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

通信學(xué)論文-遙感的原理與實踐-以上海市第三輪航空遙感調(diào)查為例在人類即將告別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、詳細(xì)地記錄下來，建立相應(yīng)的遙感影像資料數(shù)據(jù)庫，并對這些數(shù)據(jù)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(wù)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(yuǎn)的感知”，時間長了人們將它簡譯為遙感。遙感是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門對地觀測綜合性技術(shù)。自20世紀(jì)80年代以來，遙感技術(shù)得到了長足的發(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，未來的遙感技術(shù)將在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。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。狹義的解釋:運用現(xiàn)代光學(xué)、電子學(xué)探測儀器，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，通過分析、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)的組成遙感是一門對地觀測綜合性技術(shù)，它的實現(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，因此實施遙感是一項復(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（參見下圖）:1、信息源信息源是遙感需要對其進(jìn)行探測的目標(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)生相互作用時會形成目標(biāo)物的電磁波特性，這就為遙感探測提供了獲取信息的依據(jù)。2、信息獲取信息獲取是指運用遙感技術(shù)裝備接受、記錄目標(biāo)物電磁波特性的探測過程。信息獲取所采用的遙感技術(shù)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(jī)和人造衛(wèi)星等；傳感器是用來探測目標(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用光學(xué)儀器和計算機(jī)設(shè)備對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(biāo)物的影像特征，然后依據(jù)特征從遙感信息中識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，供人們對其進(jìn)行查詢、統(tǒng)計和分析利用。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、地圖測繪、環(huán)境監(jiān)測以及城市建設(shè)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(qiáng)。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(dá)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(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)太陽光從宇宙空間經(jīng)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(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(biāo)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(jìn)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(yīng)用遙感技術(shù)，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(jù)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(shè)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(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、空間實驗室等。2、按遙感探測的工作方式分類根據(jù)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(biāo)物發(fā)射一定波長的電磁波，然后接受并記錄從目標(biāo)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(biāo)物發(fā)射電磁波，而是直接接受并記錄目標(biāo)物反射太陽輻射或目標(biāo)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(jù)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(nèi)，但又將這一波段范圍劃分成若干個窄波段來進(jìn)行探測。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)的波段來進(jìn)行探測。4、按遙感探測的應(yīng)用領(lǐng)域分類根據(jù)遙感探測的應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用角度可以將遙感分類為:軍事遙感、地質(zhì)遙感、資源遙感、環(huán)境遙感、測繪遙感、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)的特點遙感作為一門對地觀測綜合性技術(shù)，它的出現(xiàn)和發(fā)展既是人們認(rèn)識和探索自然界的客觀需要，更有其它技術(shù)手段與之無法比擬的特點。遙感技術(shù)的特點歸結(jié)起來主要有以下三個方面:1、探測范圍廣、采集數(shù)據(jù)快遙感探測能在較短的時間內(nèi)，從空中乃至宇宙空間對大范圍地區(qū)進(jìn)行對地觀測，并從中獲取有價值的遙感數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)拓展了人們的視覺空間，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、能動態(tài)反映地面事物的變化遙感探測能周期性、重復(fù)地對同一地區(qū)進(jìn)行對地觀測，這有助于人們通過所獲取的遙感數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)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(zāi)害、環(huán)境污染甚至軍事目標(biāo)等方面，遙感的運用就顯得格外重要。3、獲取的數(shù)據(jù)具有綜合性遙感探測所獲取的是同一時段、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)在時間上具有相同的現(xiàn)勢性。二、遙感的調(diào)查實踐（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上海全市范圍展開調(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工作的質(zhì)量與效果。資料獲取的工作大致可分成四個階段來進(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)查的時間城市航空遙感調(diào)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(diào)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(nèi)完成。因此需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r，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(jù)氣象部門提供的氣象資料，表明調(diào)查當(dāng)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(jīng)過反復(fù)斟酌，我們把調(diào)查的時間段定在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(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(diào)查按照市有關(guān)部門的要求，結(jié)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(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，旁向重疊按30設(shè)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(wù)的招投標(biāo)資料獲取的實質(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承擔(dān)這項任務(wù)。因此，必須通過市場招投標(biāo)，選擇一家有儀器設(shè)備、有技術(shù)經(jīng)驗的專業(yè)化企業(yè)來完成此項任務(wù)。我們在開展航攝任務(wù)招投標(biāo)的過程中，首先是編制好航攝任務(wù)的招標(biāo)書。編制招標(biāo)書的關(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(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)、開標(biāo)、評標(biāo)和商務(wù)談判。其中評標(biāo)是由我們業(yè)主選定的專家們對各投標(biāo)方的投標(biāo)書進(jìn)行技術(shù)評價，主要是評價各投標(biāo)書中提出的航攝實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)開標(biāo)時投標(biāo)方的商務(wù)報價，按最低價中標(biāo)的原則確定中標(biāo)單位，然后業(yè)主和中標(biāo)單位通過商務(wù)談判最終簽訂項目合同。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)備及采購材料、召開航空遙感飛行協(xié)調(diào)會和進(jìn)行航攝試飛。（1）檢查儀器設(shè)備及采購材料航攝準(zhǔn)備首先要對航攝的各種儀器設(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。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外進(jìn)口。要注意的是：由于從國外進(jìn)口這些材料得有一個周期，因此必須提前一段時間預(yù)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(xié)調(diào)會召開航空遙感飛行協(xié)調(diào)會是航攝準(zhǔn)備一項很重要的工作。召開這個協(xié)調(diào)會就是把負(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)單位請來，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，在參加會議的各方達(dá)成共識的基礎(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，最后將會議結(jié)果形成航空遙感飛行協(xié)調(diào)會會議紀(jì)要。該會議紀(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。會議紀(jì)要一旦形成，便成為各方執(zhí)行任務(wù)的行動規(guī)范，參加會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)備的一項必要工作。在上述兩項工作均已順利完成的基礎(chǔ)上，便可開始進(jìn)行航攝試飛。航攝試飛的主要任務(wù)是檢驗航攝飛行的協(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。其中檢驗航攝飛行的協(xié)調(diào)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(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，要立即對以上的試驗結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)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(wù)和監(jiān)控航攝質(zhì)量。（1）收集氣象資料收集氣象資料對實施航攝來說至關(guān)重要。為了確保航攝任務(wù)的順利實施，航攝人員必須與氣象部門保持密切聯(lián)絡(luò)，及時收集每一天、每一周的氣象預(yù)報，隨時掌握航攝期間的天氣情況及變化趨勢。同時，要根據(jù)所收集到的氣象資料，設(shè)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(shè)計航攝飛行方案