通信學論文-遙感的原理與實踐 --以上海市第三輪航空遙感調查為例.doc

通信學論文-遙感的原理與實踐-以上海市第三輪航空遙感調查為例在人類即將告別20世紀，并邁步跨入21世紀之際，上海市人民政府要求:對20世紀末的上海城市發(fā)展狀況，作一次全面的航空遙感調查，這是繼1988年和1994年前兩輪航空遙感調查之后的上海市第三輪航空遙感調查。本次航空遙感調查的目的是：運用現代信息技術手段，將20世紀末的上海城市發(fā)展狀況，以數字化的形式真實、詳細地記錄下來，建立相應的遙感影像資料數據庫，并對這些數據充分加以分析和利用，以便為未來的上海城市發(fā)展提供信息服務和決策參考。一、遙感的基本原理（一）基本概念遙感一詞來源于英語“RemoteSensing”，其直譯為“遙遠的感知”，時間長了人們將它簡譯為遙感。遙感是20世紀60年代發(fā)展起來的一門對地觀測綜合性技術。自20世紀80年代以來，遙感技術得到了長足的發(fā)展，遙感技術的應用也日趨廣泛。隨著遙感技術的不斷進步和遙感技術應用的不斷深入，未來的遙感技術將在我國國民經濟建設中發(fā)揮越來越重要的作用。關于遙感的科學含義通常有廣義和狹義兩種解釋:廣義的解釋:一切與目標物不接觸的遠距離探測。狹義的解釋:運用現代光學、電子學探測儀器，不與目標物相接觸，從遠距離把目標物的電磁波特性記錄下來，通過分析、解譯揭示出目標物本身的特征、性質及其變化規(guī)律。（二）系統(tǒng)的組成遙感是一門對地觀測綜合性技術，它的實現既需要一整套的技術裝備，又需要多種學科的參與和配合，因此實施遙感是一項復雜的系統(tǒng)工程。根據遙感的定義，遙感系統(tǒng)主要由以下四大部分組成（參見下圖）:1、信息源信息源是遙感需要對其進行探測的目標物。任何目標物都具有反射、吸收、透射及輻射電磁波的特性，當目標物與電磁波發(fā)生相互作用時會形成目標物的電磁波特性，這就為遙感探測提供了獲取信息的依據。2、信息獲取信息獲取是指運用遙感技術裝備接受、記錄目標物電磁波特性的探測過程。信息獲取所采用的遙感技術裝備主要包括遙感平臺和傳感器。其中遙感平臺是用來搭載傳感器的運載工具，常用的有氣球、飛機和人造衛(wèi)星等；傳感器是用來探測目標物電磁波特性的儀器設備，常用的有照相機、掃描儀和成像雷達等。3、信息處理信息處理是指運用光學儀器和計算機設備對所獲取的遙感信息進行校正、分析和解譯處理的技術過程。信息處理的作用是通過對遙感信息的校正、分析和解譯處理，掌握或清除遙感原始信息的誤差，梳理、歸納出被探測目標物的影像特征，然后依據特征從遙感信息中識別并提取所需的有用信息。4、信息應用信息應用是指專業(yè)人員按不同的目的將遙感信息應用于各業(yè)務領域的使用過程。信息應用的基本方法是將遙感信息作為地理信息系統(tǒng)的數據源，供人們對其進行查詢、統(tǒng)計和分析利用。遙感的應用領域十分廣泛，最主要的應用有:軍事、地質礦產勘探、自然資源調查、地圖測繪、環(huán)境監(jiān)測以及城市建設和管理等。（三）遙感原理振動的傳播稱為波。電磁振動的傳播是電磁波。電磁波的波段按波長由短至長可依次分為:-射線、X-射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波。電磁波的波長越短其穿透性越強。