遙感技術應用綜述

張治宇

[摘 要]以1957年蘇聯發射第一顆人造衛星成功為標志，人類成功地進入了空間探索的新紀元。其中依據電磁波理論的遙感技術，提供了一種全新的方法與思路，即通過收集、處理各種傳感儀器對遙遠目標的輻射和反射的電磁波信號，生成圖像從而觀測并識別地物。經過數十年的發展，遙感技術已經發展為一個較為完備的技術體系與理論體系，廣泛地應用于人們生產和生活的方方面面。本文將從遙感技術變化檢測應用、遙感技術在資源環境中的應用、遙感技術在氣象學中的應用、遙感技術應用的一般流程總結以及遙感技術存在的問題及展望這五個方面進行展開。

[關鍵詞]遙感應用；變化檢測；資源環境衛星氣象學一般流程

一、遙感技術變化檢測應用

1.1 遙感技術變化檢測應用綜述

從1972 年美國發射第一顆陸地資源衛星以來，對地觀測衛星發展迅速，應用領域得到不斷擴大，應用成效也得到不斷提高由于遙感觀測有著信息獲取方式優良，獲取條件相對簡單，實時性、高效性、廣域性以及其他諸多優點，因而如何從遙感觀測所供給的大量數據中提取變化信息，并將這些信息運用于生產生活的方方面面，已經成為目前遙感應用領域中一個亟待解決的問題。

為了解決上述問題，變化檢測技術應運而生。所謂變化檢測技術就是對不同時段的目標或現象狀態發生的變化進行識別、分析的計算機圖像處理系統，包括判斷目標是否發生變化、確定發生變化的區域、鑒別變化的類別、評價變化的時間和空間分布模式。在遙感技術幾十年的發展歷程中，變化檢測技術的研究成了各地專家學者研究的一個重要的課題。在計算機圖形學、空間探測技術以及其他與遙感有關的諸多領域蓬勃發展的帶動下，世界各地學者跨國、跨領域的交流合作下，基于遙感影像的變化檢測技術迎來了一個高速發展時期。然而就目前的技術與設備而言，目前所采用的任何一種變化檢測方法都具有其局限性。在下文中，我們將就各類方法的局限性與優越性進行討論，了解其特點與所適用的領域。

1.2主流變化檢測方法及優缺點

隨著數十年來各國學者跨學科跨領域的合作交流，遙感相關學科的蓬勃發展，作為土地覆蓋利用監測的關鍵技術的變化檢測方法日益繁多。可以將遙感影像的配準方式以及變化檢測的數據源作為劃分依據，將目前主流的變化檢測方法分為兩大類、七種方法。第一類是先進行圖像配準后變化檢測的方法；第二類是變化檢測與圖像配準同步進行的方法。或者，可以按照是否需要進行實現分類作為劃分依據，將變化檢測方法劃分為兩類：即直接比較變化檢測法、分類的變化檢測法。

二、遙感技術在資源環境中的應用

2.1遙感技術應用于資源環境監測中的必要性

自第一次工業革命以來，經濟發展與環境保護、資源開發和可持續發展之間的矛盾便已經存在，且受到世界經濟的不斷發展以及后續兩次工業革命的影響，人與自然、人與資源的矛盾日益加劇。如何處理與社會發展相共生的資源匱乏以及環境惡化，成為人們不得不面對的一個問題。然而一直以來，兩道天塹阻隔在資源環境問題處理的面前，即如何全面而快速地獲取資源環境變化信息，以及如何高效高精度的處理這些數據。直到20世紀60年代，隨著空間探測技術的發展以及大數據處理技術的日漸成熟，遙感技術進入了人們的視野之中。遙感技術以其觀測的廣域性、數據獲取的綜合性、資料采集與數據處理的高效性、處理結果的高精度性等優勢成了現如今，局部乃至全球資源環境數據獲取與處理的重要手段。

2.2遙感技術應用于資源環境的優越性

遙感技術對環境研究來說，其優越性可歸納為“高、遠、多”。

高，遙感影像從高空對地面目標進行觀測，所受的遮蔽少，視野開闊，觀測范圍大，鳥瞰全局，從而使遙感影像更加完備而全面的實現地面觀測。

遠，遙感技術能夠不直接接觸被測物體，遠距離的獲取地物的幾何與物理信息，對目標地物及其所處的環境不造成干擾，使得獲得的數據更加客觀可靠。

多，包括多點位、多譜段、多時相、多高度的遙感影像和“多次增強”的遙感信息。

總的來說，遙感技術應用于環境資源中，可以為用戶提供時空連續性的區域性同步信息。這些信息具有綜合性、系統性與同時性，而這也恰恰是遙感技術區別于其他技術，在資源環境中的應用所具有的優越性。

2.3遙感技術在資源環境中的發展趨勢

遙感影像獲取技術方面，隨著高性能新型傳感器的研制開發水平的提高以及環境資源遙感對高精度遙感數據要求的提高，高空間和高光譜分辨率已是衛星遙感影像獲取技術的總發展趨勢。遙感技術在資源環境中的應用主要呈現以下五個大的發展的趨勢：

