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电气自动化前沿课程论文
海南大学机电工程学院
电气自动化前沿课程论文
题目名称：
遥感技术浅析
学院：
机电工程学院
专业班级：
电气工程及其自动化1班
姓名：
王晓彤
学号：
20120502310023
指导教师：
刘晓梅
日期：
2015年6月22日
遥感技术浅析
摘要
遥感技术是通过电磁波来探测地球上的物体性质与特点的一门综合性的探测技术。
随着科技的日新月异，遥感对人们的生活愈来愈重要。
遥感在地质资源、城市建设、线路工程、生态环境等领域均有广泛应用。
关键词：
遥感，遥感卫星，成像光谱仪
Analysisofremotesensingtechnology
ABSTRACT
Remotesensingtechnologyisthroughacomprehensivedetectiontechnologyofelectromagneticwavestodetecttheobjectpropertiesandcharacteristicsoftheearth.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,remotesensinghasbecomemoreandmoreimportanttopeople'slives.Remotesensinghasbeenwidelyusedinmanyfieldssuchasgeologicalresources,urbanconstruction,lineengineering,ecologicalenvironmentandsoon.
Keywords:
Remotesensing,Remotesensingsatellite,Imagingspectrometer
1.引言
航天技术是20世纪人类在认识和改造自然的过程中最为活跃、发展十分迅速、对人类社会生活具有重大影响的科学技术之一，也是显示一个国家科技实力的重要标志。
卫星作为各类空间信息传感器的主要搭载平台之一，其发展与应用一直是航天领域所关注的重点。
[1]“遥感”一词首先是由美国海军研究部的布鲁伊特于1960年提出的，并在1962年由美国海军密执安大学等发起的第一届环境科学遥感研讨会上正式采用。
所谓遥感，就是从遥远的地方，不直接接触物体本身，而是通过电磁波来探测地球上的物体性质与特点的一门综合性的探测技术。
[2]遥感卫星就是利用光电遥感器或无线电设备等，从轨道上对目标实施侦查、监视、或跟踪，通过收集在地面、海洋或空中的人造地球卫星来获取信息。
遥感卫星的任务是获取由空间有效载荷遥感得到的信息。
遥感卫星主要利用其对地覆盖能力这种基本空间特性来完成其使命。
[3]
2.遥感分类
按遥感平台分类：
近地面遥感；航空遥感；航天遥感等。
2.1地面遥感
地面遥感监测系统是将越野监测车作为遥感平台，利用地物波谱仪或数字摄影、摄像机作为遥感器进行定位和移动的地面信息采集，配合高精度GPS卫星定位系统，对接车载GIS系统、激光输出设备、高性能通讯设备，经数字化、矢量化处理，地面遥感图像通过计算机直接判读，小区域图、表等成果直接即时输出，大区域所需数据信息经通讯设备传输回信息处理终端，系统在同一时间进行实时工作，实现野外部分数据采集自动化、智能化、高效化，建立可称之为小型地面监测集成系统。
[6]
2.2航空遥感
航空遥感与其他两类遥感主要区别是传感器所搭载的平台不同，不同平台体现出各自遥感系统的优势与特点。
卫星平台的优势是大面积数据获取，但因处在宇宙中，传感器更换、维修实现困难，目标地区实时数据获取也受制于卫星过境情况；地面遥感的优势在于机动灵活，可以根据需求随时更换传感器并传输到特定地点进行数据获取，但因为传感器架设在地面或离地面不高处，获取的数据面积小。
航空遥感的传感器搭载在飞行器上，比如飞机、无人机、飞艇，甚至航模，可以根据应用需要随时更换传感器，快速到达人力难以涉及的地区开展数据收取工作。
[7]
2.3航天遥感
在地球大气层以外的宇宙空间，以人造卫星、宇宙飞船、航天飞机、火箭等航天飞行器为平台的遥感。
航天遥感能提供地物或地球环境的各种丰富资料，在国民经济和军事的许多方面获得广泛的应用，例如气象观测、资源考察、地图测绘和军事侦察等。
