§114遥感技术应用

§11.4遥感技术应用
一、遥感在海洋生态中的应用
海洋遥感技术的开发始于第二次世界大战，最早是用于河口海岸制图和近海水深
测量，随后在海洋环境监测、近海海洋调查、海岸带制图与资源勘测等方面开展了广
泛的应用。1960年美国发射了世界上第一颗气象卫星“泰罗斯-1”号，在获取气象资料
的同时，获得了无云海区的海面温度场资料，人类首次将卫星资料应用于海洋学研
究。随后的40年来，海洋遥感大致经历了三个阶段：第一阶段 (1970年
~
微波辐射计
测海洋温度 1 0
~
3 0℃
测海面风速 0
~
2 0 m/s
测海水盐度
测海面、湖面油污染
测海冰厚度、面积、冰山、冰龄
测雪覆盖面积、贮量
测大气温度、云中水含量
大气剖面、雷暴台风活动
寻找矿藏、植被分类
海岸带测量、测土壤湿度
导弹制导、发现水下潜艇等
特殊微量气体的检测
1. 0
~
1. 4℃
±1.5
~
2m/s
± 0 . 4%

15%



微波高度计


海面风速 0
~
1 0 m/s
海面高度
海面浪高
海流方向
海流速度
海波方向
2 m/s
1 0 cm
1 0 %
1 0°
5cm/ s
1 0°


微波散射计

海面风速 4
~
2 6 m/s
海面风向 0
~
3 6 0°
陆地各种地物、区域雷达散射系数、为军事攻击、
反攻击服务
1.3 m/s
1 6°



合成孔径侧视雷
达
海流、海波、海高图
海冰方向图
地形图 (尤其森林地区 )
寻找沙漠水源、考古、探矿
洪水监测、海上油污染监测
军事侦察、地质结构制图
土地利用、植被分类
分辨率2
~
30m

