感的原理与实践 －－以上海市第三轮航空遥感调查为例

一、遥感的基本原理 

（一）基本概念

遥感一词来源于英语“Remote Sensing”，其直译为“遥远的感知”，时间长了人们将它简译为遥感。遥感是20世纪60年代发展起来的一门对地观测综合性技术。自20世纪80年代以来，遥感技术得到了长足的发展，遥感技术的应用也日趋广泛。随着遥感技术的不断进步和遥感技术应用的不断深入，未来的遥感技术将在我国国民经济建设中发挥越来越重要的作用。 关于遥感的科学含义通常有广义和狭义两种解释: 广义的解释: 一切与目标物不接触的远距离探测。 狭义的解释: 运用现代光学、电子学探测仪器，不与目标物相接触，从远距离把目标物的电磁波特性记录下来，通过分析、解译揭示出目标物本身的特征、性质及其变化规律。

（二）系统的组成

遥感是一门对地观测综合性技术，它的实现既需要一整套的技术装备，又需要多种学科的参与和配合，因此实施遥感是一项复杂的系统工程。根据遥感的定义，遥感系统主要由以下四大部分组成（参见下图）: 1、信息源 信息源是遥感需要对其进行探测的目标物。任何目标物都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性，当目标物与电磁波发生相互作用时会形成目标物的电磁波特性，这就为遥感探测提供了获取信息的依据。 2、信息获取 信息获取是指运用遥感技术装备接受、记录目标物电磁波特性的探测过程。信息获取所采用的遥感技术装备主要包括遥感平台和传感器。其中遥感平台是用来搭载传感器的运载工具，常用的有气球、飞机和人造卫星等; 传感器是用来探测目标物电磁波特性的仪器设备，常用的有照相机、扫描仪和成像雷达等。 3、信息处理 信息处理是指运用光学仪器和计算机设备对所获取的遥感信息进行校正、分析和解译处理的技术过程。信息处理的作用是通过对遥感信息的校正、分析和解译处理，掌握或清除遥感原始信息的误差，梳理、归纳出被探测目标物的影像特征，然后依据特征从遥感信息中识别并提取所需的有用信息。 4、信息应用 信息应用是指专业人员按不同的目的将遥感信息应用于各业务领域的使用过程。信息应用的基本方法是将遥感信息作为地理信息系统的数据源，供人们对其进行查询、统计和分析利用。遥感的应用领域十分广泛，最主要的应用有: 军事、地质矿产勘探、自然资源调查、地图测绘、环境监测以及城市建设和管理等。

（三）遥感原理

振动的传播称为波。电磁振动的传播是电磁波。电磁波的波段按波长由短至长可依次分为: γ-射线、X-射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。电磁波的波长越短其穿透性越强。遥感探测所使用的电磁波波段是从紫外线、可见光、红外线到微波的光谱段。 太阳作为电磁辐射源，它所发出的光也是一种电磁波。太阳光从宇宙空间到达地球表面须穿过地球的大气层。太阳光在穿过大气层时，会受到大气层对太阳光的吸收和散射影响，因而使透过大气层的太阳光能量受到衰减。但是大气层对太阳光的吸收和散射影响随太阳光的波长而变化。通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有: 紫外、可见光和近红外波段。 地面上的任何物体（即目标物），如大气、土地、水体、植被和人工构筑物等，在温度高于绝对零度（即0°k=-273.16℃）的条件下，它们都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性。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。各种物体对入射光反射的规律叫做物体的反射光谱。遥感探测正是将遥感仪器所接受到的目标物的电磁波信息与物体的反射光谱相比较，从而可以对地面的物体进行识别和分类。这就是遥感所采用的基本原理。 

（四）遥感的分类

为了便于专业人员研究和应用遥感技术，人们从不同的角度对遥感作如下分类: 1、按搭载传感器的遥感平台分类 根据遥感探测所采用的遥感平台不同可以将遥感分类为: 地面遥感，即把传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等；航空遥感，即把传感器设置在航空器上，如气球、航模、飞机及其它航空器等; 航天遥感，即把传感器设置在航天器上，如人造卫星、宇宙飞船、空间实验室等。 2、按遥感探测的工作方式分类 根据遥感探测的工作方式不同可以将遥感分类为: 主动式遥感，即由传感器主动地向被探测的目标物发射一定波长的电磁波，然后接受并记录从目标物反射回来的电磁波; 被动式遥感，即传感器不向被探测的目标物发射电磁波，而是直接接受并记录目标物反射太阳辐射或目标物自身发射的电磁波。 3、按遥感探测的工作波段分类 根据遥感探测的工作波段不同可以将遥感分类为: 紫外遥感，其探测波段在0.3～0.38um之间; 可见光，其探测波段在0.38～0.76um之间; 红外遥感，其探测波段在0.76～14um之间; 微波遥感，其探测波段在1mm～1m之间; 多光谱遥感，其探测波段在可见光与红外波段范围之内，但又将这一波段范围划分成若干个窄波段来进行探测。高光谱遥感是在紫外到中红外波段范围内，并且也将这一波段范围划分成许多非常窄且光谱连续的波段来进行探测。 4、按遥感探测的应用领域分类 根据遥感探测的应用领域，从宏观研究角度可以将遥感分类为: 外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等; 从微观应用角度可以将遥感分类为: 军事遥感、地质遥感、资源遥感、环境遥感、测绘遥感、气象遥感、水文遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、灾害遥感及城市遥感等。 