航天遥感是一门综合性的科学技术，它包括研究各种地物的电磁波波谱特性，研制各种遥感器，研究遥感信息记录、传输、接收、处理方法以及分析、翻译和应用技术。
航天遥感的核心内容是遥感信息的获取、存储、传输和处理技术。
3.遥感卫星
遥感卫星是用作外层空间遥感平台的人造卫星。
遥感卫星能在规定的时间内覆盖整个地球或指定的任何区域，当沿地球同步轨道运行时，它能连续地对地球表面某指定地域进行遥感。
3.1研究背景
自前苏联于1957年成功发射第一颗人造地球卫星以来，迄今为止已有数千颗人造卫星曾在或正在空间轨道上运行。
从航天遥感的初期到20世纪90年代初，随着航天器的运载能力和卫星技术的不断提高以及经济、社会和军事的飞速发展，加剧人们对各类空间信息的需求，也促进了现代卫星技术的发展。
[4]到目前为止，已有LANDSAT系列、SPOT系列、IKONOS系列等多种地球资源卫星进入商业运行阶段。
众多的商业遥感卫星的应用促使了卫星遥感技术的全面加速发展，现代卫星遥感技术也已进入一个能动态、快速、准确和多手段提供对地观测数据的新阶段。
卫星遥感应用也正由定性向定量、静态向动态的方向发展。
[5]
3.2国内外研究的历史与现状
地面覆盖特性作为遥感卫星系统最为重要的性能，国内外的学者在这一方面做了大量的研究工作。
3.2.1国外研究历史与现状
国外现有对卫星覆盖的研究主要是基于卫星轨道设计、卫星星座设计的目的，集中在连续全球覆盖分析、连续区域性覆盖分析、间歇性区域覆盖分析三大类上。
在连续全球覆盖分析方面，J.C.Walker于1970年给出了一种由圆轨道卫星组成的星座，提供连续的全球覆盖，在这个领域做出了奠基性和开创性的工作，这就是现在著名的Walker-delta星座。
1978年，D.C.Beste给出了另外一种全球连续覆盖的卫星星座构型，1980年，A.H.Ballard提出了玫瑰星座（RosetteConstellation）提供连续的全球覆盖。
二者在连续全球覆盖分析领域也做出了杰出的贡献。
1985年，JohnE.Draim提出一种由三颗或四颗星组成的椭圆轨道星座，提供全球连续覆盖，这是首次提出采用椭圆轨道卫星星座的概念。
1986年，JohnE.Draim又给出了一种具有相同周期的四星椭圆轨道卫星星座，提供全球连续覆盖。
1974年，R..DavidLuders和LawrenceJ.Ginsberg对连续区域覆盖卫星的轨道特性做了一般性的研究工作。
1966年，R.D.Rider提出了卫星星下点轨迹参数的概念。
S.S.Bayliss和A.Y.Haygen于1983年发表文章，给出了一种算法使间歇性覆盖卫星的最大回访时间最小。
在同年，T.J.Lange和J.M.Hansen给出了一种算法，通过搜索轨道倾角使星座对某地地面回访时间最小。
1998年，Elizabeth.W.Haves给出了一种算法，通过计算权重系数的方法，计算单个卫星对地面一点或区域的平均访问时间。
同年，Elizabeth.W.Haves又给出了一种选择星座对地面最小回访时间的方法。
在覆盖分析方法上，1989年，J.Middour采用多边形视场技术给出了一种不同于传统网格点技术的高效卫星对地覆盖计算方法。
2000年，YuriUlybyshev采用覆盖函数的概念给出了低轨卫星通信系统覆盖特性的近似解。
目前，卫星仿真系统的典型产品是美国AnalyticalGraphics公司（AGI）开发的卫星工具包SatelliteToolKit（STK），由于功能强大、可视化程度高，问世不久便迅速占领航天与国防领域市场，目前己经拥有全球25000个用户，几乎成为国际航天领域统一的标准工具包。
其COVERAGE模块是覆盖分析仿真模块，可以对任意轨道的卫星和复杂传感器的地面覆盖情况进行仿真和分析，并提供多项修改功能如卫星参数、传感器参数、报表输出方式等。
但是软件价格十分昂贵，因此需要开发我国拥有自主知识产权的卫星仿真系统。
3.2.2国内研究历史与现状
国内学者在卫星对地覆盖问题上也进行了大量的研究和探索。
在覆盖边界算法研究方面李大耀提出了卫星对地面覆盖区域的通用求解方法和卫星沿轨道运动对地面覆盖带外沿轨迹求解方法。
关于卫星覆盖问题已有成熟的理论研究，更多的研究都是结合具体的轨道设计、星座优化和任务分析展开的。
