对地观测技术的新进展.ppt

对地观测技术的新进展,中国测绘科学研究院国家测绘工程技术研究中心林宗坚2010年12月,对地观测技术的新进展,1.对地观测技术概述2.对地观测技术近几年的突出发展3.关于未来发展的策略建议,1.对地观测技术概述,对地观测指的是利用航天航空飞行器和地面各类平台所携载的光电仪器对人类生存所及的地球环境及人类活动本身进行的各种探测活动。其中以航天航空技术为基础的对地观测活动主要有：1.1卫星导航定位1.2航天航空遥感1.3航天航空地球物理探测1.4对地观测数据的加工处理与服务,1.对地观测技术概述,1.1卫星导航定位利用在设定的精确轨道上运行的一定数量（至少2颗）的卫星，持续不断地向地面发送特定的无线电信号，使在空中、海面和陆地上的每个接收机能同时收到来自若干颗卫星的信号，从而解算出在全球统一时空基准中的三维大地坐标，并获得准确授时。,1.对地观测技术概述,目前正在进行和计划实施的全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem缩写GNSS）有四个，即美国的全球定位系统（GPS）,俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS），欧盟的伽利略系统（GALILEO），中国的北斗导航系统（COMPASS）。其它系统仅允许作为区域系统或广域增强系统加入。例如，日本的QZSS（准天顶卫星系统）、MSAS（多功能卫星增强系统），印度的IRNSS（印度无线电导航卫星系统）、GAGAN（静地增强导航）等。,1.对地观测技术概述,1.2航天航空遥感遥感指的是利用人造卫星、宇宙飞船、有人驾驶飞机、无人驾驶飞机、飞艇等航天航空飞行器，携载各类成像传感器，获取地球表面自然与社会各类景观所辐射的电磁波信号，经图像处理，从而提取几何、物理与人文信息的技术。根据所携载的传感器及其所获取的影像信号类型的不同，可分为：可见光全色遥感、红外遥感、多光谱遥感、高光谱遥感、微波（雷达）遥感等，还可根据成像的几何特性分成：双视（立体）成像、单视（非立体）成像、框幅式成像、扫描式成像、激光扫描成像等。,1.对地观测技术概述,经常用分辨率来描述遥感系统的技术能力。影像上每个像元所对应的地面单元尺寸称为空间分辨率（假如，美国快鸟影像的空间分辨率为0.6米）；影像每个波段的光谱带宽度称为光谱分辨率。（例如，高光谱影像的光谱分辨率为10纳米）；同一地点先后两景影像的时间间隔称为时间分辨率（例如，陆地卫星影像的时间分辨率为14天）。,1.对地观测技术概述,1.3航天航空地球物理探测利用航天航空飞行器平台所携载的专门仪器探测地球重力、磁场等物理量的技术称为航天航空物探。,1.对地观测技术概述,1.4对地观测数据的加工处理与服务把各种对地观测数据累积在一起，连同来自社会其它领域的各种空间化了的经济社会数据，统一建成数据库，并开发各类软件，对数据进行深加工处理，制作适应社会需求的各类信息产品，为社会提供广泛服务，使对地观测所获取的数据进一步增值。此技术称之为地理信息系统技术。由于上游技术快速发展提供了海量的资源，以及经济社会发展对地理空间信息需求的急剧增长，此技术领域发展飞快，已成为举世公认的很具发展潜力的新兴产业，随着政府和产业界的宣传，相继出现了空间数据基础设施、数字地球、空间地理信息网络、基于位置的服务、智慧地球等一系列在本质内容上相近的概念。,1.对地观测技术概述,人类进行对地观测活动的目的在于：（1）研究人类所生存的地球空间环境及其运动变化的规律，为人类开发地球资源保护环境，防灾减灾及经济社会发展的宏观决策提供科学依据；（2）为国防建设、战略部署、现代武器精确打击、反恐维稳等军事行为提供地理空间信息支持；（3）直接支持各类土木工程的规划、设计、施工质量监理和运行管理，以及矿业、电力、林业、农业等生产过程的定量检测与精确定位实施；（4）为民众生活提供各种基于位置的服务。