通信學(xué)論文-遙感的原理與實(shí)踐 --以上海市第三輪航空遙感調(diào)查為例.doc

通信學(xué)論文-遙感的原理與實(shí)踐-以上海市第三輪航空遙感調(diào)查為例在人類(lèi)即將告別20世紀(jì)，并邁步跨入21世紀(jì)之際，上海市人民政府要求:對(duì)20世紀(jì)末的上海城市發(fā)展?fàn)顩r，作一次全面的航空遙感調(diào)查，這是繼1988年和1994年前兩輪航空遙感調(diào)查之后的上海市第三輪航空遙感調(diào)查。本次航空遙感調(diào)查的目的是：運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，將20世紀(jì)末的上海城市發(fā)展?fàn)顩r，以數(shù)字化的形式真實(shí)、詳細(xì)地記錄下來(lái)，建立相應(yīng)的遙感影像資料數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)充分加以分析和利用，以便為未來(lái)的上海城市發(fā)展提供信息服務(wù)和決策參考。一、遙感的基本原理（一）基本概念遙感一詞來(lái)源于英語(yǔ)“RemoteSensing”，其直譯為“遙遠(yuǎn)的感知”，時(shí)間長(zhǎng)了人們將它簡(jiǎn)譯為遙感。遙感是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)對(duì)地觀測(cè)綜合性技術(shù)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，遙感技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，遙感技術(shù)的應(yīng)用也日趨廣泛。隨著遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步和遙感技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，未來(lái)的遙感技術(shù)將在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。關(guān)于遙感的科學(xué)含義通常有廣義和狹義兩種解釋:廣義的解釋:一切與目標(biāo)物不接觸的遠(yuǎn)距離探測(cè)。狹義的解釋:運(yùn)用現(xiàn)代光學(xué)、電子學(xué)探測(cè)儀器，不與目標(biāo)物相接觸，從遠(yuǎn)距離把目標(biāo)物的電磁波特性記錄下來(lái)，通過(guò)分析、解譯揭示出目標(biāo)物本身的特征、性質(zhì)及其變化規(guī)律。（二）系統(tǒng)的組成遙感是一門(mén)對(duì)地觀測(cè)綜合性技術(shù)，它的實(shí)現(xiàn)既需要一整套的技術(shù)裝備，又需要多種學(xué)科的參與和配合，因此實(shí)施遙感是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。根據(jù)遙感的定義，遙感系統(tǒng)主要由以下四大部分組成（參見(jiàn)下圖）:1、信息源信息源是遙感需要對(duì)其進(jìn)行探測(cè)的目標(biāo)物。任何目標(biāo)物都具有反射、吸收、透射及輻射電磁波的特性，當(dāng)目標(biāo)物與電磁波發(fā)生相互作用時(shí)會(huì)形成目標(biāo)物的電磁波特性，這就為遙感探測(cè)提供了獲取信息的依據(jù)。2、信息獲取信息獲取是指運(yùn)用遙感技術(shù)裝備接受、記錄目標(biāo)物電磁波特性的探測(cè)過(guò)程。信息獲取所采用的遙感技術(shù)裝備主要包括遙感平臺(tái)和傳感器。其中遙感平臺(tái)是用來(lái)搭載傳感器的運(yùn)載工具，常用的有氣球、飛機(jī)和人造衛(wèi)星等；傳感器是用來(lái)探測(cè)目標(biāo)物電磁波特性的儀器設(shè)備，常用的有照相機(jī)、掃描儀和成像雷達(dá)等。3、信息處理信息處理是指運(yùn)用光學(xué)儀器和計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)所獲取的遙感信息進(jìn)行校正、分析和解譯處理的技術(shù)過(guò)程。信息處理的作用是通過(guò)對(duì)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(cè)目標(biāo)物的影像特征，然后依據(jù)特征從遙感信息中識(shí)別并提取所需的有用信息。