第五章 地理数据获取与航测遥感（124-156）

准确、客观地刻画和表达人类生存环境各类要素的现状及其变化的地理数据是地理信息科学研究和应用的基石。现代对地观测技术尤其是遥感技术能从太空、空中、地面乃至水上和水下不同观测平台上，以全天候、全方位、多尺度、多视角、多传感器手段对地球表层进行持续观测，获取反映地球系统各要素的特征和变化的地理空间数据，为地理环境变化的分析和模拟提供了坚实的数据基础。本章从地球观测的遥感需求人手，简要介绍遥感的基本原理及其技术系统，重点阐述基于多种遥感手段的地理要素几何数据和物理参数数据获取与处理方法，结合案例时论遥感地学分析方法及其服务模式。

5.1 地球观测的遥感需求

5.1.1 地球观测的需求

    为了在全球范围内实时掌握地球系统各要素的特征和变化，就需要对它们进行全天候、实时或准实时、多平台的立体观测，使人类源源不断地、快速地获取地球表层各类要素随时间变化的几何信息和物理信息；进而揭示地球上各种现象的时空分布规律、变化过程，从而指导人类合理地利用和开发资源，有效保护和改善环境，积极防治和抵御各种自然灾害，不断改善人类生存和生活的环境质量，以达到经济社会可持续发展的双重目的。

    地球观测也称对地观测，是以地球表层空间为研究对象，依托卫星、飞船、航天飞机、飞机以及近地面平台等所携载的专用仪器设备，利用可见光、红外和微波等电磁波以及声波、地震波等各类波，对人类生存所依赖的地球环境及人类活动本身进行的各种探测活动。现代对地观测技术体系是由遥感技术、通信技术、GNSS全球定位技术、地理信息系统技术以及其他高新技术紧密结合所形成的，其中遥感（remote sensing）是最重要的地球表层各类事物和现象的数据获取手段。

    地球观测的内容多种多样，其目的主要是为了加深对地球系统及其变化规律的理解，掌握各种地球现象发生的原因及变化方式、自然和人类对全球环境变化的作用等，回答何物（what）、何地（where）、何时（when）、何因（why）及如何（how）变化的问题，建立人类对地球系统发生的各种现象的长期监测体系，改进对全球尺度上地球系统各分量及它们间相互作用的理解。地球观测的内容为多学科、多领域、多视角的综合研究。

5.1.2地球观测的手段

对地球进行观测的传统方法是直接观测法，即人工或建立地面平台在现场进行直接观测，显然这种观测方法难以满足对大范围地理事物或现象进行观测的需求。随着技术的进步，机载乃至星载对地观测技术不断发展起来，如利用直升机、小型飞机、无人机和卫星平台获取不同类型的数据（图5.1），进行测绘、土地与城市规划、火灾与水灾灾情监测、农作物生长态势评估、战场环境监测、军用目标识别等工作。

“遥感”是现代社会的一个新词，但人类对它的需求却是从古代就开始了。我国经典的神话故事《封神榜》里面出现的两个重要人物—“千里眼”和“顺风耳”，就是我们的祖先不断设法扩大自身的感知能力和范围，实现遥感的一个很好的体现。1610年意大利科学家伽利略研制的望远镜及其对月球的首次观测，可以视为遥感的最初尝试和实践。而现代意义上第一次真正实现航空遥感源自1858年人们利用热气球获得巴黎上空的第一张俯瞰照片。在20世纪初，莱特兄弟成功地飞上了蓝天，让人类置身高空俯瞰我们的地球成为可能。航天遥感时代开启于1961年苏联宇航员加加林在遥远的太空看到我们蓝色的地球。

    遥感发展历史悠久，经历了无记录地面遥感阶段（1608--1838年）、有记录地面遥感阶段（1839--1857年）、航空航天摄影成像遥感阶段（1858～1956年）、天地一体化定量遥感阶段（1957年至今）。