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.1全球观测成为卫星遥感的当前重点卫星遥感是世界先进国家和快速发展国家作为国家综合实力标志而争先发展的高技术。经过数十年努力，卫星遥感已在国土资源调查、环境监测、防灾减灾、城乡规划、农作物估产、军事侦察与打击等方面得到广泛应用。近几年发展中特别值得关注点是全球变化研究【2】。全球变化研究指的是全球气候变化、全球海平面变化、全球生物多样性保护、全球重大灾害监测与评估、全球观测系统。全球变化研究分两大部分：一是全球资源环境变化的综合研究；二是全球气候变化研究，尤其是地表气温变暖的研究。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.1.1全球资源环境变化的综合研究这方面的研究又可分成全球地球观测系统和全球地球研究两个部分。全球地球观测系统的研究计划由政府间国际组织GEOSS组织。其目标是：减少自然或人为灾害所造成的生命财产损失；了解环境因素对人类健康和生命的影响；改善对能源的管理；了解、评价、预测、减轻以及适应气候变异和变化；通过更好地了解水循环来改善水资源管理；改善气象信息、天气预报和预警；提高对陆地、海岸、海洋生态系统的保护和管理；支持可持续农业、减少荒漠化；了解、监测和保护生物多样性。我国不仅参加了GEOSS计划，而且还担任了其中世界地球观测组织GEO的共同主席。我国在气象卫星、环境卫星、资源卫星方面已形成自己的对地球观测系列，加上航空遥感系统，不仅可以自主观测，而且还可以参加国际合作、实现国际共享。,2.对地观测技术近几年的突出发展,关于全球地球研究，主要有美国NASA的ESE计划、欧盟ESA的GMES计划、日本JAXA的全球模拟器计划和中国的综合地球观测系统。美国ESE（地球科学事业）计划的重要内容包括：了解并描述地球是如何变化的；识别并测定地球变化的主要驱动力；认识地球系统如何影响自然和人类的变化；确定由人类文明进程而导致的地球系统变化的后果；实现对地球系统未来变化的预测。中国综合地球观测系统（CIEOS）的内容包括：灾害、农业、水文、国土、城镇、气象、地震、环境、森林、海洋、测绘和科研等各专业的观测系统。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.1.2全球气候变化研究关于全球气候变化，国际上有两个观点对立的学术派别组织：一个是得到联合国支持的政府间气候变化委员会（IPCC），另一个是世界多国科学家自发组织的非政府国际气候变化委员会（NIPCC）。IPCC认为，“自20世纪中叶以来所观测到的大多数全球平均气温的升高，其大多数因素极有可能与人为造成的温室气体浓度的增加有关。”并且断言，“如果未来时期全球年平均地表气温上升2，人类社会将受到重大的损失，如果上升4，整个地球的生命将遭到毁灭性打击。”而NIPCC认为，“没有令人信服的科学证据表明，人类排放的二氧化碳、甲烷或其它温室气体正在或在可预见的未来会引起灾难性的地球大气圈变热和地球气候的破坏。此外，有确凿科学证据表明大气中二氧化碳的增加，对自然界的动植物和地球环境起到了许多有益的效果。”,2.对地观测技术近几年的突出发展,中国对于全球变化的研究也十分重视。中国学者对全球气候变化也有类同国际上的两派学术观点。但是共同一致的观点是：应该加强遥感全球观测，用真实数据给出科学结论。为了能精确定量观测地球大气层中二氧化碳的数量及循环变化情况，美国NASA花费8年时间研制了“轨道碳观测”卫星，但是于2009年2月24日发射失败。而日本在2009年1月23日发射成功“呼吸”号，成为全球首颗“嗅碳”卫星。但是，至今尚未公布他们所获取的数据。