遙感探測所使用的電磁波波段是從紫外線、可見光、紅外線到微波的光譜段。太陽作為電磁輻射源，它所發(fā)出的光也是一種電磁波。太陽光從宇宙空間到達地球表面須穿過地球的大氣層。太陽光在穿過大氣層時，會受到大氣層對太陽光的吸收和散射影響，因而使透過大氣層的太陽光能量受到衰減。但是大氣層對太陽光的吸收和散射影響隨太陽光的波長而變化。通常把太陽光透過大氣層時透過率較高的光譜段稱為大氣窗口。大氣窗口的光譜段主要有:紫外、可見光和近紅外波段。地面上的任何物體（即目標物），如大氣、土地、水體、植被和人工構筑物等，在溫度高于絕對零度（即0k=-273.16）的條件下，它們都具有反射、吸收、透射及輻射電磁波的特性。當太陽光從宇宙空間經大氣層照射到地球表面時，地面上的物體就會對由太陽光所構成的電磁波產生反射和吸收。由于每一種物體的物理和化學特性以及入射光的波長不同，因此它們對入射光的反射率也不同。各種物體對入射光反射的規(guī)律叫做物體的反射光譜。遙感探測正是將遙感儀器所接受到的目標物的電磁波信息與物體的反射光譜相比較，從而可以對地面的物體進行識別和分類。這就是遙感所采用的基本原理。（四）遙感的分類為了便于專業(yè)人員研究和應用遙感技術，人們從不同的角度對遙感作如下分類:1、按搭載傳感器的遙感平臺分類根據遙感探測所采用的遙感平臺不同可以將遙感分類為:地面遙感，即把傳感器設置在地面平臺上，如車載、船載、手提、固定或活動高架平臺等；航空遙感，即把傳感器設置在航空器上，如氣球、航模、飛機及其它航空器等；航天遙感，即把傳感器設置在航天器上，如人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間實驗室等。2、按遙感探測的工作方式分類根據遙感探測的工作方式不同可以將遙感分類為:主動式遙感，即由傳感器主動地向被探測的目標物發(fā)射一定波長的電磁波，然后接受并記錄從目標物反射回來的電磁波；被動式遙感，即傳感器不向被探測的目標物發(fā)射電磁波，而是直接接受并記錄目標物反射太陽輻射或目標物自身發(fā)射的電磁波。3、按遙感探測的工作波段分類根據遙感探測的工作波段不同可以將遙感分類為:紫外遙感，其探測波段在0.30.38um之間；可見光，其探測波段在0.380.76um之間；紅外遙感，其探測波段在0.7614um之間；微波遙感，其探測波段在1mm1m之間；多光譜遙感，其探測波段在可見光與紅外波段范圍之內，但又將這一波段范圍劃分成若干個窄波段來進行探測。高光譜遙感是在紫外到中紅外波段范圍內，并且也將這一波段范圍劃分成許多非常窄且光譜連續(xù)的波段來進行探測。4、按遙感探測的應用領域分類根據遙感探測的應用領域，從宏觀研究角度可以將遙感分類為:外層空間遙感、大氣層遙感、陸地遙感、海洋遙感等；從微觀應用角度可以將遙感分類為:軍事遙感、地質遙感、資源遙感、環(huán)境遙感、測繪遙感、氣象遙感、水文遙感、農業(yè)遙感、林業(yè)遙感、漁業(yè)遙感、災害遙感及城市遙感等。（五）遙感技術的特點遙感作為一門對地觀測綜合性技術，它的出現和發(fā)展既是人們認識和探索自然界的客觀需要，更有其它技術手段與之無法比擬的特點。遙感技術的特點歸結起來主要有以下三個方面:1、探測范圍廣、采集數據快遙感探測能在較短的時間內，從空中乃至宇宙空間對大范圍地區(qū)進行對地觀測，并從中獲取有價值的遙感數據。