5.2 遥感原理与遥感技术系统

5.2.1 遥感基本原理

1.主动式和被动式遥感

    按工作原理和工作方式，遥感可以分为主动式遥感和被动式遥感。

    主动式遥感又称为“有源遥感”。它是指在遥感平台上传感器对被探测的目标物发射一定频率或一定波长的电磁波（如可见光、激光和微波等）、声波或地震波，并接收目标物返回的反射或后向散射回波信号，并通过分析回波信号的性质、特征及其变化来识别目标物体，如机载LiDAR、星载合成孔径雷达（SAR）、船载多波束测深仪等分别向目标发射红外激光、微波和声波波束，探测其回波信号，由此形成遥感数据，通过对数据的分析和处理，从而实现对目标几何和物理参数的解析和提取。

    被动式遥感又称为“无源遥感”。被动式遥感的传感器不向目标物发射电磁波，仅被动接收来自目标物自身发射的或对自然辐射源（如太阳）的反射信息，依赖外部能源进行遥感。例如，光学遥感利用太阳辐射（其能量主要集中在紫外、可见光和近红外波段）作为能源照射在目标上，传感器对地物反射的太阳辐射能量进行接收和成像；再如地物目标只要自身温度大于绝对零度（-273.15℃），就会不断地向外界辐射红外波，传感器类似于红外夜视仪那样接收这部分辐射能量并编码为图像。

    需要指出的是，利用从紫外、可见光、红外到微波波段的电磁波进行主动式遥感或被动式遥感是当前最常见的遥感方式，而利用声波和地震波进行遥感通常仅适合于主动式遥感，且用于特殊目的。

2.波的地物响应

    除包含紫外、可见光、红外和微波在内的电磁波之外，也可利用声波、地震波等进行地物数据的遥感获取。各类波都可由能量、振幅、频率、波长、相位、速度等物理量进行度量。不同的是，电磁波是在空间传播的交变电磁场，是一种伴随变化的电场和磁场的横波，这些电场和磁场以光速传播并且彼此垂直，同时还与传播方向垂直，在真空中传播的速度为常数（3.0 X 1 0 8m/s），这是目前最常见的遥感信息源；声波在气体和液体介质中传播时是一种纵波，在不同的介质、不同温度以及不同高度上，声波的传播速度是变化的，能量衰减严重，一般用于水体中或水下地物的探测；地震波则属于弹性波，是纵波和横波（合称为体波）及面波的合成，不同类型的波在不同的介质中传播速度相差极大，从而可利用波的速度差来探测地下目标。

不论是电磁波（包括激光）、声波还是地震波，虽然在传播方式上有所差别，但在遇到目标后，都会产生反射（或散射）、吸收、衍射、甚至透射等过程，相同频率的两个波束在相遇时会产生干涉现象。地球表面不同类型的地物因为其物理、化学、生物等方面的特性千差万别，所以，它们分别对不同波长或频率的电磁波、声波或地震波的响应也呈现明显差异。对于传感器而言，接收到的是来自地物目标的反射波或自身辐射的波信号，其能量大小随地物类型、波长或频率的不同而不同。遥感器对接收到的能量进行编码获得遥感数据，显然遥感数据中不同地物目标的信号强弱有明显差异，这是遥感数据识别地物目标、获取目标几何和物理参数的重要依据。

 以主动式遥感为例，当传感器向目标投射电磁波、声波或地震波时，因为不同地物目标的物质组成、表面粗糙度、颜色、结构、含水量、介电性质等存在显著差异，所以对投射来的波能量的吸收、反射能力也有明显差别，传感器将接收到的来自不同地物反射或散射的波能量大小进行编码后，获得的遥感数据可辨识出不同的地物目标。

有些主动式传感器除刘来自地物的波能量大小进行编码之外，还通过比较发射出去的波与反射回来的波两者之间的相位差别，记录这种波的相位变化，如合成孔径雷达（SAR）成像不仅具有强度信息还有相位信息；还有些传感器依据检测出的相位差异进一步计算出传感器到目标之间的距离，如机载、车载或地面激光雷达（LiDAR），并对反射强度和距离进行数字编码，获得遥感数据。