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.2高分辨率遥感的多样化发展航天航空遥感技术虽然同时向着高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率方向发展，但是，从社会实际需求所驱动的市场营销量来看，增长最快的还数高空间分辨率（通常简称高分辨率）影像。目前，以高空间分辨率光学遥感影像为主体，配合其它遥感影像的遥感数据市场已经在全世界兴旺。从市场和应用需求的角度看，这方面的发展有如下几个特点。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.2.1高分辨率卫星的商业化运作模式在世界范围内获得普遍成功继美国空间成像公司的IKONOS卫星、数字地球公司的QuickBird卫星、法国的SPOT卫星之后，英国萨里公司的Rapideye星（业主德国）、Deimos星（业主西班牙）、NigeriaSat星（业主尼日利亚）和UK-DMC星（本国）、德国OHB公司的SAR-lupe星、Enmap星、以色列ImageSatInternational公司的EROS星，以及中国二十一世纪公司的北京一号小卫星，充分展现了高分卫星商业化运作的成功。北京一号小卫星是我国第一个以企业为实施主体，国际合作，集成创新，成功发射，并且以自负盈亏方式自主运行了四年的遥感小卫星。四年来，该卫星提供稳定的数据，形成高效的市场服务能力。在国土资源管理、农业调查统计、生态环境评价、城市精细化管理和重大工程检测等方面获得广泛应用。北京一号小卫星的成功经验很值得推广。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.2.2机载传感器系统发展很快相比起卫星遥感系统，机载成像传感器系统近几年的进步更为突出。在飞机上安装GPS，能使成像传感器中心的空中定位精度达到厘米级。同时，安装惯导系统（陀螺仪），可以提高成像系统的稳定度，并精确测量其姿态角值，达到千分之五度的精度。以上两者的结合，制成POS（定位与定向）系统，大大提高了空中摄影的质量，尤其是提高了机载SAR（合成孔径雷达）和Lidar（激光雷达）的构像质量。,2.对地观测技术近几年的突出发展,航空数码相机的发展主要表现在机载三线阵相机和组合宽角相机技术的突破。机载三线阵采用了POS技术的支持实现高分辨率扫描立体成像，以Leica公司的ADS系列相机为典型代表。组合宽角相机突破了面阵拼接和单个镜头像场角不足的难题，利用组合相机实现等效单中心投影，因而可以利用大面阵影像实现高精度的相对定向、达到比POS系统更高的几何精度，典型产品有Z/I与卡尔蔡司公司的DMC、Ultra公司的UCX，以及中国测绘科学研究院的SWDC。,2.对地观测技术近几年的突出发展,从理论上讲，不可能在同一个传感器上同时实现高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率的成像，也很难把光学、微波和激光传感器融为一体。因此，对于一个具有多类目标的复杂区域（例如城市或军事基地），需要利用多种传感器获取数据，然后融合，才能获取到足够的信息。利用卫星遥感对某一选定区域实现多源遥感影像全面融合，其代价太大。而利用航空遥感则相对容易。目前，各先进国家（例如美国NASA和法国IGN）都在努力研究，能把光学成像、多（高）光谱成像、红外成像、微波雷达、激光雷达集成起来的航空遥感系统，来达到全面精细遥感的目的。,2.对地观测技术近几年的突出发展,机载传感器系统中突出的技术进步还表现在SAR、Lidar和低空倾斜摄影这三项技术。机载SAR（合成孔径雷达）是一种主动式遥感技术，因为它可以在阴雨天气获取影像，因此成为当前全天候遥感的主力技术。同时，借助长波段微波信号能穿透植被与浅层沙土的能力，以及不同极化波所具有的对不同形态目标的显示能力，使它在地物识别上发展出独特的优越性能，因此成为当前很有发展潜力的技术。我国中科院电子所等单位已经研制出国产高分辨率SAR设备。