遙感技術應用綜述

張治宇

[摘 要]以1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星成功為標志，人類成功地進入了空間探索的新紀元。其中依據(jù)電磁波理論的遙感技術，提供了一種全新的方法與思路，即通過收集、處理各種傳感儀器對遙遠目標的輻射和反射的電磁波信號，生成圖像從而觀測并識別地物。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，遙感技術已經(jīng)發(fā)展為一個較為完備的技術體系與理論體系，廣泛地應用于人們生產(chǎn)和生活的方方面面。本文將從遙感技術變化檢測應用、遙感技術在資源環(huán)境中的應用、遙感技術在氣象學中的應用、遙感技術應用的一般流程總結以及遙感技術存在的問題及展望這五個方面進行展開。

[關鍵詞]遙感應用；變化檢測；資源環(huán)境衛(wèi)星氣象學一般流程

一、遙感技術變化檢測應用

1.1 遙感技術變化檢測應用綜述

從1972 年美國發(fā)射第一顆陸地資源衛(wèi)星以來，對地觀測衛(wèi)星發(fā)展迅速，應用領域得到不斷擴大，應用成效也得到不斷提高由于遙感觀測有著信息獲取方式優(yōu)良，獲取條件相對簡單，實時性、高效性、廣域性以及其他諸多優(yōu)點，因而如何從遙感觀測所供給的大量數(shù)據(jù)中提取變化信息，并將這些信息運用于生產(chǎn)生活的方方面面，已經(jīng)成為目前遙感應用領域中一個亟待解決的問題。

為了解決上述問題，變化檢測技術應運而生。所謂變化檢測技術就是對不同時段的目標或現(xiàn)象狀態(tài)發(fā)生的變化進行識別、分析的計算機圖像處理系統(tǒng)，包括判斷目標是否發(fā)生變化、確定發(fā)生變化的區(qū)域、鑒別變化的類別、評價變化的時間和空間分布模式。在遙感技術幾十年的發(fā)展歷程中，變化檢測技術的研究成了各地專家學者研究的一個重要的課題。在計算機圖形學、空間探測技術以及其他與遙感有關的諸多領域蓬勃發(fā)展的帶動下，世界各地學者跨國、跨領域的交流合作下，基于遙感影像的變化檢測技術迎來了一個高速發(fā)展時期。然而就目前的技術與設備而言，目前所采用的任何一種變化檢測方法都具有其局限性。在下文中，我們將就各類方法的局限性與優(yōu)越性進行討論，了解其特點與所適用的領域。

1.2主流變化檢測方法及優(yōu)缺點

隨著數(shù)十年來各國學者跨學科跨領域的合作交流，遙感相關學科的蓬勃發(fā)展，作為土地覆蓋利用監(jiān)測的關鍵技術的變化檢測方法日益繁多?？梢詫⑦b感影像的配準方式以及變化檢測的數(shù)據(jù)源作為劃分依據(jù)，將目前主流的變化檢測方法分為兩大類、七種方法。第一類是先進行圖像配準后變化檢測的方法；第二類是變化檢測與圖像配準同步進行的方法?；蛘撸梢园凑帐欠裥枰M行實現(xiàn)分類作為劃分依據(jù)，將變化檢測方法劃分為兩類：即直接比較變化檢測法、分類的變化檢測法。

二、遙感技術在資源環(huán)境中的應用

2.1遙感技術應用于資源環(huán)境監(jiān)測中的必要性

自第一次工業(yè)革命以來，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護、資源開發(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的一個問題。然而一直以來，兩道天塹阻隔在資源環(huán)境問題處理的面前，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60年代，隨著空間探測技術的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)處理技術的日漸成熟，遙感技術進入了人們的視野之中。遙感技術以其觀測的廣域性、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、處理結果的高精度性等優(yōu)勢成了現(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遙感技術應用于資源環(huán)境的優(yōu)越性