3.遥感信号的数据表达

无论是主动式遥感还是被动式遥感，当传感器接收到来自地物目标的波反射（散射）信号后，对波信号的能量大小进行调制、对波的相位进行检测，并以数字编码（最常见）或模拟信号的形式输出到相应载体上，得到以数字图像、像片（或胶片）或其他非影像表示的遥感数据（如微波散射计数据），其中以图像或影像形式表达的遥感数据是最常见的形式。而以非影像方式记录的遥感数据，为了便于应用，一般也将其转换为图形或图像，进行可视化表达。在以电磁波为信息源尤其是被动式遥感中，可将来自地物目标的反射能量按波长分为若干通道，传感器分别接收和记录较窄波长范围内的反射电磁波能量，形成多波段遥感或高光潜遥感。

图5.3给出了几种典型遥感数据的可视化表达结果。

5.2.2遥感技术系统

遥感技术系统是负责对探测对象的波反射（或辐射）信号进行收集、传输、校正、转换、处理和应用的技术系统，是由平台、传感、接收、处理应用几个子系统组成的综合性技术系统（图5.4）。

1.遥感平台系统

    遥感平台是用于搭载遥感传感器，并为其提供技术保障与工作条件的工具。

    根据运载工具的类型，可分为航天平台（包括人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等）、航空平台（包括有人驾驶飞机或无人机、飞艇、高空气球等）和地面平台（车船、铁塔、三脚架等）。

    在遥感平台中，由于航天遥感平台能从远离地球的太空中俯视地球、可周期重复观测地球，从而成为当今发展最快、应用最广的一类遥感平台。当今全球有数百颗卫星遥感平台正在运行，根据卫星的服务内容，可将其分为气象卫星系列、陆地卫星系列和海洋卫星系列。我国有上百颗卫星遥感平台，包括气象卫星系列、资源卫星系列、环境卫星系列、高分卫星系列、小卫星系列，等等。

    卫星沿着围绕地球的轨道高速运行．轨道面与地球的赤道面呈一定的夹角（称作卫星倾角），将倾角接近900的称作近极轨卫星。大部分遥感卫星的轨道倾角为960～1020，且轨道面绕地球自转轴旋转，其方向与地球公转的方向相同，旋转的角速度等于地球公转的平均角速度。轨道面与太阳的取向一致，由此可保证卫星沿轨道运行时不仅能覆盖地球的绝大部分范围，也能保证卫星经过同一纬度的“地方时”，在一段时间内几乎不变，即太阳同步。

近几年来，遥感卫星正朝小型化、星座化（多颗同类卫星同时运行）的方向发展。另外，为了达到对某些重点区域的持续不间断观测，与地球同步（卫星轨道面与赤道面平行且卫星沿轨道运行的角速度与地球自转角速度相等）且可凝视的“静止”卫星也得到快速发展，如我国发射的FY -4卫星、美国的GEOS-R卫星等。

2.传感器系统

    传感器是能接收来自地物目标反射或发射的波信号，并按一定规律变换成数字信写或其他所需形式的信息输出的遥感技术子系统，是遥感信息获取的关键。

因为除电磁波外，遥感还可能使用声波、地震波等，而不同的波自身随波长或频率的变化其性质也有很大的差异，再加上地物随不同类型的波及波长或频率的变化，其反射和发射特性也大不相同，所以传感器的类型极为丰富。依据不同的分类标准，传感器的分类有多种方式。按工作的波和波长可分为声波传感器、地震波传感器、可见光传感器、红外传感器、微波传感器等。按工作方式可分为主动式传感器和被动式传感器，被动式传感器接收来自地物目标自身的热辐射或反射太阳辐射，如各种相机／摄像机、扫描仪、辐别计等；主动式传感器则向目标主动发射强大的电磁波、声波或地震波等，然后再接收目标反射回来的回波信号，如激光雷达〔LiDAR）、合成孔径雷达（SAR）、声呐、地震探测仪等。按信号记录方式可分为成像方式和非成像方式，前者又可依据成像原理分为摄影成像和扫描成像，后者仅记录目标的一些几何和物理参数，如到目标的距离、目标的散射特性等。图5.5给出了一些典型的遥感传感器。

