[科普中国]-遥感信息系统

遥感

遥感是非接触的、远距离的探测技术，一般指使用空间运载工具和现代化的电子、光学探测仪器，探测远距离研究对象，并根据探测到的信息对研究对象的性质、特征和状态进行分析的理论、方法和应用的科学技术。1

特点遥感主要具有以下特点：

（1）感测范围大，具有综合和宏观的特点；

（2）信息量巨大、多视角、技术先进；

（3）速度快、周期短，具有动态监测的特点；

（4）用途广、效率高。2

分类遥感的分类方式有很多种。

（1）按遥感工作平台的不同，可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感；

（2）按电磁波的波段分类，可分为红外遥感、微波遥感和可见光遥感；

（3）按遥感应用的不同．可分为林业遥感、农业遥感、海洋遥感、环境遥感、地质遥感等。2

研究内容遥感信息系统需要研究地物波谱、影像波谱以及两者之间的关系；卫星遥感的数据、图像、波谱以及三者之间的关系；非遥感数据归一化形成的图像与“波谱”；非遥感数据与遥感数据的融合问题。3

地物波谱与影像波谱第二次世界大战后，随着半导体技术的发展，苏联和美国两个超级大国在军事上开始研究地物的反射波谱和发射波谱，主要是为了给地面军事伪装提供根据，同时为航空相片的判断提供依旧。卫星遥感最早也是为了揭露军事伪装而设计的，因此开始的遥感影像就是根据地物波普特征设计的多波段遥感传感器。1978年，西德慕尼黑大学已经为美国NASA选择了1.55~1.75μm和2.08~2.335μm两个波段，即后来Landsat TM5、TM7所使用的波段。随着半导体技术的快速发展，遥感传感器的制造有了长足的进步，21世纪初，美国发射的替代陆地卫星Landsat的EO-1卫星上的Hype日欧尼传感器已经是220波段了，因此地物波谱的重要性逐渐被影像波谱所代替。

（1）地物波谱。从紫外线（0.30~0.38μm）到可见光（0.38~0.76μm）、近红外（0.76~2.50μm）的反射波谱，中红外（3.0~5.0μm）、热红外（8.0~14.0μm）的发射波谱，连续地可测出地物的波谱，波段以及波段间隔可以达到纳米级的水平，微波可分毫米波、厘米波、分米波等可以测出被动或者主动的离散波谱。在20世纪70~80年代国内外发表的发射波谱论文较多，90年代随着高光谱遥感与微波遥感的发展，反射、发射、散射波谱都有研究。地址波谱在早期对于设计遥感传感器是有意义的，对于目视解译也是有贡献的，随着传感器的发展，直接从卫星的高度测量像元的地物波谱，更具有意义。

（2）影像波谱。可见光、近红外、中红外、热红外的传感器使用半导体扫描仪或者CCD器件；微波传感器使用波导以及天线设备。EO-1/Hyperion遥感传感器共有220个波段。影响波谱具有三个坐标轴，一个是灰度坐标，0~255归一化数据；一个是波段坐标，1~220波段，从可见光到近红外；一个是时间坐标，如果收集每天的数据，则为1~365天。不同的地物在不同的时间、不同的波段上有不同的灰度值，影像波谱的研究，国内外的论文较少。

（3）地物波谱和影像波谱之间的关系。地物波谱和影像波谱之间的差别主要是受到大气的影响。地物波谱在离地面1.5~20m的高度测试得到；而影像波谱大约在近1000km的高度上测得的，是经过功能放大以后，再归一化得到的。1000km的大气由吸收、反射、透射、折射等影响，因此地物波谱与影像波谱之间的差别，主要是为大气的影响。另一方面，地物波谱一般为连续波谱，影像波谱是离散波谱。3

影像数据中的数图谱在一瞬间获得的遥感影像，具有数据（灰度）、图像（像元）、波段（光谱）三个基本参数，从而构成遥感影像的数、图、谱的研究。

（1）灰度数据。在近1000km高空的卫星上，遥感传感器中的探测元件所测得的反射、发射、后向散射的物理量，能量非常之小，必须经过功放才能被记录，而且功放的方式随着可分辨的程度，可以进行线性功放或者非线性功放。记录的连续性物理量经过随时间、空间的采样，形成离散的、归一的灰度值，在最大与最小的物理量之间，内插数据，一般线性内插的公式为：

其中，为像元（i，j）（其中i 表示行像元，j 代表列像元）的灰度，p为反射率，、、分别为反射率的极大值、极小值、像元（i，j）的反射率。由上式计算的归一化灰度值，介于0~255之间。图像中每一个像元都有介于0~255之间的灰度值。

（2）波段灰度。同时成像的传感器，由于探测元件半导体的相同与不同，像元位置、大小有相同与不同两种不同的情况。一般而言，可见光波段、近红外波段的探测元件是相同的，那么不同波段的像元位置与大小是相同与相等的，仅仅是不同波段的探测元件不同，则像元的位置与大小就是不同与不等的，遇到像元位置与大小不同与不等时，需要进行图像处理，将两种不同像元位置与大小的影像融合成相同位置与相等大小的影像，即图像像元的配准与分割。对新配准与分割的图像需要重新赋予按照地物波谱特征规律的灰度值。