1999年刘会杰、张乃通研究了GPS星座的空间覆盖特性，结合空间应用的具体分析，给出了覆盖性的一种定义，并推导了相应判据。
2000年徐敏，陈士槽，程凤舟等通过所建立的视函数法，得到了星座中每一颗卫星对地面的覆盖区和间隙区出现的时刻，各覆盖区和间隙区的长度、最大间隙出现的时刻等覆盖的详细信息，讨论了星座的覆盖性能指标，并建立了各项覆盖性能指标的计算方法。
同年，徐敏、陈士槽、程凤舟等根据视函数法和地心法、建立了星座覆盖性能评定的数值仿真方法。
2001年，林西强，张育林等利用点覆盖数值仿真法进行了区域覆盖最优Walker星座设计研究。
2001年，王海丽、陈磊、任首等从仿真的角度对卫星星座的覆盖进行了分析和研究:
讨论了仿真分析需注意的问题，并给出了采样时刻的全球覆盖判定算法和地面点覆盖判定算法，针对仿真计算的初步结果，提出了一系列有效指标，并利用模糊评判的方法对这些指标进行了综合分析，获得星座覆盖性能参数。
2001年，张玉馄、戴金海等介绍了一种基于仿真选取较多特征点评估星座覆盖性能的分析方法，然后检验各项性能指标是否满足任务需求。
2003年，陈力、申敬松、胡松杰等研究了在delta星座设计时，给出了计算其区域覆盖重复周期的方法。
2003年，贺勇军、戴金海、王海丽等提出了能够衡量对地观测系统信息获取实际效能的综合度量—有效覆盖特性，分析了影响瞬时有效覆盖的复杂因素，阐述了基于数值点仿真求解的一般性方法。
2004年，贺勇军、戴金海、李连军等以对地成像观测和电子侦察卫星系统为重点研究对象，采用面向对象的方法和基于组件的技术，设计实现了“多卫星系统综合效能仿真分析软件”（MSSE）。
现有对卫星覆盖的研究主要是基于卫星轨道设计、卫星星座设计和优化的目的，大都集中在卫星通讯、卫星导航、卫星星座等方面。
国外同类软件价格昂贵，一般用户难以承受。
且开放性不够，不支持适合于国内的各种空间环境模式，各项功能不能进行修改。
因此，针对遥感卫星的特点，开展卫星覆盖仿真和分析是非常必要、及时的。
[1]
3.3气象卫星
1960年4月1日，美国发射了世界上第一颗极轨气象卫星（TIROS-1），奠定了气象卫星业务系统的技术基础。
现在，极轨气象卫星已经发展到第四代。
第三代极轨气象卫星TIROS-N于1978年10月13日发射成功并开始运行。
NOAA极轨气象卫星系列发射前以字母标号，入轨运行后以数字标号代替。
NOAA极轨气象卫星采用双星运行模式，单号星从南向北飞，经过赤道时间为地方时14：
30；双号星从北向南飞，经过赤道时间为地方时07：
30。
目前，在轨运行的是NOAA-13、NOAA-14和NOAA-15（据悉，未能正常工作）。
我国气象卫星的发展开始于20世纪60年代末70年代初。
发展我国自己的气象卫星的最初设想，是周恩来总理于1969年11月提出来的。
我国的气象卫星工程由星体、运载、发射、测控、地面应用五大系统组成，在前国防科工委统一领导下工作。
从1988年第一颗风云一号气象卫星发射成功到现在，我国已成功发射了四颗风云一号、一颗风云三号极轨气象卫星，以及四颗风云二号静止气象卫星。
[8]
中国气象卫星发展的总体规划和目标是：
2020年前，建立以风云三号、风云四号系列卫星为代表的高、低轨道业务组成的综合对地观测平台，实现对地球气候系统五大圈层及其相互作用的连续、稳定、可靠观测。
[9]
3.4陆地卫星
自1972年7月23日发射陆地卫星1号以来，到1984年3月1日已发射到陆地卫星5号。
其任务是调查地下矿藏、海洋资源和地下水资源，监视和协助管理农、林、畜牧业和水利资源的合理使用，预报和鉴别农作物的收成，研究自然植物的生长和地貌，考察和预报各种严重的自然灾害（如地震）和环境污染，拍摄各种目标的图像，借以绘制各种专题图。
伴随着陆地卫星的发展，美国也相应的发展了几代遥感器，它们是返束光导摄像机、多谱段扫描仪、主题测绘仪、增强型主题测绘仪以及其改进型。
[10]
4.遥感成像与遥感应用
遥感成像技术是在遥感理论模型、遥感先验知识及现有遥感图像的基础上，受其限定因素的影响，通过数学物理计算，获取特定条件下的模拟图像的技术。
4.1遥感成像原理
当太阳光从宇宙空间经大气层照射到地球表面时，地面上的物体就会对由太阳光所构成的电磁波产生反射和吸收。