4、信息應(yīng)用信息應(yīng)用是指專(zhuān)業(yè)人員按不同的目的將遙感信息應(yīng)用于各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的使用過(guò)程。信息應(yīng)用的基本方法是將遙感信息作為地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，供人們對(duì)其進(jìn)行查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)和分析利用。遙感的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，最主要的應(yīng)用有:軍事、地質(zhì)礦產(chǎn)勘探、自然資源調(diào)查、地圖測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及城市建設(shè)和管理等。（三）遙感原理振動(dòng)的傳播稱(chēng)為波。電磁振動(dòng)的傳播是電磁波。電磁波的波段按波長(zhǎng)由短至長(zhǎng)可依次分為:-射線、X-射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、微波和無(wú)線電波。電磁波的波長(zhǎng)越短其穿透性越強(qiáng)。遙感探測(cè)所使用的電磁波波段是從紫外線、可見(jiàn)光、紅外線到微波的光譜段。太陽(yáng)作為電磁輻射源，它所發(fā)出的光也是一種電磁波。太陽(yáng)光從宇宙空間到達(dá)地球表面須穿過(guò)地球的大氣層。太陽(yáng)光在穿過(guò)大氣層時(shí)，會(huì)受到大氣層對(duì)太陽(yáng)光的吸收和散射影響，因而使透過(guò)大氣層的太陽(yáng)光能量受到衰減。但是大氣層對(duì)太陽(yáng)光的吸收和散射影響隨太陽(yáng)光的波長(zhǎng)而變化。通常把太陽(yáng)光透過(guò)大氣層時(shí)透過(guò)率較高的光譜段稱(chēng)為大氣窗口。大氣窗口的光譜段主要有:紫外、可見(jiàn)光和近紅外波段。地面上的任何物體（即目標(biāo)物），如大氣、土地、水體、植被和人工構(gòu)筑物等，在溫度高于絕對(duì)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(dāng)太陽(yáng)光從宇宙空間經(jīng)大氣層照射到地球表面時(shí)，地面上的物體就會(huì)對(duì)由太陽(yáng)光所構(gòu)成的電磁波產(chǎn)生反射和吸收。由于每一種物體的物理和化學(xué)特性以及入射光的波長(zhǎng)不同，因此它們對(duì)入射光的反射率也不同。各種物體對(duì)入射光反射的規(guī)律叫做物體的反射光譜。遙感探測(cè)正是將遙感儀器所接受到的目標(biāo)物的電磁波信息與物體的反射光譜相比較，從而可以對(duì)地面的物體進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)。這就是遙感所采用的基本原理。（四）遙感的分類(lèi)為了便于專(zhuān)業(yè)人員研究和應(yīng)用遙感技術(shù)，人們從不同的角度對(duì)遙感作如下分類(lèi):1、按搭載傳感器的遙感平臺(tái)分類(lèi)根據(jù)遙感探測(cè)所采用的遙感平臺(tái)不同可以將遙感分類(lèi)為:地面遙感，即把傳感器設(shè)置在地面平臺(tái)上，如車(chē)載、船載、手提、固定或活動(dòng)高架平臺(tái)等；航空遙感，即把傳感器設(shè)置在航空器上，如氣球、航模、飛機(jī)及其它航空器等；航天遙感，即把傳感器設(shè)置在航天器上，如人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間實(shí)驗(yàn)室等。2、按遙感探測(cè)的工作方式分類(lèi)根據(jù)遙感探測(cè)的工作方式不同可以將遙感分類(lèi)為:主動(dòng)式遙感，即由傳感器主動(dòng)地向被探測(cè)的目標(biāo)物發(fā)射一定波長(zhǎng)的電磁波，然后接受并記錄從目標(biāo)物反射回來(lái)的電磁波；被動(dòng)式遙感，即傳感器不向被探測(cè)的目標(biāo)物發(fā)射電磁波，而是直接接受并記錄目標(biāo)物反射太陽(yáng)輻射或目標(biāo)物自身發(fā)射的電磁波。