（3）图像变化。由不同灰度构成的影像，灰度随着空间是变化的，灰度在空间上的梯度，即为纹理的强度，纹理强度在空间上的梯度，即为纹理密度。除了灰度图像外，可以计算影像的纹理强度图像和纹理密度图像，这就是图像的变化。

分波段的灰度影像、纹理强度影像、纹理密度影像是遥感影像中最基本的图像，地物在这些影像上的特征，就是识别、分类、解译、提取的根据。一般的遥感图像处理方法，只利用了各个波段的灰度，没有充分使用纹理强度和纹理密度的影像，使得自动分类裹足不前。3

归一化的非遥感数据单一地使用遥感数据，往往那个不能解决地理现象的规律性问题，还要辅助以各种地面实测数据和野外路线考察的资料。为此，必须考率是否能够将非遥感数据归一化成影像数据，使得非遥感数据也能够参与影像数据的计算。

数字高程模型是使用最早的非遥感像元数据，将地形图的等值线进一步加密，内插高程数据，使得每一个网格中都有高程数据，当高程网格加密到于遥感影像像元一样时，就变成非遥感成像的数字高程图像了。3

遥感非遥感数据融合遥感数据与非遥感数据的融合主要分为两个部分，一部分是几何配准的问题，另一部分是属性之间的关系问题。

（1）几何配准。遥感与非遥感数据之间，关键在于像元的配准，像元配准包括两类，一类是位置配准，另一类是大小配准。位置配准的方法是以数字高程模型为标准，将遥感与非遥感数据都与数字高程模型配准，存在数字高程模型的精度、准确度以及不同比例尺的数字高程模型之间的转化问题。像元大小，或者说是网格大小的配准，主要是计算像元或网格大小之间的比例，最简单的方法是根据研究的需要，一律进行重新采样，无论是遥感影像，还是非遥感地理属性图像，在重新采样的过程中配准。

（2）属性融合。地理属性之间的关系也分为两类，一类是简单性关系，一类是复杂性关系。地理属性之间的简单性关系，就是遥感波段与波段之间、遥感与非遥感之间的叠加、组合、分类等，这是一般遥感图像处理软件已经具备的功能。地理属性之间的复杂性关系，所谓独立地理因素是相对的，地理因素与因素之间不仅仅具有两两关系，常常是牵一发而动全身，多因素互相牵动，因此属性融合是要靠地理复杂模型来解决的。在遥感图像处理中，属性融合的软件，主要是准备好各种数学的运算功能，例如加、减、乘、除、乘方、开方、对数、量纲分析等。3

相关软件的要求遥感信息系统的软件主要是处理图像的软件。为了与地理信息系统接口，图像与图形之间的转化也是该软件所应该具备的功能。遥感信息系统的软件需具备以下四个层次：

系统和子系统根据专业用户的需求，应该设计专用的遥感图像系统，这种专用的遥感图像系统的效率高、成本低。在遥感信息系统中，用户面对的是遥感影像系统与子系统，因此在设计遥感影像系统与子系统时，必须以用户的需求为目标，进行既能满足用户需求，又不冗余的软件。这个系统包括10个子系统：

（1）输入输出子系统；

（2）遥感影像预处理子系统；

（3）非遥感影像预处理子系统；

（4）遥感与非遥感数据融合子系统；

（5）分类子系统；

（6）解译子系统；

（7）提取子系统；

（8）模型子系统；

（9）制图子系统；

（10）图例子系统。3

模块库针对上述10个子系统，以及各个子系统之间的关系，首当其冲的模块是界面与接口模块；遥感影像的预处理包括几何校正、影像增强、影像配准；非遥感数据的预处理包括数据影像化、影像配准；遥感与非遥感数据融合，主要也都是配准；分类包括监督分类与非监督分类；解译包括人机界面与先验知识的增加、删除与修改；属性提取需要抽取、属性叠合；模型需要量纲分析、模型计算；制图与图例需要色彩平衡、图例设计模块。因此遥感图像模块库共有14个模块，根据用户需求不同，子系统不同，所需要的模块也是不同的。14个模块为：

（1）界面接口模块；

（2）几何校正模块；

（3）影像增强模块；

（4）数据影像化模块；

（5）影响配准模块；

（6）监督分类模块；

（7）非监督分类模块；

（8）先验知识模块；

（9）属性抽取模块；

（10）属性叠合模块；

（11）量纲分析模块；

（12）模型计算模块；

（13）色彩平衡模块；

（14）图例设计模块。

以上这14个模块是独立的，在组成子系统时，可以重复使用。3

组件库模块是由组件构成的，遥感图像组件库中的组件是独立的，模块的构成，可使用相同的几个组件，或者不同的几个组件。若组件多次被模块调用，模块又多次被子系统调用，则软件是冗余的。但是从底层独立软件来看，逻辑与层次是清楚的，而且从函数与文件来看，是软件的最小公倍数，软件又是最节省的。组件库最大的优点就是，在调用软件时，因为逻辑合理，不会冲突，不会死机。3

综合函数库与文件库组件是由遥感图像综合函数库与文件库中的函数与文件构成的，函数与文件更是唯一的、独立的。综合文件、文件库与组件库是开发研究人员的软件资源。3