利用遥感手段对海洋生
态的监测与研究，主要
是利用水体中的物质，
特别是能进行光合作用
的飘浮有机物质（如浮
游植物）、无机颗粒物
与入射光相互作用而产
生水色变化来进行工作
的。由于浮游植物中的
叶绿素对蓝光、红光有
较强的吸收作用，可用
来推算水体中的叶绿素
分布情况。此外，有
机、无机颗粒物质可吸
收入射光，影响水体的
透明度。美国、日本和
欧共体等国较早地开展
了海洋遥感工作，为海
洋初级生产力的研究、
全球变化、水色监测、
渔业资源的管理发挥了
巨大作用。
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1997年美国NASA发射升空了Seastar卫星，其携带的传感器有8个波段，星下点空间
分辨率为1.1公里，两天覆盖一遍地球，是当前进行宏观尺度海洋水色监测与管理的
有效工具。根据其传感器的设计特征，结合遥感信息模型，可对近海进行如下的常规
监测工作：
1)近海海域水体中叶绿素(Chlorophyll)浓度分布估算
2)近海海域水体浊度(Turbidity)监测
3)可溶性有机物CDOM(Colored Dissolved Organic Matters)估算
4)海水表层温度SST(Sea Surface Temperature)分布估算此外，还可进行赤潮预警、
赤潮分布与变化、石油污染等方面的监测工作。对于中、小尺度的湖泊（海湾）生态
监测，可利用多光谱传感器获取资料并结合地面实测数据及生态指标，建立遥感信息
模型，从而对其生态状况进行深入研究。如我国利用陆地卫星TM数据对太湖进行了
叶绿素分布监测研究，同时结合污染指标，还进行了太湖富营养化机理的探讨工作。
由于遥感技术具有快速、同步、大范围实时获取海洋资料的能力，因此遥感技术
已在海洋学研究的各个方面广为应用，并对内波、中尺度涡旋、大洋潮汐、极地海水
观测、海气相互作用等领域的研究获得了新的进展，如利用遥感图像直接测量出中尺
度涡旋的位置和水平尺度，进行时间序列分析和动力学研究等。
海洋事业是国家国民经济和社会发展的重要组成部分，在加大海洋开发力度的同
时，必须加强海洋生物资源的养护，防治海洋污染，保护海洋生态环境。我国将于
2002年发射第一颗用于观察监测海洋环境的海洋水色卫星，旨在运用先进的卫星遥感
技术观察监测海洋环境，促进渔业资源的开发和海洋环境的保护。
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二、遥感在地质灾害中的应用
遥感技术在以下几方面做深入研究，将会对地质灾害的预测、监测和调查起积
极作用：
1）加强对地震前兆的遥感技术监测,使其有可能成为地震短临预报的一种手段。
2）加强滑坡、崩塌、泥石流、活动性构造等电磁波谱特征及其与遥感信息相关
关系研究，并建立其识别模式。
3）利用各类遥感资料建立起地质环境及灾害的地理信息系统。未来遥感技术对
地质灾害的研究将更趋向于使用多种卫星系统，并辅以航空、地面等多层次的监测体
系，采用可见光、红外、微波等多遥感波段，进行多时相、全天候的连续观测，在减
轻地质灾害中发挥更大作用，取得更明显的社会与经济效益
当今地震灾害遥感的理论研究和实际应用均取得了许多重要成果，卫星传感器
可从空间接收一些地震活动带辐射的电磁波，并根据这些辐射信息进行地震报警，特
别是利用卫星热红外技术进行地震短临预报拥有其独特的优势，是一种卓有成效的方
法。例如，1997年3月日本的伊豆半岛群震引起了世界科学家的关注，利用遥感数据
进行此次地震预报的时间、地点和震级都与实际发生情况相符；此外，中国国家地震
局在1998年3月发现唐山地区的卫星热红外图像增温异常，后经连续观测，成功预报
了4月发生在唐山的4.7级地震（图11.1）。遥感图像在每一次特定地震预报中的应用
是有限的，但在地震灾害的分析中却得到了广泛的应用。它可以评价地震产生的地质
背景、地理分布和强度，对从卫星影像上提取到的活动性线性构造及环形构造信息进
行分析，并与实地调查相结合，从构造的规模、活动程度及与其它构造的交接关系等
方面来识别地震发生的可能性及危险程度，是目前较常使用的一种遥感地震分析方法
。一次强烈地质灾害的发生给人民生命财产带来极大的损失，需要及时了解灾害的破
坏情况，准确评估灾害造成的损失。国内外大震后大多利用卫星实时收录地震灾情，
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近年来逐渐采用震后航空遥感方法进行调查。这种由卫星和航空遥感收录的图像对于
地震损失的正确评估和裂度的实际划分具有权威性，同时也为地震发生的地质构造因
素分析提供了极其重要的资料。
2、其它地质灾害： 滑坡、崩塌、泥石流的分布不仅与岩性有关，而且和断层线、
褶曲轴部、节理裂隙带等构造有关。在遥感图像上可以看到，滑坡、崩塌、泥石流常
沿这些线性构造密集带或环形构造边缘呈线状或带状分布，且三者一般发生在由不稳
定物质覆盖的地区，所以要通过遥感或其它方法预测每一次滑坡、崩塌、泥石流的发
生是相当困难的。但是可以通过对不同时相的遥感资料的对比分析，预测易于发生这
些灾害的不稳定地区，或对已发生灾害的地区进行详查分析。航空立体像对(黑白、标
准彩色、彩红外)已经广泛用于识别滑坡、崩塌、泥石流和易于发生这些灾害的地带；
