遥感技术应用的几个问题

遥感技术应用的几个问题第1页，共48页，2023年，2月20日，星期日主要内容：一、遥感技术的最新发展及其哲学意义二、遥感应用的几个基本问题三、国土资源管理中的应用四、生态环境监测的应用五、农业应用六、防灾、减灾中的应用第2页，共48页，2023年，2月20日，星期日一、遥感技术的最新发展

及其哲学意义1、遥感进展：——高几何分辨率（0.3米）；高光谱分辨率（10nm）；高辐射分辨率（4096bits）；对地面有穿透能力（30米干土）；对地球任何地区二至三天重复获取一次影像；三维信息获取能力——激光雷达（Lidar)；高地物分辨能力，能够识别罂粟以及同一植物的不同品种；能够提取作物营养亏缺信息。第3页，共48页，2023年，2月20日，星期日遥感技术，特别是其中的雷达遥感技术可以全天时、全天候获取地面信息，包括地物分布几何信息，地物状态信息，如土壤湿度、作物长势、营养匮缺、地面生物量等等。它是大面积、高效、多精度、多方位获取地物信息的现代化技术手段。可以定点观测（地球同步遥感卫星），也可以全球周期性地观测（太阳同步遥感卫星）。目前在这一技术领域国际竞争激烈，我国是世界上4个能够发射地球同步遥感卫星（风云二号c星）的国家之一。第4页，共48页，2023年，2月20日，星期日第5页，共48页，2023年，2月20日，星期日第6页，共48页，2023年，2月20日，星期日第7页，共48页，2023年，2月20日，星期日第8页，共48页，2023年，2月20日，星期日第9页，共48页，2023年，2月20日，星期日第10页，共48页，2023年，2月20日，星期日2、遥感技术发展的哲学意义遥感技术在认识论上的意义。人对客观世界的认识总是由局部到整体，再由整体到局部，如此循环往复，不断提升。这一技术正帮助我们由局部到整体，再由整体到局部这两个环节上认识地球。地球是一个多层次的巨型复杂系统，站在地球之外，统观全局，才能认识地球这一极其复杂的系统，而空间信息技术正给人们创造了这一条件。遥感正是人类第一次由外层空间观测地球，克服了由局部带来的盲目性，对地球在同一个时间断面上获取地球的信息，从而帮助人们认识整个地球。厄尔尼诺现象、热带风暴、臭氧空洞、地球碳物质循环问题等都是在遥感技术支持下发现的。第11页，共48页，2023年，2月20日，星期日地理信息系统技术又将地学信息深化，在一个统一的层面上将信息存储、并加以分析。地球板块学说的发现与验证与地理信息系统以及全球定位技术有很大的关系。支持全方位、多层次对与地球科学、资源环境科学、生态科学等有关领域进行综合分析。科学发展观的形成与发展与空间信息技术有重要关系。人们改变了原来“人定胜天”、“改造自然”、“自然为我所用”的错误理念，将人与自然对立改变为天人合一，与自然协调。可持续发展、可持续利用资源都是科学发展观的延续。第12页，共48页，2023年，2月20日，星期日3、遥感研究方法的进展由于传感器（包括Lidar，即激光雷达技术）技术的进展，高精度获取三维数据变得十分方便，这给遥感成像机理的研究提供条件。可见光—多光谱遥感、雷达遥感的成像机理模型向着精细化方向发展，受光截面、散射（反射）截面的研究可以到达地物的细部，如植株的茎杆、叶片。取得地物细部三维数据以后，成像机理模型可以在计算机上进行模拟数字化研究，不仅方便，而且定量化，过程化。遥感研究方法的进展反过来又大幅度拓宽了遥感应用的范围与应用深度。第13页，共48页，2023年，2月20日，星期日第14页，共48页，2023年，2月20日，星期日第15页，共48页，2023年，2月20日，星期日第16页，共48页，2023年，2月20日，星期日二、遥感应用的几个基本问题1、遥感影像三个分辨率三个分辨率包括几何分辨率、光谱分辨率以及辐射分辨率，共同决定影像对于地物的可识别能力。三种分辨率表达地物的空间信息与光谱信息，空间信息是地物的表象信息，包括几何信息与纹理信息，即地物的几何位置、形状、表面纹理与粗糙度等信息；而光谱信息是地物的潜在信息，如温度、湿度、化学组分、植物长势等等。第17页，共48页，2023年，2月20日，星期日2、主动遥感与被动遥感主动遥感即雷达遥感，现在又有激光雷达。主动遥感长于获取地物的物理信息，包括地形微起伏、湿度、介电常数（对金属敏感）、特定尺寸地物（谐振效应）等，又有全天候、全天时的技术特点。是不可替代的遥感手段。被动遥感即可见光—多光谱遥感、微波遥感，长于获取地物的化学组分、表面温度，特别是植被的长势、生物量、化学组分等信息，工作光谱范围很宽，从紫外、可见光、红外直到微波。第18页，共48页，2023年，2月20日，星期日3、影像处理的信息损失影像处理的每一步骤都要以损失信息为代价，换取突出某种信息。一般来讲，这里损失的信息主要是光谱信息，致使所谓光谱扭曲。挖掘潜在信息主要依靠分析光谱信息进行判断，各种植被指数、亮温指数、海洋水色指数等，都是在分析光谱数据后得到的指数，对于影像处理产生的光谱扭曲需要给以充分的注意。光谱扭曲加上人眼睛的刚辨色差共同作用，常常会导致对于遥感影像的目视解译的误判，这是目视解译不适于解译潜在信息的一个原因。第19页，共48页，2023年，2月20日，星期日上图是用HIS融合方法生成的一幅影像，注意图中的绿色并不都是绿色植被，由于光谱扭曲以及人眼睛对绿色的刚辨色差较大，致使目视解译发生误会，判断错误。这是光谱信息损失的典型例证。第20页，共48页，2023年，2月20日，星期日4、遥感数据的“病态”性由于遥感成像机制以及成像环境的复杂性、不可重复性，遥感影像数据具有相当大的不确定性。遥感应用中试图对影像数据进行绝对定标是困难的，因为不同时相影像的成像环境很不一样。为此，相对定标，即在同一景影像中进行各个像元灰度值对比分析，以及使用差值、比值的各种指数，如NDVI、DVI、RVI、TCI（条件温度指数）、VTCI（条件植被温度指数）等等都是用来克服遥感数据“病态”性的方法。第21页，共48页，2023年，2月20日，星期日5、遥感影像几何校正与遥感制图