（五）遥感技术的特点

遥感作为一门对地观测综合性技术，它的出现和发展既是人们认识和探索自然界的客观需要，更有其它技术手段与之无法比拟的特点。遥感技术的特点归结起来主要有以下三个方面: 1、探测范围广、采集数据快 遥感探测能在较短的时间内，从空中乃至宇宙空间对大范围地区进行对地观测，并从中获取有价值的遥感数据。这些数据拓展了人们的视觉空间，为宏观地掌握地面事物的现状情况创造了极为有利的条件，同时也为宏观地研究自然现象和规律提供了宝贵的第一手资料。这种先进的技术手段与传统的手工作业相比是不可替代的。 2、能动态反映地面事物的变化 遥感探测能周期性、重复地对同一地区进行对地观测，这有助于人们通过所获取的遥感数据，发现并动态地跟踪地球上许多事物的变化。同时，研究自然界的变化规律。尤其是在监视天气状况、自然灾害、环境污染甚至军事目标等方面，遥感的运用就显得格外重要。 3、获取的数据具有综合性 遥感探测所获取的是同一时段、覆盖大范围地区的遥感数据，这些数据综合地展现了地球上许多自然与人文现象，宏观地反映了地球上各种事物的形态与分布，真实地体现了地质、地貌、土壤、植被、水文、人工构筑物等地物的特征，全面地揭示了地理事物之间的关联性。并且这些数据在时间上具有相同的现势性。

二、遥感的调查实践 

（一）资料获取

上海市第三轮航空遥感调查采用1: 10000和1: 50000两种航摄比例尺，以彩红外的成像方式对上海全市范围展开调查。航空遥感调查的第一步是资料获取。资料获取是整个航空遥感调查的基础性工作，其进行的好坏将直接影响以后各项工作的质量与效果。资料获取的工作大致可分成四个阶段来进行: 

1、第一阶段为前期工作，前期工作主要有：确定调查的时间、拟定调查的航线和完成航摄任务的招投标。

（1）确定调查的时间 城市航空遥感调查的时间一般选择在秋季或冬季。因为秋季或冬季这段时间，我国大部分地区通常晴好天气较多，空气能见度较高，地面植被的遮挡较少，因而所获取的影像资料也就较为清晰。在航空遥感调查中，针对大区域的大比例尺、完整覆盖的航摄飞行来说，其很难在一个较短的时期内完成。因此需要结合当地的气象情况，选择一个合适的时间段，来实施针对大区域的大比例尺、完整覆盖的航摄飞行。根据气象部门提供的气象资料，表明调查当时上海地区正值暖冬和春寒，在此期间晴好天气为多，空气能见度也高，经过反复斟酌，我们把调查的时间段定在1999年12月至2000年5月。

 （2）拟定调查的航线 拟定调查的航线首先要确定飞行的航向，其次要在有经纬度的地图上画出详细的飞行路线。飞行的航向一般是根据被调查地域的形状来确定。通常地域形状呈南北向延伸，其航向定为南北向; 地域形状呈东西向延伸，其航向定为东西向。画详细的飞行路线应充分考虑航片的纵向重叠和旁向重叠。一般说来纵向重叠按40-60％左右考虑，旁向重叠按25-30％左右考虑。本次航空遥感调查按照市有关部门的要求，结合上海的实际情况，我们把1: 10000比例尺的飞行航向定为东西向飞行，1: 50000比例尺的飞行航向定为南北向飞行，飞行的详细路线与上海市地形图图幅的中心线相一致，航片的纵向重叠按60％设计，旁向重叠按30％设计。这样做不仅有利于航片的后期处理，也有利于测绘部门用航片来修测地形图。 