卫星、雷达和侧向扫描测距系统也扩展了在这些方面的能力。在实际应用中多采用航
片、卫片相结合的使用方法，即对滑坡、崩塌、泥石流个体的调查采用不同时相的航
片进行室内判读和野外验证，对其发生的地质背景采用卫片判读。通过航片上显示的
崩塌、滑坡的后壁、侧壁、堆积体、裂缝、凹地等要素识别崩塌、滑坡的类型，圈定
其边界，确定其规模，并估计其活动状态及其周围地质地貌环境与邻近滑坡、崩塌的
关系等。航片上崩塌、滑坡较易识别，特别是滑坡体，因为它总比四周稳定山坡要低
，这使得滑坡的灰阶与稳定山体之间有一定色差，尤其沿滑坡周界会有一个与滑坡平
面特征相似的深色色环，从而较好地显示了滑坡的存在。泥石流的解译主要根据航空
图像上的堆积扇及流域的形态、规模、色调加以识别，并转绘到地形图上，计算流域
及堆积扇面积、主沟道长度、比降等。使用1∶6万或更大比例尺的彩红外航片，解译
精度可达90%以上。
此外，通过遥感图像上对影响泥石流沟形成和发展的地面因素的解译，对泥石流沟
活动严重程度也进行了定性和定量相结合的综合评判。近些年来，我国对滑坡、崩塌
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和泥石流进行了遥感调查工作，如在三峡特大型水利工程研究中，地矿部担负了区域
的构造研究，滑坡、泥石流分布和水库淹没损失等3项课题，受到有关方面的高度重视
，应用遥感技术圈出了280余处滑坡崩塌体，编制了“长江滑坡、崩塌图集”，成为该地
区重要的地质基础资料。实践证明，遥感技术在高山深谷地区的地质灾害调查中显示
了巨大的优越性，其调查费用仅为传统调查方法的几十分之一，并节省了70%的野外
工作。现代遥感技术和航天技术在地质灾害的研究中具有不可替代的优势，并正在从
定性化研究逐渐向定量化研究方向发展。
三、遥感在军事中的应用
军事中的应用可概括为：军事情报获取（Information），目标定位和识别（
Targeting），地形分析（Terrain Analysis），制图（Mapping），作战任务规划（
Mission Planning）和指挥控制（Command & Control）；遥感与军事地理信息系统（
MGIS）、全球定位系统(GPS)的结合，在军事信息保障和指挥决策中发挥着重要作用
。从空间遥感图像来看，遥感卫星和其它一些空间飞行器在军事侦察中发挥着重要作
用。军事行动在许多情况下是利用夜晚和恶劣的气候条件进行，这样常规的可见光摄
影已无法满足侦察的需要，而红外及微波传感器的适应能力很强，如热红外扫描仪能
日夜成像，侧视雷达和微波扫描仪能穿透云雾，具有全天候的工作能力，这在军事上
意义重大。现代遥感技术能有效地揭露军事伪装，常见的军事伪装有：在战备油库上
，使用黄色和绿色间隔油漆不规则的多边形，使其与麦田或稻田混淆。由于油漆与农
作物在近红外部分反射率相差很大，因此使用多光谱合成的假彩色像片能区分这两类
地物。多光谱图像还能帮助提取地形和地物要素；红外摄影具有一定的识别伪装能力
，这种红外效应对于大面积的伪装、施工前后的新土和旧土都有一定的识别能力。热
红外图像用于识别伪装中的或夜晚已发动的各种军车、舰艇、飞机甚至导弹发射井等
十分有效。美国宇航局常把接收到的红外图像信息，经处理后直接送给三军和
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中央情报局。另外利用微波图像也能揭开丛林的掩盖，发现军事目标。
世界强国出于军事和政治上的需要，大力发展空间遥感技术，侦察与监视卫星是军
事航天的一个发展重点。据蒂尔集团提供的资料，预计在1999
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2008年间全世界将发
射大约308颗军用卫星，其总价值约为351亿美元（不包括发射费用）。其中侦察与
监视卫星在各类卫星中所占比例最大，卫星数量和价值分别占整个军用卫星市场的
27%和47%。此外，空间成像、轨道图像和地球观测这三大美国私营公司相继发射了
军用卫星级的商业遥感卫星，如IKONOS卫星的黑白图像分辨率高达1米，彩色图像
分辨率为4米。澳大利亚政府一直在研究满足2005年之前的军事需求的各种方案，并
打算拥有自己的军用通信卫星。铱系统是世界上第一个基于庞大卫星星座的个人通
信网络，已于1998年完成组网并投入商业运营。其全球无缝覆盖的独特优势和特殊
的性能服务，不仅在商业电信领域引起重视，同时也引起了世界各国军方的普遍关
注，并正在发掘其可能的军事用途，一批军方部门已陆续加入到用户行列。另外，
英国国家遥感中心应用SPOT图像与军事地理信息系统（MGIS）结合，模拟敌方的
三维地形，对军方飞行员进行模拟训练，取得了较好的效果。军事地理信息系统中
的数据应具有动态性，利用遥感图像处理技术可以快速更新MGIS数据，其方法、步
骤如图11.2所示。海湾战争的实践表明，利用RS技术与MGIS技术相结合，将大大增
强MGIS的空间分析能力，为实战提供实时的地理信息保障。
四、高光谱遥感在植被监测中的应用
高光谱遥感是一门正在兴起的、极具发展潜力的集新型探测器技术、精密光学
机械、高速信号处理技术、计算机信息处理技术为一体的多学科交叉综合性应用技
术。它将传统遥感的成像技术和物理中的光谱分析技术有机地结合在一起，在探测
