遙感方法

遙感技術系統由遙感平台、遙感器、信息傳輸設備、接收裝置以及數字或圖像處理設備等組成。遙感平台是安放遙感儀器的裝置，如氣球、飛機、人造衞星、航天飛機以及遙感鐵塔等。遙感儀器是接收和記錄物體輻射、反射、散射信息的裝置，常見的有可見光照相機、紅外照相機、紅外掃描儀、多波段掃描儀、微波輻射儀、真實孔徑雷達和合成孔徑側視雷達等20餘種。

地理學所運用的遙感方法，是利用地球表層所接收到的太陽輻射能、人工發射的激光或微波能，反饋到遠離地面的遙感儀器的敏感元件上，轉換為電信號或數字信號，通過信息傳輸設備，輸送給接收裝置，經過數字或圖像處理系統校正、增強、濾波等處理和加工，向用户提供數字或圖像信息。這些信息通過專業判讀、模式識別和實地驗證，即可為地理學研究提供空間數學模型或專題圖件。

遙感方法產生於20世紀60年代。它與地理定位試驗站網絡（見地理定位研究）和地理信息系統，並列為現代地理學的三大技術支柱。地理定位試驗站網絡側重於研究物質能量遷移的機理和過程；地理信息系統體現區域性和綜合性的特點，具備系統分析的功能；遙感則提供準同步的、反映宏觀的空間分佈規律的信息。三者相輔相成，把地理學推進到一個新的高度、廣度和深度。

遙感分類按遙感平台的高度和特點，一般分為航天遙感、航空遙感、近地遙感。①航天遙感。又稱衞星遙感。指軌道高度在100000米以上的人造衞星、航天飛機和天空實驗室等遙感。由於軌道高度和遙感對象不同，遙感器的地面分辨率和可能識別的地物大小也不同。例如，用於監測大氣活動的氣象衞星所獲取的遙感圖像的地面分辨率為1.1～1.4公里；用於資源勘測與環境監測的陸地衞星或資源衞星為20、30、80米不等；適用於資源詳查和城市、海岸帶研究的回收型衞星或航天飛機一般可達 5～10米。②航空遙感。利用飛機攜帶遙感儀器的遙感，包括距地面高度600～10000米的低、中空遙感和10000～25000米的高空、超高空遙感，可獲取分辨率很高、波譜信息很豐富的照片或掃描圖像。由於航空遙感繼承並發展了航空攝影測量學的原理和方法，因而具有較高的定位精度和編制大比例尺系列專題地圖的功能。但是，航空遙感覆蓋的地區較小，技術處理過程較複雜，生產週期較長，主要適用於城市管理、工程設計、污染監測和災情調查等方面。③近地遙感。指距地面高度在1000米以下的繫留氣球（500～1000米）、遙感鐵塔(30～400米)、遙感長臂車（8～25米）等的遙感,主要用於對大氣輻射訂正和光譜特性測試，以輔助高空遙感器的波譜選擇、輻射訂正和為圖像判讀分析提供參考。遙感鐵塔還可用於海面污染和森林火災監測。另外，有火箭和高空氣球遙感，這些一般只作為一種輔助手段，以快速獲取短暫的局部性的大氣或地面信息。

按電磁波的波譜範圍，遙感可分為可見光遙感、紅外遙感、紫外遙感、微波遙感、超短波遙感和多譜段遙感。①可見光遙感。用分波段照相機或用多波段掃描儀採集0.34～0.76微米波段的信息。主要用於立體攝影測量、資源調查、軍事偵察等。②紅外遙感。指利用波長0.76～3.0微米的近紅外和波長3.0～15微米的遠紅外波段的遙感。紅外遙感對地表熱力場和植物葉綠素含量特別敏感，温度分辨率可達0.1～0.2℃。用於城市熱島、温泉、海面温度、埃爾尼諾現象、海洋中的淡水湧泉、海冰、積雪、冰川和湖泊的觀測，以及森林、草場、作物長勢的分級和湖泊富營養化、海面赤潮、海洋初級生產力的估算等。③紫外遙感。利用波長0.3～0.4微米的紫外波段的遙感，主要用於大氣和海洋温度場的探測。④微波遙感。利用 1～1000毫米波段的遙感。具有全天候工作和穿透雲層、乾冰、沙漠和植被的功能，但空間分辨率低。可用於地質勘探、資源調查等。⑤多譜段遙感。利用幾個不同波段範圍，同時對某一地物或地區進行遙感，對獲得的信息加以組合，以獲取有關物體的更多的信息。⑥超短波遙感。利用超短波的 α射線和X射線的遙感。如拖曳於海底的α射線探測儀，用於海底沉積和基岩剖面的探測。⑦激光遙感。用於大地測量的衞星定位、活動斷層地形變化和 40～200米以內水下地形的測繪等。

