“上帝视角”——当代遥感科技发展的现状与未来展望

2017-07-28 11:56:10    来源:中国科学院院刊

摘要:现代遥感技术起源于20世纪60年代,以数字化成像方式为特征,是衡量一个国家科技发展水平和综合实力的重要标志,历来被世界主要科技和经济大国所重视。

  热红外遥感

  红外遥感 通过获取地物反射或发射出的红外热辐射能量信息来感知地物特性的技术,热辐射量级大小不仅与目标物的表面温度有关,而且也是目标物构成成分以及观测角度的函数。

  热红外遥感(简称“高分图像”) 受大气作用影响,卫星传感器入瞳处的热辐射主要集中于3—5 μm和8—14 μm 2个大气窗口,前者为中红外窗口区,反射和发射特性同等重要;后者为热红外窗口区,以目标物发射的热辐射为主。由于任何温度高于绝对零度(0K或_273ºC)的物体都会不断地向外界以电磁波的形式发射热辐射,使得热红外遥感能够实现对目标物的全天时遥感监测

  1978年美国成功发射热容量制图卫星HCMM,首次实现了利用卫星观测地球表面的温度差异。此后40年间,热红外遥感取得长足发展,民用卫星的空间分辨率已从最初的数千米提升至百米甚至十米级。

  我国计划于2017年发射的高分5号(GF-5)卫星将搭载一台全谱段光谱成像仪,其热红外空间分辨率将达到40 m。

  热红外遥感的多领域应用

  农业

  在农业方面,热红外遥感已经被用于农田蒸散的定量计算,有助于人们科学合理地调控土壤水分。

  减灾应用

  在减灾应用方面,主要用于地震和林火监测等,通过震前地表温度异常的监测,可以对地震预测的发展提供大量数据支持

  林业火灾监测

  通过多时相的中红外和热红外遥感图像对比,可以及时掌握林火蔓延情况

  城市热岛效应研究

  在城市热岛效应研究方面,通过热红外遥感可以准确获取地表温度或者空气温度的时空分布信息

  地质勘探和环境污染监测

  在地质勘探和环境污染监测方面,主要应用于地下水、地热和矿物的探测,以及秸秆燃烧、温水污染和沙尘监测等

  国防安全

  在国防安全领域,主要应用于军事目标的红外侦查、红外夜视和红外预警等,通过观测目标和背景的中红外或热红外辐射强弱差别可以识别出由于伪装或者观测条件不佳(夜间和不良天气)而难以发现的军事目标

  合成孔径雷达遥感

  微波遥感技术 微波遥感技术是通过接收地物在微波波段(波长为1 mm至1 m)的电磁辐射和散射能量,以探测和识别远距离物体的技术,微波遥感技术具有全天候昼夜工作能力,能穿透云层,不易受气象条件和日照水平的影响

  合成孔径雷达(SAR) 微波遥感按其工作原理可分为有发射源的主动微波遥感和无发射源的被动微波遥感,合成孔径雷达(SAR)就属于一种高分辨率二维成像的主动微波遥感,它也是目前微波成像遥感应用最广的技术。

  1957年8月

  1957年8月,美国密歇根大学与美国军方合作研究的SAR实验系统成功地获得了第一幅全聚焦的SAR图像

  1978年5月

  1978年5月美国宇航局(NASA)发射了海洋一号卫星(Seasat-A),首次装载了合成孔径雷达,对地球表面1亿平方千米的面积进行了测绘

  而后40年间,SAR遥感技术凭借所特有的全天时、全天候以及对某些地物的穿透能力,广泛应用于全球变化、资源勘查、环境监测、灾害评估、城市规划等领域。

  特别是,随着20世纪90年代雷达技术和SAR数据地学物理参数反演建模技术的进步,SAR技术的发展模式逐步实现了从技术推动到用户需求拉动的转换,全球至今已有超过15个正在运行的星载SAR系统。

  由于SAR技术具有全天时全天候的观测能力,除了广泛应用于恶劣天气和夜间成像观测外,还可以用来测量土壤湿度、雪被深度和地质构造等,非洲撒哈拉沙漠地下古河道的发现正是依赖于这个特殊能力。

  通过SAR发现撒哈拉沙漠浅埋的古河道

  通过SAR发现撒哈拉沙漠浅埋的古河道

  左图是美国陆地卫星光学影像无明显指示,右图是对应区域SAR图像,可以明显看出曾作为绿洲水源供给的古河道的痕迹。

  激光雷达遥感

  激光雷达(LiDAR) 激光雷达(LiDAR)是激光探测及测距系统的简称,是一种有发射源的主动遥感系统。LiDAR是测定光波往返发射器与被测物体之间的时间,进而计算两者之间的距离,通过记录一个单发射脉冲返回的首回波、中间多个回波与最后回波,分析获得地表物体的三维结构信息。

  主要参数 LiDAR系统的主要参数包括脉冲宽度、脉冲重复频率、单脉冲能量以及光束发散角等。LiDAR获取的离散点云数据经过处理后,即可生成高精度的数字高程模型(DEM)和数字表面模型(DSM)产品。

  近年来星载、机载、地面等LiDAR系统不断涌现,其相关产业整体每年以近24%的速度增长,机载和地面LiDAR系统已经能够将扫描误差控制在厘米甚至毫米级别。

  中国于2007年发射的嫦娥一号激光高度计是我国第一个星载激光雷达系统,在轨运行期间,共获取912万点有效数据,得到的月球两极高程数据填补世界空白。

  星载LiDAR系统的特点及应用

  特点

  运行轨道高、观测视野广

  应用

  可以测量陆地表面粗糙度和反射率、植被冠层高度、雪盖面和冰川的表面特征等,适用于大尺度全球范围的冰川、海冰和森林监测

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  偏振与重力测量遥感

  偏振遥感 近年来倍受关注的一种新兴的电磁波遥感技术,它能够探测到地物的偏振度、偏振方位角等偏振特性。

  卫星重力测量 通过检测卫星运行轨道在受到地球重力场及其他因素的影响下产生的扰动情况来计算出地球外部空间的重力场,进而解析出地球表层及内部物质的空间分布信息。

  偏振遥感卫星

  搭载在日本ADEOS-I卫星(1996年发射,8个月后卫星失效)的地球反射偏振测量仪POLDER-1,是第一颗偏振遥感卫星。

  法国PARASOL卫星(2004年发射)携带的POLDER偏振仪运行稳定,在大气气溶胶监测等方面取得成果。

  重力卫星

  搭载在日本ADEOS-I卫星(1996年发射,8个月后卫星失效)的地球反射偏振测量仪POLDER-1,是第一颗偏振遥感卫星。

  GOCE重力卫星图像还被用来发现地热潜力区域,这有助于提升地热能源开发效率、降低成本。

  我国目前已有低低跟踪重力卫星发展规划,用于探索地球和其他天体的内部结构信息。

  美国地理空间情报局利用GRACE卫星、欧空局利用GOCE重力卫星分别获得了高精度地球重力场模型

  美国地理空间情报局利用GRACE卫星、欧空局利用GOCE重力卫星分别获得了高精度地球重力场模型

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