遙感技術對環(huán)境研究來說，其優(yōu)越性可歸納為“高、遠、多”。

高，遙感影像從高空對地面目標進行觀測，所受的遮蔽少，視野開闊，觀測范圍大，鳥瞰全局，從而使遙感影像更加完備而全面的實現(xiàn)地面觀測。

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

多，包括多點位、多譜段、多時相、多高度的遙感影像和“多次增強”的遙感信息。

總的來說，遙感技術應用于環(huán)境資源中，可以為用戶提供時空連續(xù)性的區(qū)域性同步信息。這些信息具有綜合性、系統(tǒng)性與同時性，而這也恰恰是遙感技術區(qū)別于其他技術，在資源環(huán)境中的應用所具有的優(yōu)越性。

2.3遙感技術在資源環(huán)境中的發(fā)展趨勢

遙感影像獲取技術方面，隨著高性能新型傳感器的研制開發(fā)水平的提高以及環(huán)境資源遙感對高精度遙感數(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的總發(fā)展趨勢。遙感技術在資源環(huán)境中的應用主要呈現(xiàn)以下五個大的發(fā)展的趨勢：

2.3.1 遙感影像獲取技術蓬勃發(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

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

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 國家環(huán)境資源信息系統(tǒng)以及環(huán)境遙感應用系統(tǒng)的建立

可以預見的是，遙感技術在資源環(huán)境中的應用在未來的發(fā)展中，功能模塊集成化、技術科學化、數(shù)據(jù)處理智能化、檢測科學化等特點將更加明顯。隨著遙感技術以及相關學科的發(fā)展，在未來的生產(chǎn)生活中，遙感技術必將更加深入而廣泛地應用于資源環(huán)境資料的獲取與處理，以其獨特的優(yōu)越性服務于生產(chǎn)生活。

3 遙感技術在氣象學中的應用

3.1遙感技術應用于氣象學的優(yōu)越性與局限性

大氣遙感作為遙感技術數(shù)十年間發(fā)展最為迅速的新興學科，在大氣科學中一直發(fā)揮著重要作用，是現(xiàn)今氣象學的支柱學科之一。隨著氣象學的研究與發(fā)展，氣象學對全球范圍以及區(qū)域范圍的大氣特征的觀測越來越強調(diào)其時空連續(xù)性。且由于氣象學研究的主要對象無法直接接觸，或直接接觸難度大，遙感技術作為一種不直接接觸被測物體，即可獲得其物理幾何特性的觀測技術，顯示出了其獨特的魅力。另一方面大氣物理學、近代電磁學、計算機及其相關學科的發(fā)展，傳感器等硬件設施的完善，都進一步地推動了遙感技術在氣象學中應用的深度與廣度。

大氣遙感是利用遙感器傳感器所監(jiān)測到的監(jiān)測大氣結構、狀態(tài)及變化，不需要直接接觸目標而進行區(qū)域性的跟蹤測量，能夠快速地進行污染源的定點定位，從而獲得全面的綜合信息得一門遙感技術。安置在遙感平臺上的傳感器通過對大氣光譜特性的觀測，可以將無法由遙感手段直接得到的各氣體成分以及其他的各個物理量判讀出來。遙感技術所用的探測波段廣，可以根據(jù)不同大氣成分的電磁波譜特性，選用合適的波段進行監(jiān)測。同時，由于遙感平臺上所搭載的傳感器對于各種波譜的探測寬度與靈敏性遠高于人眼，故可以探測到人眼無法識別的對象。遙感測量獲得的原始影像能夠給氣象學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)轉化成有益于氣象研究的信息。

然而，受限于當前遙感技術的發(fā)展水平以及軟硬件設備的技術條件，遙感應用于氣象學中所獲得的衛(wèi)星云圖分辨率有限，同時由于除觀測對象外其他大氣成分干擾，攝取的影響將會產(chǎn)生這樣或那樣的為誤差，嚴重的影響測量精度，降低了遙感影像所獲取的氣象學資料的可靠性。

3.2遙感技術應用于氣象學的幾個實例

3.2.1有害氣體的監(jiān)測

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、煙霧等對生物有機體有害的氣體。但用遙感技術對大氣中的某一成分進行觀測時，我們往往不能直接對其進行觀測。但是，這并不意味著遙感技術不適用于該類觀測。我們可以利用所觀測成分特定的電磁光譜特性間接地監(jiān)測該成分的分布以及變化情況；或者我們可以通過觀察這些不易直接觀測的成分對其他地物的影響，以達到對目標成分追蹤觀測的目的。比如地表硫化面，酸雨對植物的腐蝕情況等等。