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物体空间特征的同时对每个空间象元色散形成几十个或几百个窄波段（通常波段
宽度<10nm）连续光谱信息（图11.3）。它的出现就象给人类配上了一幅观测地球
和太空的神眼，在遥感领域开创了崭新的应用前景。
由于高光谱遥感能提供更多的光谱信息，已成为地表植被地学过程对地观测的
强有力的工具，其特点是在特定光谱域以高光谱分辨率获取连续的地物光谱图
像，使得遥感应用着重于在光谱维上进行空间信息展开，定量分析地球表层生物
物理化学过程和参数。传统的植被指数如比值植被指数、垂直植被指数或绿度
等，与植被生物量有较好的相关关系，但这些指数受外部条件如植被覆盖率、叶
子颜色和土壤颜色的干扰，指数的获取精度将受到影响。利用高光谱遥感导数光
谱技术能消除上述因素的影响，直接反映植被叶面积指数、叶绿素含量等信息。
如：归一化植被指数（NDVI）是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示
因子，与植被分布密度呈线性相关。而鄱阳湖地区测得的数据实验表明，NDVI对
土壤背景的变化较为敏感，但利用高光谱可以消除土壤信号在NDVI中的作用。此
外，叶面积指数（LAI）难以直接从遥感信息直接反演，国际上多用一个相对简单
的反射模型来拟合，根据LAI与高光谱遥感图像的植被因子之间的理论模型来获
取LAI。高光谱遥感可探测到植被的精细光谱信息，特别是植被各种生化组分的
吸收光谱信息。此外，还可反演各组分含量，监测植被的生长状况。叶子生理特
征实验已经证明用高光谱分辨率数据能够估计叶子化学成分；运用航空成像光谱
仪对森林冠层中氮和木质素含量进行监测，蛋白质(包含氮)、木质素和其它营养
成分的吸收光谱区主要在短波红外区，试验中运用多元逐步线性回归方法来选择
最佳的拟合波段，并对森林生产力和营养成分转化进行了预测。光谱导数技术和
NDVI
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的计算能在一定程度上揭示光谱中内在的隐含特征：一方面，减少背景噪音光谱对
目标光谱的影响，如减弱土壤、积雪和凋落物等背景光谱对森林植被光谱的影响；
另一方面，能够增强对化学浓度变化的敏感性，且保持在窄波段间的有用信息，从
而提高估计精度。
运用高光谱遥感还能监测植被受空气污染的状况。有实验发现受空气污染地区多
年的叶簇的红边位置会比正常叶子向短波方向进行偏移（5nm蓝移），这是林地受
污染后在光谱上表现的细微变化，也可作为监测林地健康状况的诊断指标。在某些
植被类型中，蓝移与重金属含量偏高有关。
高光谱遥感作为一种新的遥感技术已经在植被指数、植被叶面积指数、光合有效
辐射等因子的估算中以及在植被生物化学参数分析、植被生物量和作物单产估算、
作物病虫害监测中得到广泛的应用。经过十多年的研究和发展，高光谱遥感的硬件
技术及软件技术正日趋成熟。五、遥感、地理信息系统与全球定位系统在精确农业
中的综合应用
随着生物遗传育种技术的进步，耕地面积的扩大，化学肥料及农药的大量使用，
世界农业取得了长足发展。但这种农业增长模式也同时带来了水土流失、生态环境
恶化、水资源浪费、生物多样性遭到破坏等一系列问题。人类不得不重新思考如何
合理地与大自然相处，充分发挥人类的智慧，利用高科技的手段服务于人类的农业
生产。以对地观测技术为代表的智能化监测与分析决策技术的发展日趋成熟，为其
在农业方面的应用提供了有利条件。
精确农业是综合应用地球空间信息技术、计算机辅助决策技术、农业工程技术
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等现代高新科技，以获得农田“高产、优质、高级”的现代化农业生产模式和技术体
系。其操作过程一般包括以下四个阶段：
1） 随时间及空间变化采集数据
2） 根据数据绘制电子地图
3） 精细控制田间作业
4） 评估其执行效果
其核心思想是利用现代地球空间信息技术获取农田内影响作物的生长和产量的各
种因素的时空差异，避免因对农田的盲目投入所造成的浪费和过量施肥施药造成的环
境污染。具体实施过程包括：利用卫星定位系统对采集的农田信息进行空间定位；利
用遥感技术获取农田小区内作物生长环境、生长状况和空间变异的大量时空变化信
息；利用地理信息系统建立农田土地管理、自然条件、作物产量的空间分布等的空间
数据库，并对作物苗情、病虫害等的发生发展趋势进行分析模拟，为分析农田内自然
条件、资源有效利用状况、作物产量的时空差异性和实施调控提供信息。在获取上述
信息的基础上，利用作物生产管理辅助决策支持系统对生产过程进行调空，合理地进
行施肥、灌溉、施肥等耕作措施，以达到对田区内资源潜力的均衡利用和 获取高产
量。图11.4是精确农业技术思想示意图，作为实例之一，其实施过程可描述为：带定
位系统和产量传感器的联合收获机每秒自动采集田间定位及对应小区平均产量数据→
通过计算机处理，生成作物产量分布图→根据田间地形、地貌、土壤肥力等参数的空
间数据分布图，作物生长发育模拟模型，投入产出模拟模型，作物管理专家知识库等
建立辅助决策支持系统，并在决策者的参与下生成作物管理处方图→实施目标投入和
精细农业管理。
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