按獲取信息的特點，遙感又可分為回收型、極軌型和靜止型。①回收型。回收遙感器後取得信息,如U-2飛機、航天飛機、回收型衞星等都是在着陸後，從遙感器中取得遙感數據或圖像。工作時間由1到300多天不等。信息源不連續，但地面分辨率很高。一般用於自然災害監測、局部地區的軍事偵察等。②極軌型。利用極軌衞星取得遙感信息。工作週期每天或14～18天重複一次，連續2～3年不間斷，能提供區域性的中長週期的準同步動態信息。適用於都市羣發展、土地利用和土地覆蓋的變化，以及洪澇、蟲害、風沙、颱風災害的趨勢分析。③靜止型。高度為 35786公里、定軌於赤道上空的地球同步軌道衞星（又稱靜止衞星）對所覆蓋範圍，提供連續不斷的遙感數據或圖像，其同步性很高，但分辨率較低。適用於監測全球性的宏觀動態變化，如全球大氣狀況、大陸綠波推移、南北極冰蓋進退、埃爾尼諾現象、洋流擺動等。

遙感與地理信息由於資源和環境衞星的發射，遙感獲取的地理信息已相當豐富。通過大氣遙感信息，研究大氣的狀況和特徵，以及遙感信息通過大氣圈傳輸的機理。地球表層的水圈、岩石圈和生物圈，以及人類活動情況，也是遙感的目標。例如，氣象和海洋衞星提供全球海洋表面物理場的動態遙感信息；陸地衞星和資源衞星提供陸地表面的地質構造、巖性、地表水、地下水、植被、土地覆蓋和利用、環境生態效應等的直接或間接信息。航空遙感和近地遙感可提供較為詳細的地理信息。

信息週期不同遙感信息源的時間週期不同,有5種尺度：①超短期的，如熱帶氣旋、寒潮、海況、魚情、赤潮、晴空湍流、城市熱島和污染事故等，其動態通過衞星遙感監測，按小時計算，並需結合定位觀測台站來檢驗；②短期的，如洪水、冰凌、旱澇、森林蟲害、作物長勢、綠波指數等，其動態變化，需要不同時間的對比，按日數計算，並需結合地面實況調查來研究；③中期的，如土地利用、作物估產、森林蓄積量、草場載畜量、海洋初級生產力等，按週年的季節變化估算，並需要有經濟統計數字作校正；④長期的，如水土保持、自然保護、冰川進退、河流改道、海岸變遷、湖泊消漲、荒漠化和綠洲化等，其演變過程往往經歷若干年的時間，需要歷史地圖和文獻的佐證；⑤超長期的，如新構造運動、火山噴發等地質現象，主要觀察其在遙感圖像上的歷史痕跡和間接標誌，參考化石、孢粉或C-14分析，推斷其年代，重建其發生發展過程，演繹其變化規律。

信息處理遙感信息處理過程可分為預處理、精加工和判讀製圖 3個步驟。預處理是對遙感圖像的光譜輻射訂正和平台姿態參數的校準；精加工是按地面控制展布高精度的正射圖像地圖；判讀製圖是對圖像進一步增強特徵抽取和數理統計分析，從而編繪研究需用的專題地圖，並加以實地驗證。這些步驟的實施，以光學儀器為主體的稱為光學圖像處理；以計算機為主體的稱為數字圖像處理；以地學規律或地理系統為支撐的稱為地學處理。在比較複雜的判讀和製圖作業中，往往需要多種方法的配合，混合處理。