遥感影像几何校正需要使用高一级精度地形图采集同名点，使用多项式校正模型校正。遥感影像几何分辨率R(m)与遥感制图最高比例尺S（取其分母数值）有以下关系：0.1*S/1000=C*R式中，C为待定系数，几何分辨率R越大，C则越大，C由大量试验取其平均得到。根据试验以及上式计算：1米分辨率的影像可制作1：2000比例尺图件；2米分辨率的影像可制作1：5000比例尺图件；10米分辨率的影像可制作1：25000比例尺图件；30米分辨率的影像可制作1：50000比例尺图件。

第22页，共48页，2023年，2月20日，星期日三、国土资源管理1、土地利用调查一级分类以土地用途为划分依据有8类，如耕地、园地、林地、牧草地、居民点及工矿用地、交通用地、水域、未利用土地等；二级分类以土地利用方式为主要标准，有46类，如耕地又分为灌溉水田、望天田、水浇地、旱地、菜地等。遥感影像一般使用监督分类结合目视解译方法进行分类识别，主要提取几何信息为主。2、土地利用变更调查每年10月31日作为截止期限，进行年度土地利用类型变化调查，遥感支持变更调查技术路线有两种：两年同季相影像进行叠加分析，提取变化信息；另一种是当年影像与前一年的土地利用矢量图进行叠加分析，运用监督分类方法获取变化信息。第23页，共48页，2023年，2月20日，星期日3、土地覆盖土地覆盖是随遥感技术发展而出现的一个新概念，其含义与“土地利用”相近，只是研究的角度有所不同。土地覆盖侧重于土地的自然属性，土地利用侧重于土地的社会属性，对地表覆盖物（包括已利用和未利用）进行分类。监测土地覆盖所要获取的信息多数是地物潜在信息。有两种方法在土地覆盖调查以及类似的调查中常要用到：——一种是人工神经网络分类法（ANN），这种技术的主要思想是将人们的要求与可能的结果以及人们对产生结果的要求以及模糊的经验建立某种联系，利用计算机运算速度快的特点，反复将结果反馈到前端，对比要求条件，检验结果是否理想，最后得到较为理想的结果。第24页，共48页，2023年，2月20日，星期日