2.3.1 遙感影像獲取技術蓬勃發展

2.3.2 數據處理系統呈現高速性、大容量性和高精度性的特點

2.3.3 4S技術（GIS、GPS、RS、ES）技術呈現集成化、一體化的發展趨勢

2.3.4 遙感信息模型與遙感信息處理方法的逐步發展完善

2.3.5 國家環境資源信息系統以及環境遙感應用系統的建立

可以預見的是，遙感技術在資源環境中的應用在未來的發展中，功能模塊集成化、技術科學化、數據處理智能化、檢測科學化等特點將更加明顯。隨著遙感技術以及相關學科的發展，在未來的生產生活中，遙感技術必將更加深入而廣泛地應用于資源環境資料的獲取與處理，以其獨特的優越性服務于生產生活。

3 遙感技術在氣象學中的應用

3.1遙感技術應用于氣象學的優越性與局限性

大氣遙感作為遙感技術數十年間發展最為迅速的新興學科，在大氣科學中一直發揮著重要作用，是現今氣象學的支柱學科之一。隨著氣象學的研究與發展，氣象學對全球范圍以及區域范圍的大氣特征的觀測越來越強調其時空連續性。且由于氣象學研究的主要對象無法直接接觸，或直接接觸難度大，遙感技術作為一種不直接接觸被測物體，即可獲得其物理幾何特性的觀測技術，顯示出了其獨特的魅力。另一方面大氣物理學、近代電磁學、計算機及其相關學科的發展，傳感器等硬件設施的完善，都進一步地推動了遙感技術在氣象學中應用的深度與廣度。

大氣遙感是利用遙感器傳感器所監測到的監測大氣結構、狀態及變化，不需要直接接觸目標而進行區域性的跟蹤測量，能夠快速地進行污染源的定點定位，從而獲得全面的綜合信息得一門遙感技術。安置在遙感平臺上的傳感器通過對大氣光譜特性的觀測，可以將無法由遙感手段直接得到的各氣體成分以及其他的各個物理量判讀出來。遙感技術所用的探測波段廣，可以根據不同大氣成分的電磁波譜特性，選用合適的波段進行監測。同時，由于遙感平臺上所搭載的傳感器對于各種波譜的探測寬度與靈敏性遠高于人眼，故可以探測到人眼無法識別的對象。遙感測量獲得的原始影像能夠給氣象學研究提供更多的原始數據，而遙感影像的后續處理則能將所獲取的大量數據轉化成有益于氣象研究的信息。

然而，受限于當前遙感技術的發展水平以及軟硬件設備的技術條件，遙感應用于氣象學中所獲得的衛星云圖分辨率有限，同時由于除觀測對象外其他大氣成分干擾，攝取的影響將會產生這樣或那樣的為誤差，嚴重的影響測量精度，降低了遙感影像所獲取的氣象學資料的可靠性。

3.2遙感技術應用于氣象學的幾個實例

3.2.1有害氣體的監測

有害氣體通常指人為或自然條件下產生的二氧化硫、氟化物、乙烯、煙霧等對生物有機體有害的氣體。但用遙感技術對大氣中的某一成分進行觀測時，我們往往不能直接對其進行觀測。但是，這并不意味著遙感技術不適用于該類觀測。我們可以利用所觀測成分特定的電磁光譜特性間接地監測該成分的分布以及變化情況；或者我們可以通過觀察這些不易直接觀測的成分對其他地物的影響，以達到對目標成分追蹤觀測的目的。比如地表硫化面，酸雨對植物的腐蝕情況等等。

3.2.2城市熱島效應監測

城市熱島效應是城市中的空氣溫度高于城市周圍郊區的溫度，故形成了從城市流向郊區的一種環流。與有害氣體監測相類似，城市熱島效應監測同樣采用了間接監測的手段。我們知道到，植被覆蓋率與植被覆蓋種類和城市熱島效應的影響范圍存在很強的相關性。通過比對城郊的植被變化，就可以得到城市熱島到效應的影響范圍。當然，我們也可以通過直接比較不同時相的遙感熱紅外影像直接得到城市熱島效應的日/年變化規律。

4 遙感技術應用的一般流程總結

遙感技術應用的一般流程：

隨著遙感技術應用領域的日益廣闊，各個學科與遙感技術的聯系逐漸加強，遙感技術的規范化、流程化成了大勢所趨。如何建立一個普遍適用的大體操作流程，成了我們現在急需解決的問題，筆者根據平時所學以及匯總眾多的資料，現提出自己的觀點。

4.1利用遙感平臺上的傳感器對目標地物進行觀測，實現數據的獲取與輸入。

4.2采集光譜特征，并依照光譜特征建立模型，并對模型進行評估，以此作為是否重建模型的依據。

4.3利用所建立的模型對采集到的數據進行處理，可分為三個流程：（1）建立數據處理流程；（2）選擇各個環節所采用的數據處理方法；（3）輸入所需處理數據并配置相關參數。