這些數據拓展了人們的視覺空間，為宏觀地掌握地面事物的現狀情況創(chuàng)造了極為有利的條件，同時也為宏觀地研究自然現象和規(guī)律提供了寶貴的第一手資料。這種先進的技術手段與傳統(tǒng)的手工作業(yè)相比是不可替代的。2、能動態(tài)反映地面事物的變化遙感探測能周期性、重復地對同一地區(qū)進行對地觀測，這有助于人們通過所獲取的遙感數據，發(fā)現并動態(tài)地跟蹤地球上許多事物的變化。同時，研究自然界的變化規(guī)律。尤其是在監(jiān)視天氣狀況、自然災害、環(huán)境污染甚至軍事目標等方面，遙感的運用就顯得格外重要。3、獲取的數據具有綜合性遙感探測所獲取的是同一時段、覆蓋大范圍地區(qū)的遙感數據，這些數據綜合地展現了地球上許多自然與人文現象，宏觀地反映了地球上各種事物的形態(tài)與分布，真實地體現了地質、地貌、土壤、植被、水文、人工構筑物等地物的特征，全面地揭示了地理事物之間的關聯性。并且這些數據在時間上具有相同的現勢性。二、遙感的調查實踐（一）資料獲取上海市第三輪航空遙感調查采用1:10000和1:50000兩種航攝比例尺，以彩紅外的成像方式對上海全市范圍展開調查。航空遙感調查的第一步是資料獲取。資料獲取是整個航空遙感調查的基礎性工作，其進行的好壞將直接影響以后各項工作的質量與效果。資料獲取的工作大致可分成四個階段來進行:1、第一階段為前期工作，前期工作主要有：確定調查的時間、擬定調查的航線和完成航攝任務的招投標。（1）確定調查的時間城市航空遙感調查的時間一般選擇在秋季或冬季。因為秋季或冬季這段時間，我國大部分地區(qū)通常晴好天氣較多，空氣能見度較高，地面植被的遮擋較少，因而所獲取的影像資料也就較為清晰。在航空遙感調查中，針對大區(qū)域的大比例尺、完整覆蓋的航攝飛行來說，其很難在一個較短的時期內完成。因此需要結合當地的氣象情況，選擇一個合適的時間段，來實施針對大區(qū)域的大比例尺、完整覆蓋的航攝飛行。根據氣象部門提供的氣象資料，表明調查當時上海地區(qū)正值暖冬和春寒，在此期間晴好天氣為多，空氣能見度也高，經過反復斟酌，我們把調查的時間段定在1999年12月至2000年5月。（2）擬定調查的航線擬定調查的航線首先要確定飛行的航向，其次要在有經緯度的地圖上畫出詳細的飛行路線。飛行的航向一般是根據被調查地域的形狀來確定。通常地域形狀呈南北向延伸，其航向定為南北向；地域形狀呈東西向延伸，其航向定為東西向。畫詳細的飛行路線應充分考慮航片的縱向重疊和旁向重疊。一般說來縱向重疊按40-60左右考慮，旁向重疊按25-30左右考慮。本次航空遙感調查按照市有關部門的要求，結合上海的實際情況，我們把1:10000比例尺的飛行航向定為東西向飛行，1:50000比例尺的飛行航向定為南北向飛行，飛行的詳細路線與上海市地形圖圖幅的中心線相一致，航片的縱向重疊按60設計，旁向重疊按30設計。這樣做不僅有利于航片的后期處理，也有利于測繪部門用航片來修測地形圖。（3）完成航攝任務的招投標資料獲取的實質性工作是要完成航攝任務。但作為遙感調查的業(yè)主單位，一般不具備這方面的條件和能力來承擔這項任務。因此，必須通過市場招投標，選擇一家有儀器設備、有技術經驗的專業(yè)化企業(yè)來完成此項任務。我們在開展航攝任務招投標的過程中，首先是編制好航攝任務的招標書。