来源：《国土资源遥感》2019年第1期
作者：陈玲, 贾佳, 王海庆
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摘 要：随着高分卫星的陆续发射,高分遥感数据在自然资源调查中的应用价值越显突出。在介绍高分(高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率以及高辐射分辨率)遥感数据的基础上,综述了高分遥感数据在土地利用调查、矿产资源开发与环境监测、基础地质及资源能源调查、生态环境调查、地质灾害监测与应急调查等领域的应用,并分析了高分遥感数据的应用发展趋势,指出未来多源多尺度高分遥感数据协同应用将在自然资源调查中发挥越来越重要的作用。
关键词： 高分遥感数据 ; 自然资源调查 ; 应用 ; 发展趋势
0 引言
随着经济建设和卫星技术的发展,研制、发射和运行高分对地观测卫星的国家和高分卫星数量都日益增多。可以说,人类对地观测已进入高分时代。
遥感探测器分辨率的提高,使得探测地物的精细特征成为可能,同时使得遥感数据的应用从单纯的定性向定量方向发展。遥感对地物的探测主要包含3方面的内容: 地物的几何特征、物质组成及演化特征。对这些特征的精细探测需要依靠高空间分辨率遥感、高时间分辨率遥感、高光谱分辨率遥感以及高辐射分辨率遥感(统称高分遥感)数据。
高分遥感数据以其独特的优势在自然资源调查、精细农业和城市管理等领域发挥着重要的作用。在自然资源调查领域,高分遥感数据可大力支撑土地利用调查、矿产资源开发与环境监测、基础地质与资源能源调查、生态环境调查、地质灾害监测与应急调查等重点领域的应用需求,同时也储备了大量基础性、战略性资源,推动了空间信息产业的发展。本文在详细介绍各类光学高分遥感数据特点的基础上,综述了高分遥感数据在自然资源调查中的应用和发展趋势,为在全国范围内广泛应用高分数据积累经验,并可为自然资源战略决策提供科学依据。
1 高分遥感数据概况
本文所指的高分数据包括高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率以及高辐射分辨率遥感数据,但由于目前高辐射分辨率数据在自然资源调查中应用的报道较少,大多数还停留在对数据的分析处理等研究层面。因此,本文重点综述高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率遥感数据在自然资源调查中的应用。
空间分辨率(spatial resolution)是遥感影像单个像素所能描述的最小地物尺寸,反映的是卫星分辨目标的能力。一般而言,空间分辨率优于1 m的光学成像卫星所获取的数据称为高空间分辨率遥感数据。卫星遥感数据空间分辨率的不断提高,使地物的大小、形状、空间特征及与其他地物的空间关系等在遥感图像上一览无余,可以和航空摄影相媲美。
时间分辨率(temporal resolution)是指重复观测同一地区所需要的时间,是评价遥感系统动态监测能力的重要指标。依据观测对象自然历史演变和社会生产过程的周期可分为5种类型: ①超短期的,如台风、地震、滑坡等,以分钟、小时计; ②短期的,如洪水、旱涝、森林火灾、作物长势等,以日计; ③中期的,如土地利用、作物估产等,一般以月或季度计; ④长期的,如自然保护、海岸变迁、沙化与绿化等,以年计; ⑤超长期的,如新构造运动、火山喷发等地质现象,可长达数10 a以上。在实际应用中,需根据研究对象采用不同时间分辨率遥感数据。随着遥感动态监测时间分辨率的提高,遥感变化监测将突破对地物空间特征变化的研究而发展到对事物或现象演化过程的动态研究。目前中国发射的高分四号卫星时间分辨率可达min级,使获取目标区域的动态变化过程数据成为可能。
光谱分辨率(spectral resolution)是指传感器可以检测到的最小波段间隔,间隔越小,波段越多,光谱分辨率就越高。随着光谱分辨率的提高,地物的快速和精细识别越来越依赖高光谱信息,且由传统的图像分析转变为依赖高光谱信息对地物波谱进行定量分析和理解。目前高光谱遥感能够在可见光/近红外/短波红外波谱内(350~2 500 nm)获取数百幅电磁波段非常狭窄的遥感影像,因此高光谱遥感影像能够提供每个像元的完整且连续的光谱曲线,是在二维遥感基础上增加光谱维的独特三维遥感。通过对地物光谱特征的分析,可快速准确区分地物种类,并对地表物质成分进行定量分析,从而识别出更丰富、更精细的信息。高光谱技术的最大特点和优势是可以获得和重建像元光谱,从而依据光谱特征直接识别地物类型、成分及组成,反演地物物理和化学参量。目前应用效果较好的有澳大利亚HyMap、加拿大CASI等机载成像光谱仪,其光谱分辨率最高可达5 nm。
辐射分辨率(radiometric resolution)是指遥感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分辨别能力,是各波段传感器接收辐射数据的动态范围,即最暗至最亮灰度值之间的分级数目——量化比特数,一般用位深表示。按照编码方式的不同,一般将位深≥10 bit的遥感影像定义为高辐射分辨率影像。高辐射分辨率遥感影像能更精细地获得各类地物细节结构和光谱信息,增强影像的解译能力和可靠性,提高遥感分析的准确度。
1.1 高空间分辨率遥感数据
常用的高空间分辨率、高时间分辨率和高辐射分辨率遥感数据见表1,其中高分二号(GF-2)和WorldView-2是目前应用较广的国内外高空间分辨率遥感数据的代表。高分二号是2014年8月19日在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射的我国自主研制的首颗空间分辨率优于1 m的民用光学遥感卫星,幅宽达到45 km,在亚米级分辨率国际卫星中幅宽达到国际先进水平,具备快速机动侧摆能力和较高的定位精度。WorldView-2是2009年10月16日由美国数字地球公司发射的,可提供0.5 m空间分辨率的全色影像和8波段多光谱影像,在矿产探测、海岸/海洋监测等方面拥有广阔的应用前景。目前空间分辨率最高的商业对地观测卫星是美国数字地球公司的WorldView-4卫星,其全色波段空间分辨率达到0.3 m。
表1 自然资源调查中常用高空间、高时间及高辐射分辨率遥感数据及参数
1.2 高时间分辨率遥感数据
高时间分辨率传感器具备大区域、高频次的快速监测能力。其强实时性的特点使遥感科学者可以借鉴视频图像处理技术,精确提取目标变化信息,实现高频次遥感时间序列分析应用。由表1可知,在自然资源调查应用中,目前应用较多的,且时间分辨率最高的当属我国发射的能够对目标区域长期“凝视”的距离地面约3.6万km的地球同步卫星,即高分四号卫星。
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