由于每一种物体的物理和化学特性以及入射光的波长不同，因此它们对入射光的反射率也不同。
遥感利用地面目标反射或辐射电磁波的固有特性，通过观测目标的电磁波信息以达到获取目标的几何信息和物理属性的目的。
[11]
4.2遥感成像技术
遥感成像通过遥感平台和传感器获得地面物体的遥感图像。
4.2.1空间分辨率
空间分辨率是指图像上能显示出来的最小地物的尺寸，它决定了我们需要判读的地物能否在图像上显示和判读。
近年来，空间分辨率已能达到米级，甚至厘米级。
4.2.2光谱分辨率
光谱分辨率包括：
成像波段数及每一个波段的宽度。
波段的宽度越窄，探测地物的针对性越强；波段数越多，用于区分地物的指标就越多。
4.2.3成像波段
常规的成像波段是可见光和红外波段，随着遥感技术的发展，成像波段已扩展到微波、紫外等电磁波，其中，微波遥感最主要的传感器是合成孔径雷达，它是一种主动成像系统。
4.2.4实时和动态观测能力
洪涝、火灾等灾情监测，农作物估产等，需要有实时和动态的遥感数据，即高的时相分辨率遥感数据。
[12]
4.3遥感应用技术
遥感应用是从遥感图像中获得所需的各种专题信息。
4.3.1遥感应用技术的提高
遥感信息处理、分析与管理技术是产业发展的灵魂。
图像处理基础软件的发展经历了不同的阶段，有代表性的是IRSA系列。
高光谱图像处理与分析系统按照模块化、开放化的特点进行开发，形成了一套面向目标的超多波段光谱图谱信息合一的处理分析系统。
[13]
4.3.2遥感数据获取与处理流程
遥感数据获取与处理流程分为数据的接受、记录、传输、存档、发布和产品处理等多个环节。
数据接收：
卫星数据接收系统由天线与馈源、天线座、伺服系统、信道及管理与监控等部分组成，其主要任务是完成卫星的跟踪与信号接收，并在软件系统的支持下，根据预先设定的任务形成数据接收与记录计划，完成数据的接受。
数据记录：
将卫星下行的遥感卫星数据保存到存储设备上，保存好完整的遥感卫星原始数据，为后续数据的处理做好数据准备。
数据的传输、归档与发布：
数据传输的目的是将接收下来的卫星原始数据从分布于各地的接收站传送到集中存放、处理卫星数据的数据中心或机构总部。
归档包含了对数据进行整理、质量评估、登记或编目以及存储数据等多个环节。
数据发布能使遥感信息最大限度地被各行各业所采用。
数据处理：
将遥感数据在卫星运行与地面接收处理机构中的数据处理称为预处理，将数据在各应用领域中采用的专用处理手段称为应用处理。
[14]
5.成像光谱仪
成像光谱仪是成像光谱技术的载体，不同的成像技术和光谱技术的组合，构成了不同类型的成像光谱仪。
5.1成像光谱仪分类
按空间成像方式分为三种：
5.1.1摆归式
由光机左右拜扫和光谱仪平台直线运动完成二维空间成像，使用线阵探测器来记录每个瞬时视场内的一维光谱信息，最终形成三维的成像光谱数据。
5.1.2推扫式
光谱仪面阵探测器垂直于平台运动方向，每个时刻记录光谱仪视场内一维空间区域的全部光谱信息，配合仪器平台在另一维空间方向的扫描运动，最终也得到三维的成像光谱数据。
5.1.3凝视成像式
对二维目标空间区域探测，光谱仪内的分光系统采用波长扫描的方式获取光谱维信息。
按分光原理分为滤光片型、棱镜光栅色散型、干涉型、计算机层析型、二维光学元件型和三维成像型。
[15]在此不做详述
5.2成像光谱仪设计指标
5.2.1性能参数
地面分辨率：
其中，d为成像光谱仪所用探测器像元的尺寸，f为望远系统的焦距，h为成像光谱仪到地面观测点的距离。
线视场：
设穿轨方向有1000个相元
光谱范围：
0.4-2.5
光谱分辨率：
相同光谱范围，仪器光谱分辨率越高，光谱信息越准确。
系统信噪比：
从能量的角度评价系统的性能，表征在噪声存在的情况下，成像光谱仪对信号的探测能力。
5.2.2光学系统选择
非球面：
因透红外及紫外光的材料制造较困难，品种少，所以采用非球面来消相差。
离轴：
克服了同轴系统视场小、有中心遮拦的缺点，具有高能量利用率。
反射：
无色差。
[16]
本文从遥感卫星、遥感成像与应用及成像光谱仪方面对遥感技术进行探讨，因知识及时间等资源局限性无法作深入讨论。
感谢刘晓梅老师的循循善诱及给予我帮助的同学。
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