3、按遙感探測(cè)的工作波段分類(lèi)根據(jù)遙感探測(cè)的工作波段不同可以將遙感分類(lèi)為:紫外遙感，其探測(cè)波段在0.30.38um之間；可見(jiàn)光，其探測(cè)波段在0.380.76um之間；紅外遙感，其探測(cè)波段在0.7614um之間；微波遙感，其探測(cè)波段在1mm1m之間；多光譜遙感，其探測(cè)波段在可見(jiàn)光與紅外波段范圍之內(nèi)，但又將這一波段范圍劃分成若干個(gè)窄波段來(lái)進(jìn)行探測(cè)。高光譜遙感是在紫外到中紅外波段范圍內(nèi)，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(lái)進(jìn)行探測(cè)。4、按遙感探測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)根據(jù)遙感探測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域，從宏觀研究角度可以將遙感分類(lèi)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(yīng)用角度可以將遙感分類(lèi)為:軍事遙感、地質(zhì)遙感、資源遙感、環(huán)境遙感、測(cè)繪遙感、氣象遙感、水文遙感、農(nóng)業(yè)遙感、林業(yè)遙感、漁業(yè)遙感、災(zāi)害遙感及城市遙感等。（五）遙感技術(shù)的特點(diǎn)遙感作為一門(mén)對(duì)地觀測(cè)綜合性技術(shù)，它的出現(xiàn)和發(fā)展既是人們認(rèn)識(shí)和探索自然界的客觀需要，更有其它技術(shù)手段與之無(wú)法比擬的特點(diǎn)。遙感技術(shù)的特點(diǎn)歸結(jié)起來(lái)主要有以下三個(gè)方面:1、探測(cè)范圍廣、采集數(shù)據(jù)快遙感探測(cè)能在較短的時(shí)間內(nèi)，從空中乃至宇宙空間對(duì)大范圍地區(qū)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，并從中獲取有價(jià)值的遙感數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)拓展了人們的視覺(jué)空間，為宏觀地掌握地面事物的現(xiàn)狀情況創(chuàng)造了極為有利的條件，同時(shí)也為宏觀地研究自然現(xiàn)象和規(guī)律提供了寶貴的第一手資料。這種先進(jìn)的技術(shù)手段與傳統(tǒng)的手工作業(yè)相比是不可替代的。2、能動(dòng)態(tài)反映地面事物的變化遙感探測(cè)能周期性、重復(fù)地對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，這有助于人們通過(guò)所獲取的遙感數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并動(dòng)態(tài)地跟蹤地球上許多事物的變化。同時(shí)，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(zāi)害、環(huán)境污染甚至軍事目標(biāo)等方面，遙感的運(yùn)用就顯得格外重要。3、獲取的數(shù)據(jù)具有綜合性遙感探測(cè)所獲取的是同一時(shí)段、覆蓋大范圍地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)綜合地展現(xiàn)了地球上許多自然與人文現(xiàn)象，宏觀地反映了地球上各種事物的形態(tài)與分布，真實(shí)地體現(xiàn)了地質(zhì)、地貌、土壤、植被、水文、人工構(gòu)筑物等地物的特征，全面地揭示了地理事物之間的關(guān)聯(lián)性。并且這些數(shù)據(jù)在時(shí)間上具有相同的現(xiàn)勢(shì)性。二、遙感的調(diào)查實(shí)踐（一）資料獲取上海市第三輪航空遙感調(diào)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(duì)上海全市范圍展開(kāi)調(diào)查。航空遙感調(diào)查的第一步是資料獲取。資料獲取是整個(gè)航空遙感調(diào)查的基礎(chǔ)性工作，其進(jìn)行的好壞將直接影響以后各項(xiàng)工作的質(zhì)量與效果。