Lidar（激光扫描成像雷达）也是一种主动式遥感技术，在有精确POS（定位与定向系统）支持的情况下，它能实时地获取精确到厘米级的地形起伏模型数据，同时还能利用穿透树木枝叶的四波量测树木高度和体积等参数。因此，也成为当前很有市场前景的技术。中科院光电研究院已研制出国产机载三维成像激光雷达择机。倾斜摄影是在低空飞机上安置4个以上向不同方向倾斜的相机、获取城市建筑物的多面体侧面纹理，同时构建立体模型。此技术非常适应当前繁华城市建设规划、经济社会管理、民众生活服务和安全防务的需要。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.2.3无人机低空遥感很具发展潜力无人机（UnmannedAirVehicles）是包括固定翼无人机、无人直升机、无人飞艇在内的一系列无人驾驶的空中飞行机械的总称。无人机以其机动灵活、可无须机场起降，可在阴天云下获取光学影像，可低空获取甚高分辨率（厘米级）影像，可远距离长航时飞行，可在复杂环境下作复杂航线飞行，可实现指定区域指定时间的日常巡查飞行等一系列优点，成为当代卫星遥感和有人驾驶飞机航空遥感的一种有效补充技术手段。我国是处在城市化进程中的发展中国家，我国的建设工程规模列世界第一，对于精细航测遥感的需求量也列世界第一。因此，无人机低空遥感在中国具有最广阔的市场。国家测绘局已在全国测绘系统推广无人机低空航测遥感系统【3】。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.2.4三维观测体现高分辨率卫星遥感的高技术水平长期以来中低分辨率的卫星遥感，追求光谱信息量而不追求纹理信息量，一般都只限二维观测，也就是说，没有构成立体影像。但是，发展到高空间分辨率遥感、影像纹理很丰富。面对真实三维的客观世界，仅仅二维影像很容易造成误判读。因此，高空间分辨率遥感无不向三维观测发展。航空遥感之所以很受市场欢迎就是因为有立体观测。法国SPOT卫星是世界上第一个实现立体观测的卫星，现今，IKONOS、Quickbird、Alos、EROS、GeoEye、Cartosat等都拥有获取立体影像的技术。与之同时，相应的卫星遥感立体摄影测量软件也很快研发推广。我国资源三号卫星是首颗用民高分辨率光学传输型立体测绘卫星，计划于2011年发射。该卫星配置三线阵测绘相机和多光谱相机，能满足1：5万地形图测绘、国土资源调查、以及向全社会提供4米分辨率三维影像模型信息等任务需求【4】。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.3全球卫星导航系统（GNSS）的激烈竞争发展及面临的协调问题2007年4月14日我国发射第一颗Compass（北斗）导航卫星，标志着中国正式进入全球导航卫星系统（GNSS）俱乐部，成为第四个成员国，也可能是最后一个成员国。在2020年前，只有GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo和中国Compass四大系统能形成全球规模，其它系统只能作为区域系统或广域增强系统加入【1】。,2.对地观测技术近几年的突出发展,GNSS又称天基定位导航、授时（PNT）系统，其关键作用是提供时间、空间基准以及与位置相关的实时动态信息，业已成为国家重大空间信息基础设施，也成为体现现代化大国地位和国家综合实力的重要标志。它是经济安全、国防安全、国土安全和公共安全的重大技术支撑系统和战略威慑基础资源，也是服务工程建设、工农业生产和民众生活的重要工具。由于其广泛的产业关联度和经济社会的强渗透能力，使之成为继移动通讯和互联网之后，全球第三个发展最快的电子信息产业经济增长点。据国外专业咨询公司统计，2008年全球具备卫星导航功能的移动电话年销量达2.4亿部，估计2011年可达7.2亿部，占全球手机总量的20%。对于卫星导航产业而言，中国最大优势是有庞大的内需市场。