4.4獲取處理后的數據，并對數據進行后續處理。

5 存在的問題及展望

5.1存在的問題

遙感技術經過數十年的發展，已經成為一個十分完善的學科體系，應用于生產生活的方方面面。然而，在現階段的技術條件的限制下，遙感技術仍然需要面對一些技術上的挑戰。

首先是遙感技術發展的過程中，尺度與角度的問題。由于用不同空間分辨率獲取的圖像間沒有簡單的平均或平分對關系。[16]傳感器的分辨率與地物的輻射值并不滿足線性相關。同時，由于傳感器所接收到的輻射信號具有多源性和多時性，這就給數據的幾何配準帶來了不便。另一方面，雖然隨著人工智能與計算機圖形學技術的發展，遙感信息的提取效率越來越高。然而由于技術條件以及軟硬件條件的限制，遙感信息的自動提取仍然是我們急需解決的問題。最后，隨著時間維度的加入，遙感數據變得異常復雜。如何實現對四維數據進行同化，是我們不得不面對的問題。

5.2 對遙感未來的展望

遙感技術方興未艾，即使是發展到現在，仍然有著巨大的發展潛力。無論是空間探測技術的進步，還是傳感器的更新換代，都將極大地促進遙感技術的發展與繁榮。展望未來，我們可以發現遙感技術將呈現以下幾個特點：

5.21隨著傳感器的更新換代以及遙感技術更高精度的要求，衛星遙感將呈現高分辨率、高精度的發展趨勢。

5.2.2隨著雷達技術的發展與廣泛使用，各式雷達傳感器的廣泛使用，遙感技術走向全天候、全時段的新階段。

5.2.3熱紅外遙感技術的大力推廣使得遙感技術對于與地球表面熱量有關的地物及其變化的監測進入了一個新的高度。

5.2.4 4s技術的發展使得遙感技術呈現集成化一體化的趨勢。

5.2.5數字地球概念的提出，使得遙感技術與其他相關學科在全球層面上實現了一體化、系統化、聯系化，構成了一個有機的整體網絡。

結束語

自19世紀60年代遙感誕生之日起，數十年來，遙感技術在變換檢測、資源環境信息獲取與處理等諸多領域一直發揮著重要的作用。當然，任何技術都不是萬能的，都有其局限性。然而遙感技術盡管經過了數十年的發展，但其應用前景依舊廣闊。尤其是隨著深空探測技術、圖像處理技術、波譜分辨技術等相關領域學科的不斷發展推進，遙感技術更是展現出來前所未有的生機，筆者限于所學知識有限，無法對遙感技術進行更深層次的專業化討論，但我們相信，遙感技術的前景一定是務必廣闊的。

參考文獻：

[1]梅安新， 彭望， 秦其明， 等. 遙感導論[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]顧文俊，趙忠明， 王苓涓. 基于變化檢測技術的城區建筑變化目標提取 [J].計算機工程與應用，2004 （1）：198 200.

[3]吳芳，劉榮，田維春，曾政祥.遙感變化檢測技術及其應用綜述 [J] . 地理空間信息，2007，No.2604：57-60.

[4]吳芳，劉榮，田維春，曾政祥.遙感變化檢測技術及其應用綜述 [J] . 地理空間信息，2007，No.2604：57-60.

[5]施益強，陳崇成，陳玲. 遙感技術在環境資源中的應用進展與展望[J].國土資源遙感，2002，04：7-13.

[6]石麗娜，趙旭東，韓發. 遙感技術在環境監測中的應用和發展前景[J].貴州農業科學，2010，v.38；No.23401：175-178.

[7]陳海健.遙感技術在環境監測中的應用和發展前景[J].中國新技術新產品，2011，No.20313：6-7.

[8]劉紀遠主編.中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究〔C〕.北京：中國科學技術出版社， 1996.

[9]程立剛，王艷姣，王耀庭. 遙感技術在大氣環境監測中的應用綜述[J].中國環境監測，2005，05：17-23.

[10]呂達仁，王普才，邱金桓， 陶詩言. 大氣遙感與衛星氣象學研究的進展與回顧[J].大氣科學，2003，04：552-566.[11]曹國東. 遙感技術在大氣環境監測中的應用[J]. 內蒙古科技與經濟，2010，No.20907：57+59.

[12]劉紅，林昌虎， 何騰兵 . 遙感技術及其在環境科學領域中的應用 —— 以水環境和大氣環境為例 [A] . 貴州省土壤學會. 貴州省土壤學會2012年學術研討會論文集 [C] .貴州省土壤學會：，2012：6.

[13]張春利， 曹寶順. 遙感技術在農業氣象業務服務中的應用 [J]. 民營科技，2013，No.15603：68.

[14]李春雷. 基于云平臺的遙感業務流程研究及原型實現 [D] . 中國地質大學（北京），2013.

[15]汪承義， 趙忠明. 遙感影像流程化處理系統的設計與實現 [J] . 測繪科學，2006，06：105-106+88+7.

[16]宮鵬. 遙感科學與技術中的一些前沿問題[J]. 遙感學報，2009，v.1301：13-23.

[17]楊一鵬，韓福麗，王橋，蔣衛國. 衛星遙感技術在環境保護中的應用： 進展、問題及對策[J]. 地理與地理信息科學，2011，v.2706：84-89.