卫星遥感与测绘

卫星遥感与测绘 **************** 国家基础地理信息中心 朱武比**************** 　　1957年，第一颗人造卫星升空，标志着人类进入了太空时代。1968年，美国阿波罗—8宇宙飞行器发送回了第一个地球影像，从此，人类开始以全新的视角来重新认识自己赖以生存的地球。基于军事方面的考虑，各主要航天大国相继研制出各种以对地观测为目的的遥感卫星，并逐步向商用化转移。随着计算机技术、光电技术和航天技术的不断发展，卫星遥感技术正在进入一个能快速、及时提供多种对地观测海量数据的新阶段及应用研究的新领域。 　　一、国外主要遥感卫星 　　1.美国资源卫星 　　美国于1961年发射了第一颗试验型极轨气象卫星，到70年代，在气象卫星的基础上研制发射了第一代试验型地球资源卫星(陆地—1、2、3)。这三颗卫星上装有返束光导摄像机和多光谱扫描仪MSS，分别有3个和4个谱段，分辨率为80m。各国从卫星上接收了约45万幅遥感图像。 　　80年代，美国分别发射了第二代试验型地球资源卫星(陆地—4、5)。卫星在技术上有了较大改进，平台采用新设计的多任务模块，增加了新型的专题绘图仪TM，可通过中继卫星传送数据。TM的波谱范围比MSS大，每个波段范围较窄，因而波谱分辨率比MSS图像高，其地面分辨率为30m(TM6的地面分辨率只有120m)。陆地—5卫星是1984年发射的，现仍在运行。 　　90年代，美国又分别发射了第三代资源卫星(陆地—6，7)。陆地—6卫星是1993年发射的，因未能进入轨道而失败。由于克林顿政府的支持，1999年发射了陆地—7卫星，以保持地球图像、全球变化的长期连续监测。该卫星装备了一台增强型专题绘图仪ETM+，该设备增加了一个15m分辨率的全色波段，热红外信道的空间分辨率也提高了一倍，达到60m。美国资源卫星每景影像对应的实际地面面积均为185km×185km，16天即可覆盖全球一次。 　　2.法国遥感卫星 　　继1986年以来，法国先后发射了斯波特—１、2、3、4对地观测卫星。斯波特—1、2、3采用832km高度的太阳同步轨道，轨道重复周期为26天。卫星上装有两台高分辨率可见光相机(HRV)，可获取10m分辨率的全遥感图像以及20m分辨率的三谱段遥感图像。这些相机有侧视观测能力，可横向摆动27°，卫星还能进行立体观测。斯波特—4卫星遥感器增加了新的中红外谱段，可用于估测植物水分，增强对植物的分类识别能力，并有助于冰雪探测。该卫星还装载了一个植被仪，可连续监测植被情况。斯波特—5是新一代遥感卫星，其分辨率更高，即将向全世界提供服务。 　　3.加拿大雷达卫星—1 　　加拿大雷达卫星—1于1995年发射，它标志着卫星微波遥感技术的重大进展。雷达卫星—1除了有一个地面卫星数据接收站外，卫星上还载有磁带记录器，可覆盖全球。该星为地面分辨率、成像行宽和波束入射角提供了更宽的选择范围。除陆地及海洋应用外，其重要任务一是对南极大陆提供第一个完全的高分辨率卫星覆盖，二是对全球产生多次卫星覆盖。 　　4.“奋进”号航天飞机 　　美国国家航空航天局(NASA)的“奋进”号航天飞机于今年2月发射成功。该飞机上装有一个X波段合成孔径雷达和一个C波段梭动成像雷达。其中一个雷达上装有一根碳纤维复合材料制成的60m长的波段天线，天线伸向机身外，与另一雷达构成一个视角。两个雷达从不同位置聚焦到地面，即航天飞机雷达地形测绘可获取地球的立体影像。 　　5.依科诺斯 　　依科诺斯卫星是美国Spaceimage公司于1999年9月发射的高分辨率商用卫星，卫星飞行高度680km，每天绕地球14圈，星上装有柯达公司制造的数字相机。相机的扫描宽度为11km，可采集1m分辨率的黑白影像和4m分辨率的多波段(红、绿、蓝、近红外)影像。由于其分辨率高、覆盖周期短，故在军事和民用方面均有重要用途。 　　二、我国遥感事业的发展 　　1.遥感卫星 　　中国和巴西联合研制的中巴地球资源卫星即资源一号卫星，于1999年10月14日发射成功。经过在轨测试后转入应用运行阶段。由北京、广州和乌鲁木齐三个地面接收站接收该卫星获取的我国境内的遥感数据。所接收影像的地面分辨率分别有19.5m、78m、256m等三种。资源二号卫星现已在轨运行，这将会为我国遥感事业的发展以及在国民生活中的应用提供地面分辨率更高的卫星影像。 　　2.中国科学院遥感卫星地面站 　　中国科学院遥感卫星地面站是根据中美科技合作协议，由中国科学院负责引进的重大技术项目。地面站的生产运行系统主要包括接收站、数据处理室和光学处理室等几大部分。自1986年建成运行以来，为全国数百个部门的科学研究、经济建设等提供了大量的卫星遥感资料。 　　三、遥感卫星资料的应用 　　1.卫星遥感影像在国民经济建设中的应用 　　国民经济持续稳定的发展取决于对资源的合理利用和对环境的保护，因此必须通过有效手段对全国的资源和环境进行了解和掌握。遥感作为新发展起来的一门信息科学，为资源调查、环境监测等提供了强有力的科学技术手段。