資料獲取的工作大致可分成四個(gè)階段來(lái)進(jìn)行:1、第一階段為前期工作，前期工作主要有：確定調(diào)查的時(shí)間、擬定調(diào)查的航線和完成航攝任務(wù)的招投標(biāo)。（1）確定調(diào)查的時(shí)間城市航空遙感調(diào)查的時(shí)間一般選擇在秋季或冬季。因?yàn)榍锛净蚨具@段時(shí)間，我國(guó)大部分地區(qū)通常晴好天氣較多，空氣能見(jiàn)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(diào)查中，針對(duì)大區(qū)域的大比例尺、完整覆蓋的航攝飛行來(lái)說(shuō)，其很難在一個(gè)較短的時(shí)期內(nèi)完成。因此需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r，選擇一個(gè)合適的時(shí)間段，來(lái)實(shí)施針對(duì)大區(qū)域的大比例尺、完整覆蓋的航攝飛行。根據(jù)氣象部門(mén)提供的氣象資料，表明調(diào)查當(dāng)時(shí)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(jiàn)度也高，經(jīng)過(guò)反復(fù)斟酌，我們把調(diào)查的時(shí)間段定在1999年12月至2000年5月。（2）擬定調(diào)查的航線擬定調(diào)查的航線首先要確定飛行的航向，其次要在有經(jīng)緯度的地圖上畫(huà)出詳細(xì)的飛行路線。飛行的航向一般是根據(jù)被調(diào)查地域的形狀來(lái)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(huà)詳細(xì)的飛行路線應(yīng)充分考慮航片的縱向重疊和旁向重疊。一般說(shuō)來(lái)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(diào)查按照市有關(guān)部門(mén)的要求，結(jié)合上海的實(shí)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(xì)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(shè)計(jì)，旁向重疊按30設(shè)計(jì)。這樣做不僅有利于航片的后期處理，也有利于測(cè)繪部門(mén)用航片來(lái)修測(cè)地形圖。（3）完成航攝任務(wù)的招投標(biāo)資料獲取的實(shí)質(zhì)性工作是要完成航攝任務(wù)。但作為遙感調(diào)查的業(yè)主單位，一般不具備這方面的條件和能力來(lái)承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)。因此，必須通過(guò)市場(chǎng)招投標(biāo)，選擇一家有儀器設(shè)備、有技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)化企業(yè)來(lái)完成此項(xiàng)任務(wù)。我們?cè)陂_(kāi)展航攝任務(wù)招投標(biāo)的過(guò)程中，首先是編制好航攝任務(wù)的招標(biāo)書(shū)。編制招標(biāo)書(shū)的關(guān)鍵是要明確航攝任務(wù)的技術(shù)要求，其中應(yīng)包括:航攝的時(shí)間、區(qū)域，航攝的比例尺、攝影種類(lèi)，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(jī)的規(guī)格，航攝膠片的規(guī)格，飛行器（飛機(jī)）上的必要裝備等。其次是進(jìn)行航攝任務(wù)的投標(biāo)、開(kāi)標(biāo)、評(píng)標(biāo)和商務(wù)談判。其中評(píng)標(biāo)是由我們業(yè)主選定的專(zhuān)家們對(duì)各投標(biāo)方的投標(biāo)書(shū)進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)，主要是評(píng)價(jià)各投標(biāo)書(shū)中提出的航攝實(shí)施方案是否真正滿足招標(biāo)方的航攝技術(shù)要求。在投標(biāo)方的實(shí)施方案能夠真正滿足招標(biāo)方的技術(shù)要求的前提下，再根據(jù)開(kāi)標(biāo)時(shí)投標(biāo)方的商務(wù)報(bào)價(jià)，按最低價(jià)中標(biāo)的原則確定中標(biāo)單位，然后業(yè)主和中標(biāo)單位通過(guò)商務(wù)談判最終簽訂項(xiàng)目合同。