（3）完成航摄任务的招投标 资料获取的实质性工作是要完成航摄任务。但作为遥感调查的业主单位，一般不具备这方面的条件和能力来承担这项任务。因此，必须通过市场招投标，选择一家有仪器设备、有技术经验的专业化企业来完成此项任务。我们在开展航摄任务招投标的过程中，首先是编制好航摄任务的招标书。编制招标书的关键是要明确航摄任务的技术要求，其中应包括: 航摄的时间、区域，航摄的比例尺、摄影种类，航摄的飞行路线、飞行姿态，航摄的纵向和旁向重叠率，航摄相机的规格，航摄胶片的规格，飞行器（飞机）上的必要装备等。其次是进行航摄任务的投标、开标、评标和商务谈判。其中评标是由我们业主选定的专家们对各投标方的投标书进行技术评价，主要是评价各投标书中提出的航摄实施方案是否真正满足招标方的航摄技术要求。在投标方的实施方案能够真正满足招标方的技术要求的前提下，再根据开标时投标方的商务报价，按最低价中标的原则确定中标单位，然后业主和中标单位通过商务谈判最终签订项目合同。 

2、第二阶段为航摄准备，航摄准备的主要工作有：检查仪器设备及采购材料、召开航空遥感飞行协调会和进行航摄试飞。

 （1）检查仪器设备及采购材料 航摄准备首先要对航摄的各种仪器设备作严格的检查。检查的内容主要包括: 飞行器及飞行器上的通讯与导航设备，航摄相机和航摄平台。检查的目的是要确保这些仪器设备能正常工作，并达到仪器设备本身所规定的性能指标。其次是采购有关的材料，主要有航摄的胶片和胶片冲洗液。为了获得大面积、高质量的遥感影像资料，目前这些材料仍需从国外进口。要注意的是：由于从国外进口这些材料得有一个周期，因此必须提前一段时间预先订购，并确保这些被订购的材料在正式实施航摄之前到货。 

（2）召开航空遥感飞行协调会 召开航空遥感飞行协调会是航摄准备一项很重要的工作。召开这个协调会就是把负责上海地区空中管制及参加本次航摄任务的各有关单位请来，围绕本次遥感调查的航摄任务进行充分地讨论和协商，在参加会议的各方达成共识的基础上，确定航摄飞行的管制方案，明确各自的保障任务和责任，最后将会议结果形成航空遥感飞行协调会会议纪要。该会议纪要应就飞机的地面保障、飞行的空中保障、航摄区域与飞行高度、航摄飞行的调配和航摄飞行的管制等内容作出具体规定，明确业务要求。会议纪要一旦形成，便成为各方执行任务的行动规范，参加会议的所有单位都必须严格遵守。 

（3）进行航摄试飞 航摄试飞也是航摄准备的一项必要工作。在上述两项工作均已顺利完成的基础上，便可开始进行航摄试飞。航摄试飞的主要任务是检验航摄飞行的协调与配合、熟悉航摄区域的地理环境、校正航摄仪器和进行航摄的试拍。其中检验航摄飞行的协调与配合是检验航摄人员在航摄飞行过程中，与气象部门、空中管制部门和地面指挥塔的协调与配合；熟悉航摄区域的地理环境是熟悉被摄地区地物基本要素的分布情况; 校正航摄仪器是校正装载航摄相机平台的基准; 进行航摄的试拍是选择具有明显地形地物特征的小范围区域进行试拍。在结束航摄试飞后，要立即对以上的试验结果进行分析和总结，发现问题及时解决，以便为正式实施航摄创造良好的条件。 

3、第三阶段为实施航摄，主要工作有: 收集气象资料、执行航摄任务和监控航摄质量。 

（1）收集气象资料 收集气象资料对实施航摄来说至关重要。为了确保航摄任务的顺利实施，航摄人员必须与气象部门保持密切联络，及时收集每一天、每一周的气象预报，随时掌握航摄期间的天气情况及变化趋势。同时，要根据所收集到的气象资料，设计好具体的航摄飞行方案，主要是确定每次航摄飞行的具体时间和区域。由于天气状况变幻莫测，因此在设计航摄飞行方案时，往往要同时拟定几套方案以供备用。一旦天气发生突变，首选方案无法实施时，便可选择备用方案付诸实施，这样就不会耽搁执行航摄任务的进度。 

（2）执行航摄任务 执行航摄任务就是对航空遥感被调查区域进行正式拍摄。在每次执行航摄任务之前，仍需对飞机的机务状况作常规检查，如飞机的仪表是否正常、机械是否有故障、燃料是否充足等。另外还要检查是否携带了本次航摄的飞行路线图。若飞机的常规检查未发现异常情况，便可开始进行航摄飞行。当飞机起飞升空后，飞行员要及时校准飞行航线，注意保持飞行高度，并控制好飞机的飞行姿态。航摄人员要注意控制好航摄平台的基准，监视航摄相机工作是否正常，并认真作好航摄记录。在航摄飞行的过程中，飞行员要听从机场塔台的指挥，服从指挥人员的调度，一旦遇到特殊情况，应按命令及时返航。 

