[科普中国]-航天器遥感

航天遥感的简史

早在19世纪中叶，就有人试验从气球上拍摄地面照片。

在两次世界大战期间，空中摄影被广泛用于军事侦察。

20世纪50年代，彩色、彩红外和多谱段摄影技术开始获得应用；

60年代，实用红外和多谱段扫描仪问世，成为军事侦察新手段。

70年代，高分辨率合成孔径雷达研制成功，并从军用扩展到民用。人造地球卫星的发射成功，出现了航天遥感技术（卫星遥感技术）。

1959年2月，美国开始发射以回收照片为主要手段的第一代遥感侦察卫星-“发现者”号，到80年代遥感侦察卫星已发展五代。3

航天遥感的系统遥感器—核心 如照相机、多谱段扫描仪、微波辐射计或合成孔径雷达等。

信息传输设备—工具。

图像处理设备—对遥感图像信息进行处理（几何校正、辐射校正、滤波等）

分类：可见光遥感、红外遥感、多谱段遥感、紫外遥感、微波遥感。4

数据信息采集基本形式1、宇航员操作：

2、卫星舱体回收；

3、通过扫描将图像转换为数字编码，传输到地面接收站，记录于高密度磁带并回放为图像。

4、卫星数据采集系统收集地球或其他行星、卫星上定位观测站发送的观测信号，中继传输到地面接收站。

数据搜集航天遥感应用中使用的数据基本有两种类型：遥感影像和数字图像

meris数据

landsat8数据

sar数据

Hyperion 数据源

STER

数据

常用波段组合地球资源卫星数据：MSS.TM.SPOT

321：真彩色合成，即3、2、1波段分别赋予红、绿、蓝色，则获得自然彩色合成图像，图像的色彩与原地区或景物的实际色彩一致，适合于非遥感应用专业人员使用。

432：标准假彩色合成，即4、3、2波段分别赋予红、绿、蓝色，获得图像植被成红色，由于突出表现了植被的特征，应用十分的广泛，而被称为标准假彩色。

451：信息量最丰富组合，TM图像的光波信息具有3~4维结构，其物理含义相当于亮度、绿度、热度和湿度

741：波段组合图像具有兼容中红外、近红外及可见光波段信息的优势，图面色彩丰富，层次感好，具有极为丰富的地质信息和地表环境信息；而且清晰度高，干扰信息少，地质可解译程度高，各种构造形迹(褶皱及断裂)显示清楚，不同类型的岩石区边界清晰，岩石地层单元的边界、特殊岩性的展布以及火山机构也显示清楚。

742：1992年，完成了桂东南金银矿成矿区遥感地质综合解译，利用1：10万TM7、4、2假彩色合成片进行解译，共解译出线性构造1615条，环形影像481处，并在总结了构造蚀变岩型、石英脉型、火山岩型典型矿床的遥感影像特征及成矿模式的基础上，对全区进厅成矿预测，圈定金银A类成矿远景区2处，B类4处，C类5处。为该区优选找矿靶区提供遥感依据。

743：我国利用美国的陆地卫星专题制图仪图像成功地监测了大兴安岭林火及灾后变化。这是因为TM7波段(2.08-2.35微米)对温度变化敏感；TM4、TM3波段则分别属于红外光、红光区，能反映植被的最佳波段，并有减少烟雾影响的功能；同时TM7、TM4、TM3(分别赋予红、绿、蓝色)的彩色合成图的色调接近自然彩色，故可通过TM743彩色合成图的分析来指挥林火蔓延与控制和灾后林木的恢复状况。

754：对不同时期湖泊水位的变化，也可采用不同波段，如用陆地卫星MSS7，MSS5，MSS4合成的标准假彩色图像中的蓝色、深蓝色等不同层次的颜色得以区别。从而可用作分析湖泊水位变化的地理规律。

541：XX开发区砂石矿遥感调查是通过对陆地卫星TM最佳波段组fefee7合的选择(TM5、TM4、TM1)以及航空、航天多种遥感资料的解译分析进行的，在初步解译查明调查区第四系地貌。例如把4、5两波段的赋色对调一下，即5、4、3分别赋予红、绿、蓝色，则获得近似自然彩色合成图像，适合于非遥感应用专业人员使用。5

特点与航空遥感相比，航天遥感具有以下特点：

视野较为开阔航天遥感的视野比航空遥感开阔得多，观察的地面范围大得多，可以发现地面大面积内宏观的、整体的特征；

效率较高在同样长的时间内，航天遥感的观察范围远远大于航空遥感。因此，航天遥感的效率比航空遥感高得多；

费用较为低廉人造地球卫星是最常用的航天平台，它发射上天后，可在空间轨道上自动运转数年，不需供给燃料和其它物资，因此，对于取得同样面积的地面资料而言，航天遥感的费用比航空遥感低廉的多；

