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碧空“慧眼”——遥感


20222月27日,我国在酒泉卫星发射中心用长征四号丙运载火箭,成功将L-SAR 01组B星发射升空[1]B星入轨后,将单独开展在轨测试,再与A星进行编队测试。该组卫星将为地质灾害、土地调查、地震评估、防灾减灾、基础测绘、林业调查等领域提供强有力的空间技术支撑,而它们应用的技术,就是遥感。


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图一:L-SAR 01组B星成功发射[1]


一:遥感的概念与发展

遥感一词来源于英语“Remote Sensing”,其直译为“遥远的感知”,时间长了人们将它简译为“遥感”,可以解释为: 运用现代光学、电子学探测仪器,不与目标物相接触,从远距离把目标物的电磁波特性记录下来,通过分析、解译揭示出目标物本身的特征、性质及其变化规律。


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图二:不同地物对电磁波辐射、反射、吸收特性不同


1957 年10月4日,在灼热的,涡动的气体中,184磅重的卫星腾空而起进入空间飞行,这是苏联发射的第一颗人造卫星被送入空间轨道。卫星的发射打开了探求未知事物的大门。现在,在六十多年后的今天,我们看到已经发射了很多这样的卫星,其中,有的绕地球运转,有的绕太阳、月球运转,还有的则绕其它行星运转。我们也看到已经有人驾驶飞船到空间飞行,也有些飞行器穿越宇宙空间,飞行极远的距离。这些卫星和飞行器上的仪器把大量新的信息传送到地面,而这些信息我们是不能用任何其他方法得到的。特别是它们正在扩大我们的视野,前景是令人兴奋的。这些新发展是科学的一个分支,也就是遥感。正如上文所讲,遥感这个词意味着从远处感知物体,也就是不和该物体接触而探测和测量该物体的一些性质。到过月球的宇航员感受到月球的表面是干燥的、布满尘埃的,这不是遥感,因为这是宇航员在月球直接感觉到的。但是,如果你是在家,坐在电视机前面舒适的椅子上,看到字航员的登月器撞击月球表面的时候升起一片灰尘,于是你推论出月球上是干燥的,布满尘土的,这就是遥感。因为你不在月球上(除了想象以外),你不能直接接触到它[2]


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图三:人类的第一颗卫星——斯普特尼克1号


随着卫星遥感制造和芯片工艺技术的不断进步,遥感卫星数据在空间、光谱和时间三个维度上的分辨率不断提高。数据集的智能处理技术和计算能力也在快速发展。这些变化代表了遥感大数据新时代的到来[3-4]。然而,新的发展也伴随着新的问题,如卫星遥感数据上下游传输带宽不足,遥感有效载荷成像方法对复杂地面和地物变化的适应性不足,以及信息服务的时间效率问题。传统的卫星遥感数据处理和应用模式无法适应当前对高时效、个性化遥感数据采集和信息产品输出的需求等[5]。但可预见的是,随着智能遥感卫星相关技术的快速发展,越来越多的具有智能特征的遥感卫星正在发射并在地球轨道上运行。遥感技术将不断的进步并造福人类!


二:遥感的数据获取过程

遥感的数据获取过程就是:太阳的照射会穿过大气层到地面及各个地物,有一部分太阳的能量会被直接反射回去,有一部分穿透地物到达更底部,还有一部分被地物本身吸收。被反射回去的能量会再次穿过大气层,经过大气的吸收反射,被卫星传感接收。而像这部分反射回来的能量,每一个地物都有这样的传输过程,卫星传感器就能接收这些能量并用数字记录。人们在地表建立卫星接收站,接收卫星传感器返回的信号信息并把这些信息转成数字图像。经过一系列的数据处理后将这些数字图像转化为地物的反射率,这就是我们最重要的一个遥感基本信息。


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图四:遥感数据获取过程 A:能量源 B: 辐射和大气 C: 与目标的辐射相互作用 D: 传感器 E: 传输、接收、处理 F: 解译分析 G: 映像


三:遥感的应用

当前遥感形成了一个从地面到空中,乃至空间,从信息数据收集、处理到判读分析和应用,对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系,成为获取地球资源与环境信息的重要手段,广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等领域[6]。

在军事方面的应用。遥感技术最先是从军事发展起来的,现在有许多技术方法和仪器设备仍处在领先地位,但不向民用部门推广。它在军事上的作用,在于可以进行立体侦察,及实地获取敌区的情报,如利用红外遥感识别伪装、军事侦察等。

在地学方面的应用。遥感为地质、地理、环境科学等方面的勘测提供了新的手段和最新资料,为地球宏观规律的研究、地球环境的监测和评价,自然资源的开发利用创造了有利条件。在地质方面可以很好地应用于地质构造、岩石种类的鉴定以及矿床勘探等;海洋方面可以利用遥感测定海岸地形、浅海海底地貌、海流边界、方向、流速、海面温度、浮游生物区和生物量、盐分、水质等;水文方面可以进行水资源、湖泊、河流的探测,利用卫星影像可测出雪盖面积、分布范围、雪线高度,分析冰川的动态进退,监测海冰运动等。

在环境方面的应用。利用遥感技术可以进行水污染、大气污染、地表污染的监测;利用遥感随时监视断裂活动和地面变化。可为地震预报提供依据;通过遥感可以收集到放在火山口里的自动记录仪器记录的许多有关火山活动的信息,经过分析可做出预报。

在测绘方面的应用。遥感在测绘中的应用开始很早,现在已发展到了应用专门的卫星或卫星上放置专门的测绘传感器,制作地形图、校正更新现有地图、制作影像地图、制作专题地图。

在农业方面的应用。遥感技术在农业方面的应用很广泛,有人认为农业是遥感的最大用户,也是遥感的最大受益者,特别是对一些发展中国家和国土面积较大的国家作用尤为明显,可进行资源调查、资源监测、作物估产、病虫害监测预报、生产管理等。


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图五:无人机监控草地生长情况


以上只是遥感应用的部分举例。遥感技术应用场景灵活多变,成果的应用方向不胜枚举,随着卫星向大尺度、多谱段、高分辨率、分钟级发展,其应用场景也会越来越广泛。


参考文献:

[1] 新华网.我国成功发射L-SAR 01组B星. http://www.news.cn/tech/2022-02/27/c_1128419845.htm.2022.02.27.

[2] 多萝西·哈珀.碧空慧眼——遥感入门[M].商务印书馆,1979.

[3] Zhang B, Chen ZC, Peng DL, et al. Remotely sensed big data: Evolution in model development for information extraction [point of view], Proceedings of the IEEE, 2019, 107 (12).

[4] Reichstein M, Camps-Valls G, Stevens B, et al. Deep learning and process understanding for data-driven earth system science[J], Nature, 2019, 566 (7743).

[5] Zhang B, Wu YF, Zhao BY, et al. Progress and Challenges in Intelligent Remote Sensing Satellite Systems[J], IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2022, 15.

[6] 郑雄伟.遥感:探索世界的“天眼”[J].国土资源科普与文化,2015(03).