2、第二階段為航攝準(zhǔn)備，航攝準(zhǔn)備的主要工作有：檢查儀器設(shè)備及采購(gòu)材料、召開(kāi)航空遙感飛行協(xié)調(diào)會(huì)和進(jìn)行航攝試飛。（1）檢查儀器設(shè)備及采購(gòu)材料航攝準(zhǔn)備首先要對(duì)航攝的各種儀器設(shè)備作嚴(yán)格的檢查。檢查的內(nèi)容主要包括:飛行器及飛行器上的通訊與導(dǎo)航設(shè)備，航攝相機(jī)和航攝平臺(tái)。檢查的目的是要確保這些儀器設(shè)備能正常工作，并達(dá)到儀器設(shè)備本身所規(guī)定的性能指標(biāo)。其次是采購(gòu)有關(guān)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(zhì)量的遙感影像資料，目前這些材料仍需從國(guó)外進(jìn)口。要注意的是：由于從國(guó)外進(jìn)口這些材料得有一個(gè)周期，因此必須提前一段時(shí)間預(yù)先訂購(gòu)，并確保這些被訂購(gòu)的材料在正式實(shí)施航攝之前到貨。（2）召開(kāi)航空遙感飛行協(xié)調(diào)會(huì)召開(kāi)航空遙感飛行協(xié)調(diào)會(huì)是航攝準(zhǔn)備一項(xiàng)很重要的工作。召開(kāi)這個(gè)協(xié)調(diào)會(huì)就是把負(fù)責(zé)上海地區(qū)空中管制及參加本次航攝任務(wù)的各有關(guān)單位請(qǐng)來(lái)，圍繞本次遙感調(diào)查的航攝任務(wù)進(jìn)行充分地討論和協(xié)商，在參加會(huì)議的各方達(dá)成共識(shí)的基礎(chǔ)上，確定航攝飛行的管制方案，明確各自的保障任務(wù)和責(zé)任，最后將會(huì)議結(jié)果形成航空遙感飛行協(xié)調(diào)會(huì)會(huì)議紀(jì)要。該會(huì)議紀(jì)要應(yīng)就飛機(jī)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(diào)配和航攝飛行的管制等內(nèi)容作出具體規(guī)定，明確業(yè)務(wù)要求。會(huì)議紀(jì)要一旦形成，便成為各方執(zhí)行任務(wù)的行動(dòng)規(guī)范，參加會(huì)議的所有單位都必須嚴(yán)格遵守。（3）進(jìn)行航攝試飛航攝試飛也是航攝準(zhǔn)備的一項(xiàng)必要工作。在上述兩項(xiàng)工作均已順利完成的基礎(chǔ)上，便可開(kāi)始進(jìn)行航攝試飛。航攝試飛的主要任務(wù)是檢驗(yàn)航攝飛行的協(xié)調(diào)與配合、熟悉航攝區(qū)域的地理環(huán)境、校正航攝儀器和進(jìn)行航攝的試拍。其中檢驗(yàn)航攝飛行的協(xié)調(diào)與配合是檢驗(yàn)航攝人員在航攝飛行過(guò)程中，與氣象部門(mén)、空中管制部門(mén)和地面指揮塔的協(xié)調(diào)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(jī)平臺(tái)的基準(zhǔn)；進(jìn)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(jìn)行試拍。在結(jié)束航攝試飛后，要立即對(duì)以上的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決，以便為正式實(shí)施航攝創(chuàng)造良好的條件。3、第三階段為實(shí)施航攝，主要工作有:收集氣象資料、執(zhí)行航攝任務(wù)和監(jiān)控航攝質(zhì)量。（1）收集氣象資料收集氣象資料對(duì)實(shí)施航攝來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。為了確保航攝任務(wù)的順利實(shí)施，航攝人員必須與氣象部門(mén)保持密切聯(lián)絡(luò)，及時(shí)收集每一天、每一周的氣象預(yù)報(bào)，隨時(shí)掌握航攝期間的天氣情況及變化趨勢(shì)。同時(shí)，要根據(jù)所收集到的氣象資料，設(shè)計(jì)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(shí)間和區(qū)域。由于天氣狀況變幻莫測(cè)，因此在設(shè)計(jì)航攝飛行方案