——一种是基于支持向量机的分类方法，由于一景遥感影像的每一个像元灰度数据在灰度空间中都是一个向量，运用用户事先对计算机的训练，根据训练给出的标准向量与当前待判断向量的差异进行向量分析，同样运用分层反馈的方法，求得最佳分类效果。四、生态环境监测的应用

1、水体污染

海洋覆盖着约3.6亿平方公里的地球表面，占地球表面积的71%。地球上的湖泊、河流总面积约620万平方公里，其中大部分储藏着淡水，是地表淡水水源。沿海，是地球上人口最密集的地带。目前，全世界有50%的人口居住在离海岸50km的范围内，如果在离水源岸边50km的范围内，则大约集中世界85%以上的人口。人们就近把越来越多的废水，垃圾排入湖泊、河流与海洋中，造成严重的水体污染。第25页，共48页，2023年，2月20日，星期日遥感技术应用于以海洋为主的水体污染监测，包括洋面漂浮油膜、海水浊度的海洋水色污染监测，近海的赤潮灾害，湖泊富营养化以及河流含泥沙量（浊度）监测等。遥感监测设备包括根据油热惯量比水大的原理制成的红外传感器；多谱段扫描成像仪，其光谱分辨率高达8µm以内；雷达扫描设备、微波辐射成像仪等。

2、土地荒漠化

荒漠化按照土地退化的成因和表现，可分为风蚀、水蚀、融冻、盐渍和其他因素形成的荒漠化类型。我国荒漠化危害严重，据估算，每年造成的直接经济损失达540亿元，而间接经济损失是直接经济损失的2~8倍。荒漠化不只造成可利用土地减少，生物和经济生产力衰退，生物多样性下降，还使得生态环境恶化，并引起沙尘暴等恶劣的气候，给人类生存带来威胁。第26页，共48页，2023年，2月20日，星期日荒漠化遥感监测多数采用中或大尺度影像数据，如TM、MODIS等影像数据。提取专题信息方法有：（1）指数提取法，包括提取反映植被信息的指数有叶面积指数、植被覆盖度、归一化植被指数(NDVI)等。（2）K—T变换法（穗帽变换）。运用K—T变换能有效分离土壤与植被信息的特点，对变换后的第一主成分（KT1）反映土壤亮度的图像和第二主成分（KT2）反映植被分量的图像分别进行再分类（监督分类或非监督分类）或阈值分割。3、沙尘暴监测沙尘暴是风蚀荒漠化中的一种天气现象。沙尘暴携带的沙尘吞噬大量农田，使大量土地变为沙漠，据统计，每年我国的沙漠以4000km2的速度向外延伸。

第27页，共48页，2023年，2月20日，星期日由于沙尘的光谱特性与下垫面背景是有区别的,这为沙尘暴的监测提供了可能。目前，正在运行的MODIS或NOAA/AVHRR遥感卫星提供的数据可以用来监测沙尘暴，因为这种影像数据光谱分辨率、辐射分辨率都很高。经试验测试表明，沙尘粒子半径越大,散射能量越集中在长波段,吸收消光也同时增加,散射比下降。即当天空中大粒子沙尘增多时,光线被强烈吸收,能见度急剧下降，并且颜色变橙红色。根据不同光谱波段上沙尘粒子的散射和辐射特性,可以有效地将沙尘层、云、地面等遥感目标物和其他干扰因素加以区分。有人使用MODIS的三个通道资料合成出RGB彩色图。色彩配赋的方案是,0.65μm波段赋予红色,0.86μm资料赋予绿色,0.47μm资料赋予蓝色通道，合成后的图像可以用伪色彩很好地反映了空中沙尘的细微纹理结构。第28页，共48页，2023年，2月20日，星期日五、农业应用1、精确农业精确农业（precisionagriculture）又称精准农业、精细农业，是现代信息技术对传统农业生产的一次重大变革。精确农业是指根据作物生长环境的差异，定时、定量、定位获取作物生长环境以及作物本身状况信息，转换为作物对营养物质的合理需要信息，运用智能化农机具，准确合理施肥、灌溉与施加杀虫剂，以提高农业生产效益，并将对环境的污染减低到最小程度，这样的一整套农作技术称为精确农业。（1）精确农业的工作模式——农田信息采集农田信息采集有多种工作方式，相互差异主要表现在农田信息的采集方式与信息精度上。