可以进行周期性、重复性观测航天遥感可以对地球进行周期性的、重复的观察，这极有利于对地球的资源、环境、灾害实行动态监测；

地面分辨率较小由于航天平台远远大于航空平台的航高，航天遥感的地面分辨率逊于航空遥感的地面分辨率，航天遥感数据对地面细部的表现力差，但对整体的、宏观的表现较好。

小贴士：遥感，按照遥感平台高度的不同，分为：航天遥感，航空遥感，近地面遥感。6

应用航天遥感已用于军事领域。

1、侦察、预警、测地、气象等。

2、如利用航天器上的遥感器获取侦察情报，是现代战略侦察的主要手段。

3、通过卫星上的红外遥感器感测洲际或潜地弹道导弹喷出火焰中的红外辐射，以探测和跟踪

导弹的发射和飞行，争取到比远程预警雷达系统长得多的预警时间等。1

例如遥感卫星也称地球观测卫星，是航天遥感平台的一种主要类型，目前我们所应用的航天遥感资料多数是遥感卫星搭载的传感器获取

遥感卫星的姿态

遥感卫星在太空中飞行时由于受多种因素的影响，其姿态是不断变化的，这使得它所搭载的传感器在获取地表资料时不能始终保持设定的理想状态，这对图像数据有很大的影响。为了修正这些影响，在获取遥感数据的同时，必须测量、记录遥感卫星的姿态数据。一般来说，遥感卫星的姿态变化可以分为以下两种：

1、三轴倾斜 三轴倾斜是指遥感卫星在飞行的过程中发生的滚动、俯仰与偏航现象。滚动是一种横向摇摆，俯仰是一种纵向摇摆，偏航则是指遥感卫星在飞行过程中偏移运行轨道。

2、振动 振动是指遥感卫星运行过程中除滚动、俯仰与偏航以外的非系统性的不稳定振动，一般变化很快。 遥感卫星运行中的姿态对其所获取的数据有很大影响。在使用摄影机的情况下，因为拍摄的是瞬时图像，在一张图像内上述原因引起的失真并不是很大的问题，但在扫描成图的情况下，位置、倾斜的 时间性变化对扫描图像有很大的影响。为此必须在平台上姿态测量传感器和记录仪。在遥感卫星上，由于位置及三轴倾斜等的时间变化缓慢，可以表示成时间的函数，在提高测量精度的同时可以取得用于几何校正的足够数据。为了保证扫描图像的精度，需要卫星姿态相对稳定，卫星采用X、Y、Z三轴自动定向控制卫星姿态。7

现状和发展方向航天器遥感技术为了获取目标/景物更多信息，需要遥感系统探测更宽谱段范围、更高谱分辨率、更高/多种空间分辨率、更高辐射分辨率，进行多极化/多视角/多方向/多时相/多模式观测等。

1）更宽谱段范围：目前，航天遥感器的工作谱段几乎覆盖从微波至γ射线的整个电磁波谱段范围。

2）更高谱分辨率

3）更高/多种空间分辨率：航天遥感系统提供的空间分辨率越来越高，同一颗遥感卫星同时提供多种空间分辨率数据的情况也在增加。

4）更高辐射分辨率：辐射分辨率用于表示遥感系统对辐射量变化的能辨力，其表征量为NE△ 约为0.1%，NE△T约为0.1K，△ 约为0.3dB。系统SNR是决定辐射分辨率的重要因素，为保证在需要的动态范围内，辐射分辨率不受的损失，需要有足够的A/D量化位数。

5）多极化/多视角/多方向/多时间/多模式观测：目前，许多航天微波遥感器，不仅是SAR，还包括微波辐射计都采用了多极化工作方式，前者如先进SAR、Cosmo-Skymed-1、X-SAR和TerraSAR，后者如气象卫星（NPOESS）的CMIS。对于多视角观测，一般来说，SAR都可以实现多视角观测，弹不是同事完成，而EOS-Terra卫星的多视角成像光谱仪（Multi-an-gle Imaging SpectroRadiometer，MISR）可同时实现9个视角观测。多方向/多时相观测与卫星轨道和平台特性密切相关，现在许多航天任务中都可以实现。多模式包括多频段、多分辨率、多极化、多视角等，同时还包括干涉成像和动目标检测等。近年来，SAR的干涉成像和动目标检测也有发展

6）发展方向：今后各种分辨率将进一步提高；工作模式更多样化；遥感器工作进一步智能化。其关键技术涉及光学系统、探测器、制冷、微波系统、器件、天线，及软件设计。

7）快速机动

8）测量精度更加准确

9）遥感数据压缩/解压缩性能：传输系统的码速率和频带利用率不断提高，储存空间增大

10）航天遥感数据处理：地面系统的遥感数据处理设备主要负责遥感数据的几何校正和辐射校正，同时可以实现遥感数据（图像）质量的提升。

11)MTF补偿：即MTFC，是航天遥感图像数据处理的重要内容，利于提高遥感图像质量，国外于20世纪90年代已广泛采用。

12）面向任务的图像质量评价：属于直接评价。美国标准（Nation-al Imagery Interpretability Rating Scales，NIIRS）

基于成像系统性能的图像质量评价：间接评价。主要沿用地面系统距离（GSD）、MTF和信噪比（SNR）、MTF×SNR表征图像质量的方法。

基于图像统计特征质量评价：有均值、方差、灰度共生矩阵、角二阶矩、信息熵、功率谱等。这些参数是将图像作为二阶矩阵，对各个元素进行不同统计计算的结果。

遥感图像质量差异评价：

13）进一步开发各种仿真工具（设计仿真、应用仿真、顶层设计）

14）遥感机理研究：电磁波与问题相互作用研究

15）定量遥感相关：方向性/尺度效应与尺度转换/反演模型与应用模型连接/同物异谱与同谱异物/混合像元等

16）压缩感知理论研究/Shannon采样定理扩展研究8