尽管传感器类型繁多，但它们都有共同的结构。一般来说，传感器由信号接收部件、探测部件、信号处理部件和数据记录部件四个部分构成，而主动式传感器除以上四个部件外，还具有产生并向目标发射特定波的部件。

3.遥感数据的传输与接收

在遥感数据获取过程中，数据量庞大，如何将其正确、及时地发送到不同类型的用户手中进行专业应用，是数据传输与接收子系统承担的任务。对于地面或航空平台而言，因为数据采集过程持续时间较短，一般采取在采集过程中将数据存储在特定介质（如胶片、磁盘等）上，待采集任务结束后一次性取出或采用在线通信的策略将遥感数据传输到数据中心，并进行预处理。而对于航天遥感尤其是卫星遥感而言，因为卫星持续运行时间从数月到十多年，不可能等卫星返回地面后再接收所获取的数据，所以必须采取实时传输和接收的方式，在地面上获得这些数据，其方法是将所获得的数据以信号形式调制到无线通信电磁波上，从星上发送回地面卫星数据接收站（图5.6），由接收站负责进行数据的提取和预处理。由于电磁波基本沿直线传播，而卫星沿轨道绕地球高速运行，只有当卫星过境时（地面站能与卫星通信）地面站才能接收到卫星发来的数据。遥感数据量很大，需要在星上对数据压缩存储后，在卫星过境时完成数据的传输。为了保证数据传输的实时性，还可以为遥感卫星建造若干颗数据中继卫星（通信卫星，运行在离地球30000km以上太空中的地球同步卫星），这样，遥感卫星将所获得的数据通过无线电波发送给数据中继卫星，再由数据中继卫星传输给地面卫星接收站。

4.遥感数据处理系统

地面卫星数据接收站从各种遥感平台和传感器上收集到的遥感信息因为受平台的稳定性、传感器的性能、天气条件、环境因素等多方面的影响，所获得的数据不能真实反映实际的情况，需要对这些数据在应用前进行预处理，以期获得能反映目标真实状态的信息。将地面卫星接收站接收到的遥感数据通过数据链路传输到遥感数据中心（图5.7），在这里利用数据存储和处理设备、数据处理软件对遥感数据进行标准化预处理、归档，并面向各类用户进行数据分发和共享。数据预处理的内容包括数据转换（模数转换、数模转换、格式转换等）、数据压缩和数据校正（包括几何校正、辐射校正等）。根据不同类型用户的应用需求，经处理的遥感数据往往有不同级别的产品，对应从原始数据到复杂的精加工产品，例如，陆地观测卫星地面系统处理和生产的标准产品中，将多光谱数据标准产品分为0-5共6级，将合成孔径雷达(SAR）数据分为7级等。

5.2.3遥感数据特征

    遥感数据具有多源性，即多平台、多波段、多视场、多时相、多角度、多极化等，从这个意义上说，遥感数据是“多维的”。这种多维性可以通过空间分辨率、波谱分辨率、辐射分辨率和时间分辨率等指标来度量和描述。