中国移动通信市场规模已名列全球第一（2007年用户总数为5.47亿个），汽车销售市场2007年超过880万辆，这两大市场恰恰是卫星导航的主流应用市场，预计3-5年后将形成年产值超过1000亿元的产业规模。,2.对地观测技术近几年的突出发展,由于GNSS多个系统的存在，必然会出现相互关系的协调以及双边、多边的合作。集中讨论的问题是解决并实现GNSS系统间的兼容和互操作的问题。要求确保兼容性，达到互操作。所谓兼容性是要求各种天基PNT信号无论是分开还是在一起，都不能互相干扰，即实现无线电频率的兼容和军用（M）码与其他信号在频谱上的分隔。所谓互操作主要是针对公用的波段LIC和L5信号，利用GNSS多个系统的民用天基PNT服务，为用户提供比单系统更好的服务，亦即用同一个接收机能同时接收四个系统的信号。为实现GNSS的兼容与互操作，为促进国际双边与多边合作、2005年专门成立了美、俄、欧、中、印、日等国组成的GNSS供应商论坛，同时成立了四个工作组；兼容力互操作；GNSS服务性增强；信息分发、教育、探讨与协调；以及检测和参考站网组织间交流。,2.对地观测技术近几年的突出发展,Compass是中国的全球导航卫星系统，它由30颗卫星组成，每颗卫星同时在四个载波频率上辐射公开与授权服务的信号。计划在2010年先形成区域服务能力，2020扩展为全球系统。中国Compass系统建立的基本原则是独立、开放、兼容、互操作。所谓独立，既要自成系统，实现全球覆盖与全天候服务；所谓开放，指系统的公开服务向全民、全球开放。为全世界服务，首当其冲的是要及早公布接口控制文件（ICD）。所谓兼容与互用，既要与GPS、GLONASS、Galileo实现有机合作与有效协调。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.4地理空间信息产业成为很具潜力的新兴产业相对于复杂的地球系统，任何航天航空对地观测手段都只能获取它的一份片面的信息。有如故事中的“瞎子摸象”，任何一种观测，所观测到的数据都是片面的，而且还含有误差的。要把许多单个观测联系起来，经过加工处理，才能获得优于任何单一观测的，比较全面的信息。在此基础上，还要进一步研究社会各方不同形式的需求及适宜的表达、供给方式。这便是地理空间信息的加工与服务。在过去数据获取技术落后的年代，获取技术占主导地位。随着技术进步，时至今日，信息加工与服务在整个地理空间信息产业链中的比重越来越大，已占到大头份额。由于它能容纳就业、扩展利润、顺应绿色经济的发展潮流，因此，有希望成为新兴的战略性产业。但是，如果重视不够，它有可能成为整个产业链中的中游瓶颈，阻碍上游航天航空对地观测数据获取技术的发展。所以，广义的对地观测概念，不仅包括数据获取，还应包括从数据到信息，再从信息到知识的全过程。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.4.1数据融合与数据挖掘理论上可以证明，没有任何一种传感器可以做到高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率三种影像性能兼得。这也属于上述的观测片面性。因此，多源数据融合，便成为获取全面丰富信息的必需手段。这里“多源”不仅包括同一平台上的几种传感器、也包括不同平台，在不同时间获取的同一目标区数据。数据融合能提高数据中的信息含量，但是，还需要通过数据挖掘技术从数据中提取信息，以及进一步从信息中推导出知识。数据融合与数据挖掘已成为当前航空航天对地观测中很受重视的前沿技术。目前一些航天航空遥感技术，如高光谱技术、微波雷达和激光雷达，之所以尚未得到应有的广泛推广，其原因可能不主要在前端技术，而主要在后端的融合与挖掘环节瓶颈问题未得到解决。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.4.2政府地理信息系统无论哪个国家，政府都是航天航空对地观测技术的最大用户。