第29页，共48页，2023年，2月20日，星期日第30页，共48页，2023年，2月20日，星期日第31页，共48页，2023年，2月20日，星期日第32页，共48页，2023年，2月20日，星期日第33页，共48页，2023年，2月20日，星期日第34页，共48页，2023年，2月20日，星期日第35页，共48页，2023年，2月20日，星期日

——信息分析转换实时或非实时采集的信息数据大多数还不是真正指导对作物灌溉、施肥或者施加杀虫剂的信息数据，因此需要根据大量的实验构建转换模型，转换为农作可操作的数据，如施用什么样的肥料，施用量是多少，什么时间施用，如此等等。——生成农作作业图。所谓农作作业图是指一种网格格式地理信息系统数字图件，每一网格存储的数据是灌溉、施肥或者施加杀虫剂的种类、数量数据，根据这种图形数据，智能化农机具就可以进行定位、定量化的农田作业。——智能化农机具实施定位、定量化的农田作业。将农作作业图输入智能化农机具中的计算机，智能化农机具还带有DGPS设备，不断实时测试农机具所在位置坐标，根据这一坐标数据检索农作作业图中的对应网格，该网格存储有灌溉、施肥或者施加杀虫剂的种类与数量数据，这样根据这一数据就可以对农机具给出相应指令，进行定量化的农耕作业。

第36页，共48页，2023年，2月20日，星期日（2）遥感技术获取农田信息数据由于植物光合作用吸收太阳的光能，太阳光能又大部分分布在可见光至近红外波长区域，因而，可见光—近红外就成为获取植物种类及其生长状态的主要波长区域。可见光至近红外波长区域是一个十分狭小的波长范围，不同植物反射光谱特性曲线十分近似，同一种植物不同的生长阶段也呈现不同的反射光谱特性曲线。因此在精确农业中要求遥感影像的光谱分辨率很高。一般来讲，植物在可见光区域(400—780nm)反射和透射都很低，存在两个吸收谷和一个反射峰，即450nm蓝光、650nm红光的吸收谷和550nm绿光的反射峰。在近红外区(780—1300nm)呈强烈反射，其反射峰值远高于绿光反射峰值。在1130-2000nm的近红外区有2个吸收谷，即1450nm和1950nm的水分吸收带。植物种类及其生长状态不同造成的反射光谱特性曲线差异在于吸收谷和反射峰的位置以及谷值与峰值的数值有微小的变化。为了突出这些变化，一般采取在高光谱遥感数据中选取多个特征波段，在两个相邻特征波段之间计算对应像元灰度的差值，有时在差值之间又计算两者的比值，形成多种植被指数。

第37页，共48页，2023年，2月20日，星期日

R(%)波长（um）第38页，共48页，2023年，2月20日，星期日2、作物遥感估产国家或一个省、一个地区主要作物的当年产量数据是国民经济宏观管理的重要数据，准确作物估产对于国民经济科学管理影响巨大。大面积作物估产正可以发挥遥感的技术优势，因此作物遥感估产一直是遥感传统的农业应用领域。目前，我国遥感估产的作物主要有：冬小麦、玉米、大豆、水稻、棉花等。（1）作物播种面积测算作物播种面积是遥感估产的基本数据，这一数据的精确性影响到估产的最后数据的准确。作物播种面积测算一般使用中几何分辨率可见光—多光谱遥感影像，对于我国南方终年多云地区，可以考虑使用雷达遥感，机载或卫星影像均可。——田间作物复种、套种引发的问题。复种或套种使一块农田的某一时间同时种有两种或两种以上的作物，对于这种情况需做田间实地调查，采集估产的主要作物与套种作物的实际比例，并且选定恰当时相的遥感数据至关重要。第39页，共48页，2023年，2月20日，星期日——大面积作物播种面积测算的影像抽样问题。为避免经济投入过大，实际采取抽样方法，适当选取一定数量的两年都是相同地区作为样区，由于北方四月中下旬小麦返青而田间又没有其他作物，对比两年度的NDVI植被指数即可估计两年作物播种面积比率。（2）作物单产估测技术方法作物单产的估测方法多种多样，在影像选取上有仅选取一个时相的可见光—多光谱遥感影像数据，也有使用多个时相的影像数据；有采用抽样方法进行统计测试，也有采用多景影像覆盖估产全区的测试；对于使用的植被指数也多种多样，与估产的作物种类有一定关系。六、防灾、减灾中的应用1、地质灾害地质灾害包括地震、滑坡、泥石流、崩塌和地面塌陷等等。地质灾害具有突发性，在目前的技术条件下，准确的短期预报尚有困难。