    遥感技术使人类能够从更远的距离、更高的高度、更深的层次观察人类的生存环境，快速、大范围地获取地理信息。这些特性使得人类对遥感技术的需求越来越大．遥感在当今社会的应用也越来越广。例如，在气象预报中，运用遥感技术可以动态监测气旋、云团等的运动规律，实现“看云识天气”，从而进行台风、降雨／雪的天气预报；此外，遥感技术在森林火灾、江河洪灾、地震灾害等的灾后救援和评估工作中也得到了广泛的应用（图5.2）。

    例如，在2008年5月12日演川地震灾后的救援和灾情评估工作中，遥感技术发挥了重大作用。地震发生后不到一个小时，国家各部门和单位开展了紧张有序的灾区遥感影像获取和分析工作，通过获取的遥感影像，救灾人员可以准确了解灾区的房屋倒塌、道路损毁／中断、桥梁损毁、滑坡、泥石流等情况，为选定灾民安置点、制定救援物资运输路线等救援活动提供了很好的决策支持。与此同时，中国气象局通过风云卫星和国外的卫星资料结合灾区的地表数据，得到了准确的灾区气象条件变化情况，不仅为前方救援部队的行动提供了方案，同时也为制定堰塞湖排险工作方案提供了科学依据。

5.1.3遥感对地观测

    随着科学技术的发展，对地观测的方法已经不再局限于传统的地面直接观测，而是发展到空中及太空，从不同高度、不同视角，利用来自地物或现象的各类可感知信号，实现对地球的观测。

    遥感，即遥远的感知，是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术。

    人们对遥感的理解，有狭义和广义之分。人们通常理解的遥感属于狭义遥感范畴，是指从远距离、高空，以至外层空间的平台上，利用各类红外、微波等遥感器，通过摄影、扫描等各种方式，接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的综合技术。而广义的遥感则是指在各类地面、水上、空中、太空平台上，利用传感器，在非接触和远距离目标的条件下探测目标地物，获取其反射、辐射或散射的各类波（如电场、磁场、电磁波、激光、地震波、声波等）信号，并进行提取、判定、分析与应用，达到识别地物及其环境的科学与技术。

    遥感技术的分类方法很多，从平台的高度看，反映了卫星的发展历程；从传感器多样化可看到人们制造传感器的能力在提高；从成像方式可看到人们在不断尝试新方向；而应用领域的变化则说明遥感在不断拓展自己的应用范围。

遥感对地观测较之常规手段具有如下突出的特点。

（1）可获取大范围数据资料。遥感航摄飞机飞行高度为l0km左右，陆地卫星的轨道高度达910km左右，因而可及时获取大范围的信息。例如，一张陆地卫星图像，其覆盖面积可达3万多平方千米。这种展示宏观景象的图像，对地球资源和环境分析极为重要。

（2)获取信息的速度快，周期短。由于卫星围绕地球运转，从而能及时获取所经地区的各种自然现象的最新资料，以便更新原有资料，或根据新旧资料变化进行动态监测，这是人工实地测量和航空摄影测量无法比拟的。例如，Landsat 4和5，每16天可覆盖地球一遍；NOAH气象卫星每天能收到两次图像；Meteosat每30min可获得同一地区的图像。

（3)获取信息受条件限制少。地球上有很多地方自然条件极为恶劣，人类难以到达，如沙漠、沼泽、高山峻岭等。采用不受地面条件限制的遥感技术，特别是航天遥感可方便及时地获取各种宝贵资料。

（4）获取信息的手段多，信息量大。遥感技术大大地拓展了人类感官对周边环境的感知。根据不同的任务，遥感技术可选用不同波段和遥感器来获取信息。例如，可采用可见光探测物体，也可采用紫外线、红外线和微波探测物体，利用超声波探测水下地形和暗礁。利用不同波段对物体不同的穿透性，还可获取地物内部信息，例如，地面深层、水的下层，冰层下的水体，沙漠下面的暗河等。微波波段还可以全天候的工作。