪涝、干旱、林火和雪灾等各种重大自然灾害的监测评估中发挥了重要作用,及时并准确地向国务院办公厅及国家防汛抗旱总指挥部提供了有关灾害发生情况的大量数据。对突发性水灾,实现 2天之内提供受淹范围及各类受淹土地面积等信息,一周之内提供包括受灾人口,受淹房屋等信息的详细评估报告。全国旱情监测实现每 10天上报一次旱情数据。在1998年长江特大洪水期间,中国主要遥感单位利用6颗卫星和3套航空遥感系统,对灾区进行5-7次覆盖,取得100多幅灾情图像,为灾情监测评估和灾后重建提供了科学数据。

  

该系统已经被纳入国家防汛指挥系统。

  

国产GIS软件产品的开发与应用

  

从引进,消化、吸收起步,根据“引入竞争机制,坚持流动发展,加强科技攻关,落实产业发展”的方针,我国通过科研攻关项目支持和软件测评,鼓励开发了一批具有自主版权的GIS软件,某些软件在技术水平上接近国际先进水平,带动了一批新兴高新技术企业,实现了科技成果产业化,促进了我国GIS在各行各业的应用,并获得了一定的经济效益和形成初步的产业规模。 


在行业应用领域不断发展的同时,国产软件也在许多国家重要的政治。科技活动中凸现自己,并产生了重要的社会效益。例如,利用国产软件制作的香港、澳门两座城市的电子地图、在解放军进驻两地的过程中发挥了重要作用,受到军方的一致好评;《神舟》号发射过程中,国产软件成为航天飞行的一个固定控制软件被成功地用于飞行器态势的控制; 

 

“九五”期间,在科技部的大力推动下,国外软件垄断的局面已经不复存在,中国的地理信息系统软件产业已经初步形成;“十五”期间,中国的地理信息系统软件产业必将迎来又一个高速发展的阶段。

  

国家空间数据基础设施建设

  

开展地理信息系统应用的必要条件是建设国家空间数据基础设施。中国有关部门已建立了10个基础地理信息数字化生产基地,开展了信息共享与标准化研究,实现了地理信息产品的规模化生产。目前已建成中国1:400万、1:100万、1:25万基础地理数据集。七大江河流域重点防范区1:1万和1:5万基础地理数据集。在科技部的支持下,以推动空间信息技术及其产业发展为目标的国家级空间信息共享和服务平台”中国空间信息网”于1999年开始建设,现已具雏形。

  

发展遥感前沿技术及应用系统

  

针对目前高光谱遥感、雷达遥感,大数据量遥感图像并行处理,多种数据融合和快速更新等遥感的前沿技术,紧密结合遥感的具体应用,发展了高光谱农作物精细分类模型,形成了水稻信息提取和分类的雷达遥感成套技术,研制了微机大数据量遥感图像并行处理技术及系统,发展了遥感与地理系统融合处理技术以及地理空间数据的快速生成和更新技术。形成了一套独具特色的技术系统,并在国际合作中得到了应用和检验。

  

建立了海洋环境立体监测体系

  

作为一个海洋大国,我国天然海域达485万平方公里,海岸线长达 18000公里。海洋及海岸带拥有丰富的资源,有12个省(市、自治区)处于沿海地带,全国50%的大城市,40%的中小城市也在这个地带,国民经济总值的60%来自沿海地区。因此,建立海洋环境立体监测体系是我国一项战略目标。在“九五”国家高技术发展计划(863计划)支持下建立的海洋环境立体监测体系主要包括:近海环境自动监测技术、高频地波雷达海洋环境监测技术。海洋环境遥感监测应用技术、系统集成技术以及示范试验等。


遥感技术的发展趋势


随着科学技术的进步,光谱信息成像化,雷达成像多极化,光学探测多向化,地学分析智能化,环境研究动态化以及资源研究定量化,大大提高了遥感技术的实时性和运行性,使其向多尺度、多频率、全天候、高精度和高效快速的目标发展。


 1、遥感影像获取技术越来越先进 :


(1)随着高性能新型传感器研制开发水平以及环境资源遥感对高精度遥感数据要求的提高,高空间和高光谱分辨率已是卫星遥感影像获取技术的总发展趋势。


(2)雷达遥感具有全天候全天时获取影像以及穿透地物的能力,在对地观测领域有很大优势。


(3)开发和完善陆地表面温度和发射率的分离技术,定量估算和监测陆地表面的能量交换和平衡过程,将在全球气候变化的研究中发挥更大的作用。


(4)由航天、航空和地面观测台站网络等组成以地球为研究对象的综合对地观测数据获取系统,具有提供定位、定性和定量以及全天候、全时域和全空间的数据能力,


2、遥感信息处理方法和模型越来越科学 :


多平台、多层面、多传感器、多时相、多光谱、多角度以及多空间分辨率的融合与复合应用,是目前遥感技术的重要发展方向。不确定性遥感信息模型和人工智能决策支持系统的开发应用也有待进一步研究。


卫星遥感技术的迅速发展,把人类带入了立体化、多层次、多角度、全方位和全天候地对地观测的新时代。遥感卫星经过几十年的发展和应用,尤其是近几年的突飞猛进,已经为其未来朝着商业化方向迈进奠定了坚强稳固基础。总之,遥感技术在环境科学领域有广泛应用,随着科学的进步,遥感技术会越来越先进,其所发挥的作用也会越来越大。



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