編制招標書的關鍵是要明確航攝任務的技術要求，其中應包括:航攝的時間、區(qū)域，航攝的比例尺、攝影種類，航攝的飛行路線、飛行姿態(tài)，航攝的縱向和旁向重疊率，航攝相機的規(guī)格，航攝膠片的規(guī)格，飛行器（飛機）上的必要裝備等。其次是進行航攝任務的投標、開標、評標和商務談判。其中評標是由我們業(yè)主選定的專家們對各投標方的投標書進行技術評價，主要是評價各投標書中提出的航攝實施方案是否真正滿足招標方的航攝技術要求。在投標方的實施方案能夠真正滿足招標方的技術要求的前提下，再根據開標時投標方的商務報價，按最低價中標的原則確定中標單位，然后業(yè)主和中標單位通過商務談判最終簽訂項目合同。2、第二階段為航攝準備，航攝準備的主要工作有：檢查儀器設備及采購材料、召開航空遙感飛行協調會和進行航攝試飛。（1）檢查儀器設備及采購材料航攝準備首先要對航攝的各種儀器設備作嚴格的檢查。檢查的內容主要包括:飛行器及飛行器上的通訊與導航設備，航攝相機和航攝平臺。檢查的目的是要確保這些儀器設備能正常工作，并達到儀器設備本身所規(guī)定的性能指標。其次是采購有關的材料，主要有航攝的膠片和膠片沖洗液。為了獲得大面積、高質量的遙感影像資料，目前這些材料仍需從國外進口。要注意的是：由于從國外進口這些材料得有一個周期，因此必須提前一段時間預先訂購，并確保這些被訂購的材料在正式實施航攝之前到貨。（2）召開航空遙感飛行協調會召開航空遙感飛行協調會是航攝準備一項很重要的工作。召開這個協調會就是把負責上海地區(qū)空中管制及參加本次航攝任務的各有關單位請來，圍繞本次遙感調查的航攝任務進行充分地討論和協商，在參加會議的各方達成共識的基礎上，確定航攝飛行的管制方案，明確各自的保障任務和責任，最后將會議結果形成航空遙感飛行協調會會議紀要。該會議紀要應就飛機的地面保障、飛行的空中保障、航攝區(qū)域與飛行高度、航攝飛行的調配和航攝飛行的管制等內容作出具體規(guī)定，明確業(yè)務要求。會議紀要一旦形成，便成為各方執(zhí)行任務的行動規(guī)范，參加會議的所有單位都必須嚴格遵守。（3）進行航攝試飛航攝試飛也是航攝準備的一項必要工作。在上述兩項工作均已順利完成的基礎上，便可開始進行航攝試飛。航攝試飛的主要任務是檢驗航攝飛行的協調與配合、熟悉航攝區(qū)域的地理環(huán)境、校正航攝儀器和進行航攝的試拍。其中檢驗航攝飛行的協調與配合是檢驗航攝人員在航攝飛行過程中，與氣象部門、空中管制部門和地面指揮塔的協調與配合；熟悉航攝區(qū)域的地理環(huán)境是熟悉被攝地區(qū)地物基本要素的分布情況；校正航攝儀器是校正裝載航攝相機平臺的基準；進行航攝的試拍是選擇具有明顯地形地物特征的小范圍區(qū)域進行試拍。在結束航攝試飛后，要立即對以上的試驗結果進行分析和總結，發(fā)現問題及時解決，以便為正式實施航攝創(chuàng)造良好的條件。3、第三階段為實施航攝，主要工作有:收集氣象資料、執(zhí)行航攝任務和監(jiān)控航攝質量。（1）收集氣象資料收集氣象資料對實施航攝來說至關重要。為了確保航攝任務的順利實施，航攝人員必須與氣象部門保持密切聯絡，及時收集每一天、每一周的氣象預報，隨時掌握航攝期間的天氣情況及變化趨勢。同時，要根據所收集到的氣象資料，設計好具體的航攝飛行方案，主要是確定每次航攝飛行的具體時間和區(qū)域。由于天氣狀況變幻莫測，因此在設計航攝飛行方案