1.空间分辨率

    空间分辨率是指以影像表示的遥感数据上可辨识的临界物体空间几何长度的最小极限，它体现了对地物目标几何细节的分辨能力。

在传统的以胶片记录的摄影测量中，这一指标又称为“摄影分辨率”，以胶片上单位距离内能分辨出的线宽或间隔相等的平行细线条数目来度量，单位为线/nmm或线对/mm,它是摄影机物镜分辨率和胶片分辨率的组合。对于现代各种数据编码的主动式或被动式传感器而言，空间分辨率受传感器系统的分辨率、探测元件分辨率和灵敏度等多种因素的制约，取决于瞬时视场角IFOV（instantaneous field of view，传感器探测元件的观测视野或地面分辨单元刘传感器的张角）的大小及平台离目标的距离，通常采用影像上一个像元对应的地面单元的大小来表示。例如，美国NOAA气象卫星AVHRR影像的星下点分辨率为I.lkm、Landsat ETM+全色波段影像的空间分辨率为15m、我国吉林一1卫星全色波段影像的空间分辨率为0.76m，等等。图5.8给出了三种不同空间分辨率影像的对比，显然空间分辨率越高，在影像上能辨识出更多的地物目标几何细节。

在实际应用中，并非空间分辨率越高就越有用，而是应当根据实际用途和目的选择具有合适空间分辨率的遥感数据。

2.波谱分辨率

波谱分辨率是指传感器在接收目标辐射波信号时能分辨出的最小波长间隔。波长宽度越窄，分辨率越高，所包含的信息量越大，它体现了在遥感数据上区分或识别目标性质的能力。

主动式传感器因为发射特定波长或频率的波信号，如激光雷达发射并接收红外激光如1042nm）、合成孔径雷达发射并接收微波（如c波段140px）、多波束测深仪发射并接收声波（如频率160kHz）信号等，所以其波谱分辨率极高，但仅有单个通道。而被动式传感器主要利用目标对太阳辐射的发射或自身的热辐射，其波长范围大，对其可进行波谱细分，以便通过对目标在不同波长带内的反射或辐射信号强弱差异及其组合来识别地物目标。多光谱传感器一般将可见光和近红外波段分为近十个波段，每个波段波长间隔100mn左右而高光谱传感器能达到以波长间隔为4～6nm、以数十乃至数百个波段通道来记录地物的连续光谱信号差异（图5.9），便于研究地物目标的物理性质。

由于传感器是对1FOv内目标反射或辐射的总能量进行探测或成像，从而导致波谱分辨率与空间分辨率之间存在着矛盾，空间分辨率高的波谱分辨率通常较低，光谱分辨率高的通常其空间分辨率较低。

3.辐射分辨率

    辐射分辨率是指传感器接收来自目标的反射或自身发射的波信号时，对信号强弱的敏感程度，或传感器能分辨的目标反射或辐射的波强度的最小变化量，这也体现了对不同目标微弱信号差异的区分能力。

    在遥感影像上，辐射分辨率直接表现为每一像元的灰度或亮度；在数字遥感影像中则体现为辐射量化级，以2"表示，如n为7, 8, 10或12等，n越大．辐射分辨率越高。

4.时间分辨率

    时间分辨率是指对同一地点进行遥感观测的最小时间间隔，即观测的时间频率，时间间隔大，时间分辨率低，反之时间分辨率高。它体现了遥感对同一区域的重复观测能力。

    对于卫星遥感而言，时间分辨率（也称重访周期）取决于卫星轨道高度、轨道倾角、轨道间隔、运行周期等参数。例如，我国ZY3卫星的重访周期为59天，美国Landsat 8卫星的重访周期为16天；气象卫星的时间分辨率一般较高，如我国FY -3卫星为0.5天。为了提高卫星的时间分辨率，便于对动态变化的目标进行持续观测，可同时编组布设若干颗同类卫星，沿相同轨道或不同轨道对地面同时进行观测，如FY -3共布设了四颗卫星（分别为A、B、C和D星），使得FY -3的时间分辨率提高4倍；另外地球同步的“凝视”卫星时间分辨率更高，其时间分辨率为0.2～0.5小时／次。

    时间分辨率对于动态目标的监测尤为重要，例如，对天气变化、灾害的监测需要时间分辨率高的遥感数据，通常以“小时”为单位；刘植被、作物长势的监测则以‘旧”或“旬”为单位；而对城市扩展、河道变迁、土地利用等变化较慢的则以“季”或“年”为单位。