3.2.2城市熱島效應監(jiān)測

城市熱島效應是城市中的空氣溫度高于城市周圍郊區(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)測相類似，城市熱島效應監(jiān)測同樣采用了間接監(jiān)測的手段。我們知道到，植被覆蓋率與植被覆蓋種類和城市熱島效應的影響范圍存在很強的相關性。通過比對城郊的植被變化，就可以得到城市熱島到效應的影響范圍。當然，我們也可以通過直接比較不同時相的遙感熱紅外影像直接得到城市熱島效應的日/年變化規(guī)律。

4 遙感技術應用的一般流程總結

遙感技術應用的一般流程：

隨著遙感技術應用領域的日益廣闊，各個學科與遙感技術的聯(lián)系逐漸加強，遙感技術的規(guī)范化、流程化成了大勢所趨。如何建立一個普遍適用的大體操作流程，成了我們現(xiàn)在急需解決的問題，筆者根據(jù)平時所學以及匯總眾多的資料，現(xiàn)提出自己的觀點。

4.1利用遙感平臺上的傳感器對目標地物進行觀測，實現(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，并對模型進行評估，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采集到的數(shù)據(jù)進行處理，可分為三個流程：（1）建立數(shù)據(jù)處理流程；（2）選擇各個環(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)并配置相關參數(shù)。

4.4獲取處理后的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理。

5 存在的問題及展望

5.1存在的問題

遙感技術經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個十分完善的學科體系，應用于生產(chǎn)生活的方方面面。然而，在現(xiàn)階段的技術條件的限制下，遙感技術仍然需要面對一些技術上的挑戰(zhàn)。

首先是遙感技術發(fā)展的過程中，尺度與角度的問題。由于用不同空間分辨率獲取的圖像間沒有簡單的平均或平分對關系。[16]傳感器的分辨率與地物的輻射值并不滿足線性相關。同時，由于傳感器所接收到的輻射信號具有多源性和多時性，這就給數(shù)據(jù)的幾何配準帶來了不便。另一方面，雖然隨著人工智能與計算機圖形學技術的發(fā)展，遙感信息的提取效率越來越高。然而由于技術條件以及軟硬件條件的限制，遙感信息的自動提取仍然是我們急需解決的問題。最后，隨著時間維度的加入，遙感數(shù)據(jù)變得異常復雜。如何實現(xiàn)對四維數(shù)據(jù)進行同化，是我們不得不面對的問題。

5.2 對遙感未來的展望

遙感技術方興未艾，即使是發(fā)展到現(xiàn)在，仍然有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。無論是空間探測技術的進步，還是傳感器的更新?lián)Q代，都將極大地促進遙感技術的發(fā)展與繁榮。展望未來，我們可以發(fā)現(xiàn)遙感技術將呈現(xiàn)以下幾個特點：

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

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

5.2.3熱紅外遙感技術的大力推廣使得遙感技術對于與地球表面熱量有關的地物及其變化的監(jiān)測進入了一個新的高度。

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

5.2.5數(shù)字地球概念的提出，使得遙感技術與其他相關學科在全球層面上實現(xiàn)了一體化、系統(tǒng)化、聯(lián)系化，構成了一個有機的整體網(wǎng)絡。

結束語

自19世紀60年代遙感誕生之日起，數(shù)十年來，遙感技術在變換檢測、資源環(huán)境信息獲取與處理等諸多領域一直發(fā)揮著重要的作用。當然，任何技術都不是萬能的，都有其局限性。然而遙感技術盡管經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展，但其應用前景依舊廣闊。尤其是隨著深空探測技術、圖像處理技術、波譜分辨技術等相關領域學科的不斷發(fā)展推進，遙感技術更是展現(xiàn)出來前所未有的生機，筆者限于所學知識有限，無法對遙感技術進行更深層次的專業(yè)化討論，但我們相信，遙感技術的前景一定是務必廣闊的。

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