如通过遥感动态监测，可获取我国当前城市化过程、耕地面积减少和生态环境变化的基本资料；可提供我国沙漠化进程、土地盐渍化和水土流失情况；可对工业污染、城市垃圾等环境污染情况进行了解；可为国家重大自然灾害提供及时准确的监测评估数据；可进行矿产资源的调查及大型工程的评估；可依靠数据变化的监测进行天气预报及气候预测；可协助进行海洋监测与开发等。只有情况了解，掌握动态基础数据，才能为科学决策提供依据。 　　2.卫星遥感在测绘领域的应用 　　测绘，顾名思义就是测量并绘制地图。测绘成果在一般人眼里基本上就是纸质地形图，不过这只是对早期测绘的理解。随着计算机技术及测绘技术的发展，目前的测绘已经远远超脱出传统模拟产品的固有模式，向多品种(模拟及数字产品)、多用途、多种成果形式及高度集成化的方向迈进。当然，对卫星遥感影像资料的应用面也就日益广泛。 　　90年代中，国家测绘局根据国内外发展状况，在原有测绘产品的基础上，提出增加新的测绘产品模式，即4D产品(数字线划地图DLG、数字高程模型DEM、数字栅格地图DRG、数字正射影像图DOM)。航空摄影资料与卫星遥感资料的互补是4D特别是数字正射影像图制作的资料源。利用现有的遥感影像资料可以制作多种比例尺的数字正射影像图，如利用TM影像可制作30m分辨率的数字正射影像图，利用陆地—7影像可制作15m分辨率的数字正射影像图，利用斯波特影像可制作10m分辨率的数字正射影像图，利用依科诺斯影像可制作4m和1m分辨率的数字正射影像图等，从而极大地丰富了4D产品，为影像数据库建设提供了多分辨率、多层次的影像资源。同时，影像数据可作为GIS(地理信息系统)的背景地图，对GIS的深层次研究与应用提供了更直观的影像信息资源，从而也充实和发展了数据库本身，为规划、管理等部门的科学化决策提供了基础数据资料。 　　目前，我国许多机构和部门都在进行信息化工作，如国家测绘局完成了1:400万、1:100万、1:25万以及全国七大江河流域洪灾重点防范区的基础地理信息数据库建设，并在数年的时间内推进并完成1 5万基础地理信息数据库建设。社会在向前发展，地物和地貌就不会是一成不变的，数据库的制作与完成并不能说明该项工作的结束，紧随其后的数据库更新工作同样是一项巨大的工程。经过多方面的试验与研究，基于卫星影像获取周期短、所需经费不高等诸多特点，目前最好的更新方法就是通过现有的商业卫星获取遥感影像，利用一整套技术方法，在取得新的影像图同时，达到更新数据库部分要素的目的。如更新道路、水系、居民点、植被覆盖等，同时可根据遥感影像的特点，对地物要素进行分类，制作专题图等，以满足不同使用者的需要。 　　利用卫星遥感影像更新数据库的过程，从某种意义上讲，就是监测并发现变化的过程。因此，各国均利用卫星遥感影像的优势，对各种感兴趣要素进行监测，如我国进行的土地利用调查及监测、城市变迁、灾情监测等。这些工作的开展，一定程度上为我国可持续发展战略的逐步实施提供了基础保证。 　　随着科技水平的提高，人们对事物的认识已不再只是停留在原有二维地图的水平上，而是将数字正射影像(DOM)与数字高程模型(DEM)结合，通过计算机技术重现(恢复)地物与地貌的立体景观。如制作的电子沙盘、感兴趣区域上空的模拟飞行等，都能使使用者有身临其境的感觉，从而对全局有了更深刻的了解，有利于进行科学决策。 　　利用遥感技术获取地面三维信息，常规的方法是立体摄影测量。由于雷达卫星具有全天时、全天候、不受云雾等恶劣天气和夜暗影响的特性，故随着雷达遥感的发展，合成孔径雷达(SAR)也被用作立体摄影测量。由于斑点噪声的存在，其使用也一度受到影响。近年发展起来的干涉合成孔径雷达技术(INSAR)，提供了获取地面三维信息的全新方法，即利用干涉雷达提取地形数字高程模型(DEM)。该方法将大大改进数字高程模型(DEM)获取的传统模式，这是雷达遥感的最新领域，是遥感和摄影测量科学的前沿，目前还只处在进一步的研究之中，相信在几年内可以大规模应用在测绘及其他领域。 　　四、数字地球 　　1994年，美国签署了建立“国家空间数据基础设施”(NSDI)的总统令；1998年，美国副总统戈尔提出了“数字地球”(DE)的新概念。“数字地球”是集地球科学、信息科学、计算机科学、空间探测和数字通信等多学科技术于一体，以工程建设和产业化发展为导向，旨在促进人类社会可持续发展的一项宏伟的科学体系。支撑的主要技术之一就是数据采集，在目前及今后相当长的一个时期，数据采集主要就是依靠卫星遥感所获取的影像资料。 　　“数字地球”是对真实地球及其相关现象统一性地数字化重现与认识，它几乎可以包括与人类有关的所有自然和社会方方面面信息的一个巨大体系。它意味着地球上的所有资料均将按照地球的真三维地理坐标，有序存储在计算机里。这将是当今科技发展的制高点，是遥感、遥测、全球定位系统、地理信息系统、大容量高速计算机通信网络与仿真—虚拟技术等现代科技的高度综合与升华。它将改变人类的生产及生活方式并推动社会经济的发展，人们将以更加新颖的视角来认识这个地球。 　　目前，我国几个主要大城市已经开展了该项研究及初步试点应用工作，如已经起步的“数字北京”、“数字厦门”、“数字大连”等。“数字地球”时代虽不会很快到来，但人们必须坚信它一定会成为现实，其实现将包含每个人的关注和努力。