政府的应用包括军用和民用两个方面。政府地理信息系统、空间数据基础设施、数字地球、数字城市等等都是政府牵动的对地观测数据加工与应用。我国政府对航天航空所获取的空间信息的应用十分重视。中央与地方政府的办公自动化系统、国土资源调查、救灾应急、环境保护、森林防火、城市规划与管理，都大量使用了地理信息系统。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.4.3地理信息网络服务地理信息网络服务是对地观测技术，计算机技术和网络通信技术联合发展的产物。在互联网上为全社会用户提供包括遥感影像、地图图形及其它各种空间化的统计数据的信息服务，并且进一步有可能发展成为把用户既作为服务对象，又作为更新数据采集生产者的新一代地理空间信息生产服务模式。国际上，目前大有名气的两家地理信息网络服务提供商是谷歌和微软，谷歌2005年创办GoogleEarth，提供遥感影像和地图服务，至今用户下载量已超过2亿次。微软于2006年构建VirtualEarth，并进一步发展为能提供城市景观的三维模型信息。,2.对地观测技术近几年的突出发展,中国国家测绘局于2010年10月22日宣布地理信息服务网“天地图”正式开通，提供地图模式、影像模式和三维模式的三种服务。该网站提供全国覆盖的交通、水系、境界、居民地、地名、地形等基础信息，已拥有全国300多个城市0.6米分辨率的遥感影像，是目前为止关于中国境内地理信息的最丰富的网站，为各类地理信息增值服务提供基础。,2.对地观测技术近几年的突出发展,2.4.4基于位置的服务（LBS）和物联网基于位置的服务（LocationBasedService,缩写LBS），是把无线移动通信、GNSS和网络电子地图三项技术结合起来实现的定位、导航及相关地理信息服务。无线通信定位虽然简便，但是定位精度低；GNSS虽然定位精度高，但是在城市中容易受高建筑遮挡与反射的干扰，容易间断。把这两项技术联合起来，就实现了精确可靠的定位。然后，把定位坐标显示在电子地图上，再与网络联系起来，便可得到导航和相关地理信息服务。目前，LBS的最大用户群是汽车导航与手机个人定位导行。中国市场位居世界第一。把LBS的概念从为人定位转移到为物定位，就进入物联网的领域。运动物体的联网比静止物体的联网意义更大。在时空坐标下的动态技术，其市场前景也更广阔。,3.关于未来发展的策略建议,3.1对地观测市场的总体策划与引导目前，航天航空对地观测的技术手段很多很杂、也很乱。技术供给与社会需求并没有很好地对应。没用的数据很多，有用的数据太少；不需要的时候数据很多，需要的时候数据太少。其实，各种技术各有其长，也各有其短，社会需求也各式各样，很有差别。很需要在国家层次上有一个部门能全面调研掌握总体需求量及层次分布，并引导各种技术力量进入各显其能、各应所需的运行轨道。从遥感对地观测的技术手段和社会需求上分析，供需关系可大体分成下列三个层次进行引导。,3.关于未来发展的策略建议,（1）卫星遥感，应该重点放在全球观测和全国土覆盖的观测任务上，例如，气象预报、资源调查、环境生态监测、土地利用调查与变化监测等。尤其在当前经济全球化发展、国际上关于全球气候变暖的争议、国际和平稳定与安全问题严重化、我国卫星遥感的重点更应放在全球范围。应该按照当前任务量统筹规划需要发射的遥感卫星总量及分辨率与传感器性能的设计参量。,3.关于未来发展的策略建议,（2）有人驾驶飞机的大航空遥感，任务重点是省区级全覆盖观测，分辨率在0.51.0米为宜，对应各省市的基础测绘，城乡规划、工程建设和工农业生产管理。除当前比较普及的光学成像外，还应积极发展微波雷达、激光雷达和高光谱的航空遥感技术。,3.关于未来发展的策略建议,（3）轻小型低空遥感，尤其是无人机（无人飞行器）低空遥感，任务重点是市县级和重点工程现场的精细遥感，分辨率在0.050.50米。相应于1:500至1：5