第40页，共48页，2023年，2月20日，星期日（1）地震调查与地震预报

——从卫星影像获取活动性地质线性构造及环形构造信息，并与实地调查相结合，进行分析。从构造的规模、活动程度、与其它构造的交接关系等方面来识别地震发生的可能性及危险程度。使用遥感图象处理中的方向滤波、高通滤波在中几何分辨率影像上测算地质线性构造及环形构造信息、并发现这些地震可能发生地带并不困难。——从遥感卫星影像获取地温异常信息是地震预报的另一条技术路线。遥感热红外波段地温测量精度最高可达0.2C0，可以满足地震前兆测量的需要。这种信息数据可用作地震短临预报的依据，已有成功预报的范例。——由遥感卫星影像获取地面微小位移以及位移速率信息是目前地震预报的第三条技术路线。使用干涉雷达（INSAR）遥感技术，精度在理论上可以达到毫米量级，这对于获取地震的精确前兆信息数据提供了可能。第41页，共48页，2023年，2月20日，星期日（2）滑坡、泥石流灾害调查我国每年山体滑坡、泥石流有两万多起，多数发生在无人居住区。滑坡在影像上常用灰度、形态和滑坡表面特征进行识别，在航空影像上特征比在卫星图像上明显。灾情发生以后，使用遥感影像进行灾情评估也十分重要。对于滑坡、泥石流灾害，一般使用航模飞机携带遥感装置，获取影像资料，进行灾情调查。对于滑坡、泥石流的多发地区，利用中几何分辨率遥感影像设置灾害庇护所、划定避灾迁移路线、设计地质减灾预案是目前防灾、减灾通常的做法。对于灾情多发地区，可以使用遥感影像发现零星散居的村民，政府动员并安排这些居民迁出这些地区也是预防地质灾害的有效做法。

第42页，共48页，2023年，2月20日，星期日2、旱情监测旱灾是各种自然灾害中最主要的自然灾害之一。自人类进入文明社会以来，不断给人类生活造成巨大灾害，构成人类生存的一个威胁。在我国的各种自然灾害中，干旱出现频率最高、持续时间最长、影响范围最大，据统计，我国平均每年受旱面积达2000万公顷，损失粮食占全国因灾减粮的50%。（1）主动遥感监测旱情地物后向散射系数与地物的介电常数关系密切，一般物质的介电常数（模）介乎2至4之间，而水的介电常数却高达80。因此地物后向散射系数对于地物的湿度十分敏感。上个世纪的70年代，人们就发现对于雷达C波段，在土壤湿度处于15%至饱和之间，湿度与后向散射系数成正比，其他波段也有近似的线性关系。运用这样一个简单的关系，使用雷达遥感影像数据就可以监测旱情。第43页，共48页，2023年，2月20日，星期日（2）被动遥感，即可见光—多光谱遥感监测旱情——基于地表温度（LST）数据的旱情监测。这里的地表温度数据有两种，一种为同一天白天与夜晚的地表温度；另一种为历年一个时段的地表温度数据集合。前者称为热惯量法，后者称为地表温度指数法。——基于地表植被指数（VI）数据的旱情监测。这些诸多的地表植被与地表的旱情有程度不同的密切相关性，将不同的植被指数与旱情分别构建不同的函数关系模型，这又是一种目前常见的旱情监测方法。——综合地表温度与地表植被指数的旱情监测，这种监测方法的优点是在一定程度上消除了两种监测方法的系统误差，方法的稳定性与普适性较好。第44页，共48页，2023年，2月20日，星期日

3、水灾监测对于水灾的防灾、救灾，及时获取信息、正确指挥防灾救灾的作用极大。水灾灾情发展漫延地区上空一般都是阴云密布，可见光—多光谱遥感无法获取地面信息，雷达遥感是这种情况下获取信息的惟一技术手段。机载侧视雷达一次成像条带很窄，影像后处理需要使用影像镶嵌技术，将一个个条带镶嵌起来。对于雷达使用的微波，水面构成典型的镜面，不产生回波，因