遙感圖像分析方法，最常用的有以下幾種：①目視判讀（或稱解譯）。運用地學（生物學）知識，藉助光學儀器或電子光學儀器，根據自然環境與人文現象的相關性，對遙感圖像上的直接或間接標誌作綜合的定性、定量分析，這種方法適用於航空照片或攝影圖像。②系列製圖。以航空或衞星圖像作為統一的信息源，按地理系統（或景觀），逐級劃分單元。這些單元內部具有統一的物質和能量的內循環，屬於有共性的統一體，而與外部有明顯的分異特徵和界線。根據地面採樣專業指標，將這些單元合併或細分為各種“類型”。按照自然發生發展的過程順序作業，首先編繪地形圖和地質圖，其次是土地利用圖和水文地質圖，最後是土壤圖和土地評價圖。③自動分類。對數字化多譜段遙感圖像，藉助於計算機，通過主成分分析、邊界增強、傅里葉變換、KL變換等圖像增強手段，對像元進行識別，最後繪出分佈圖，並統計面積。④信息複合。由於不同遙感圖像的波譜、時相，以及空間、時間分辨率不同，所提供的地理環境信息也不同。不同圖像複合在一起，綜合分析，可獲得更多的信息。例如，洪水與枯水期湖泊圖像複合，可以反映湖面的消長；雷達與多譜段掃描儀的圖像複合，可以突出地質構造與巖性的關係。⑤專家系統。地理信息系統的數據源，部分來自遙感，部分來自非遙感。後者包括地圖數據庫、高程數字模型庫、地名庫等。獲取遙感圖像或數據之後，以地理信息系統為基礎，迅速更新多級比例尺的專題地圖，做出預測預報。例如，通過專業評價模型軟件，直接輸出土壤侵蝕或森林蓄積量的圖像數據，作出農作物估產或自然災害趨勢預測。

特點遙感方法廣泛應用於研究整個地球表層的岩石、大氣、水、生物諸要素及其構成的自然綜合體的特徵、地理分佈、相互作用和動態變化，以及人對自然環境的影響、提供了前所未有的信息源，不僅獲得新的地理知識和促成了一些新的地理概念，而且促進了地理學研究從微觀到宏觀、從靜態到動態、從定性到定量、從描述到預測預報的轉變。

運用遙感方法對地理學研究的重要意義，有以下方面：①區域調查方法的變革。長期以來，地理工作者主要通過定位觀測和野外考察來研究區域地理現象，即以點、線的直接觀察為基礎，認識地理規律。遙感方法則使地理工作者可以首先通過衞星圖像對整個區域、甚至全球作宏觀概查，然後針對關鍵地區與關鍵問題，組織大比例尺的航空遙感詳查，並結合野外實地考察。這種作業順序更符合認識論的邏輯，更符合區域規劃、工程設計的要求。②全球性的準同步觀測。常規的地面調查，需要較長時間才能完成，使用遙感方法可大大地縮短所用時間。通過衞星遙感，使人們能獲得接近於同步的全球觀測數據和圖像。③動態監測與預報。遙感技術系統具有大面積覆蓋、準同步快速獲取和處理大量信息的功能，特別是在高速計算機和地理信息系統支持下，加速和加深了人們對資源變化、自然災害發生、區域經濟發展趨勢等的認識。把地理數據採集、處理、分析、模擬的全過程，壓縮在自然和社會環境動態變化過程的時間之內，從而贏得預測預報的時間。④向太空和宇宙的延伸。地理學主要以地球表層為研究對象，而遙感方法使地理學某些研究擴展到月球和其他行星，如通過衞星遙感，繪製了整個月球的地形圖和地質圖，以及火星和木星的地圖。⑤建立和更新地理信息系統，為地理學的區域性和綜合性研究，提供了現代化的技術保證。地理信息系統的數據採集和更新，除利用地圖和調查統計數據外，遙感也是重要來源之一。

陳述彭主編：《陸地衞星影像：中國地學分析圖集》，科學出版社，北京，1984。

P N.斯温，S.M.戴維斯編著，朱振福等譯：《遙感定量方法》，科學出版社,北京，1984。(P.H.Swain,S.M.Davis, ed., Remote Sensing: The Quantitative Approach,McGraw-Hill,New York,1978.)