（3）监控航摄质量 在每次执行完航摄任务之后，应及时把航摄胶卷从航摄相机中取出，并立即送交承担航摄任务单位的洗印中心进行处理。处理的过程主要有：显影、定影、水洗、晾干和晒印像片。在冲洗胶卷时，须控制好冲洗液的浓度、温度和冲洗的时间，要尽可能使胶片的色饱和度达到最佳处理效果。待冲洗完胶卷并晾干后便可晒印成像片。监控航摄质量主要是通过晒印出来的航摄像片，对航摄的质量进行技术评定，着重是评定航摄像片的覆盖区域与航摄路线的基线是否有偏差，航摄像片的纵向与旁向重叠是否满足设计要求。若发现有这两种问题造成的“航摄漏洞” ，必须做好有关的记录，另行拟定补飞的航摄计划，安排航摄补飞。 

4、第四阶段为资料验收，资料验收的主要工作有: 检查航摄成果和接收航摄资料。 

（1）检查航摄成果 在接收航摄资料之前，必须对航摄成果进行严格的检查，检查主要是通过阅读航摄胶片、像片来进行。首先是检查航摄像片的覆盖区域是否涵盖了本次遥感调查的全部区域。其次是检查航摄胶片的清晰度与色饱和度是否达到业主规定的要求。再则是检查航摄像片是否存在倾斜角偏大，旋转角突变、渐变等造成的航摄漏洞以及补正航摄质量检查等。待完成上述检查内容，未发现任何重大问题，并航摄的质量完全达到技术考核的标准，方可进行资料的接收。

 （2）接受航摄资料 接收航摄资料，应先列出接收内容的详细清单。接收的内容主要包括: 航摄胶卷、航摄像片和航摄记录。在接收航摄资料时，要根据清单的内容一一核对查收。若在接收航摄资料的过程中，没有发现航摄资料有任何缺漏，接收人便可在资料验收书上签字。至此航空遥感调查资料获取的整个工作就告一段落。 

（二）数据处理

航空遥感调查的第一步--资料获取，仅仅是完成了遥感数据的采集工作。此时的遥感数据还是未作数字化加工的原始数据，这样的数据还不能直接被计算机来加以分析利用。因此，在完成了航空遥感调查的第一步即资料获取之后，还须进行航空遥感调查的第二步--数据处理。数据处理的主要任务是: 运用摄影测量专业扫描仪及计算机软硬件，在有经验的技术人员的人工干预下，对原始的遥感数据进行扫描、校正及拼接等加工处理，最后建立相应的遥感影像资料数据库。数据处理的工作大致分为四个方面，这四个方面的工作可以交叉进行。 

第一个方面的工作为数字化扫描。数字化扫描是航空遥感调查中数据处理的首要工作。数字化扫描的任务是把记录在胶片上的遥感数据转换成计算机可储存与处理的数字化形式。 

开展数字化扫描的工作，实施单位必须具备必要的电子设备，其中最重要的设备是摄影测量专业扫描仪和计算机。摄影测量专业扫描仪要求其扫描的分辨率范围至少要在100～5000dpi，并且要既能扫描大幅面(23cm×23cm以上)的底片，又能扫描大幅面的像片。而计算机则要求CPU芯片的处理速度越快越好，内存至少要512Mb，硬盘至少要75Gb。另外扫描软件在采购摄影测量专业扫描仪时也会随机提供。 

在开始数字化扫描之前，操作人员必须先确定航片的扫描分辨率。对于一幅航片究竟采用什么样的分辨率来进行扫描非常重要。因为扫描分辨率定得太高，由扫描所得的数据其冗余就太多；而扫描分辨率定得太低，由扫描所得的数据其损失又太大。因此，选择合适的扫描分辨率就成了执行数字化扫描任务的关键。所谓选择合适的扫描分辨率，就是要寻找一种能使扫描所得的数据既不产生较多冗余又不造成较大损失的扫描分辨率。那么扫描一幅航片其扫描的分辨率到底取决于什么呢？ 经过分析发现: 它只取决于航摄胶卷的解像力。本次航空遥感调查，我们选用柯达2443彩红外反转片，其解像力为63线/mm,换算成线密度为15.87u。这就是说胶片感光本身的分辨率为每隔15.87微米的距离能显现1个像素点，距离再小它就无法分辨。由此我们可以得出，航片扫描分辨率的线密度应大于15.87u，而不能小于15.87u，否则由扫描所得的数据就会产生冗余。然而，航片扫描分辨率的线密度应大于15.87u多少呢？如果大得太多，反过来也会对扫描所得的数据造成信息损失，对此只有通过做试验来确定。经过若干次的试验，我们觉得把航片扫描分辨率的线密度定在17u比较合适，换算成扫描分辨率接近于1500dpi。按这样的分辨率来进行扫描，虽说会有少许的信息损失，但其影响微不足道。所以最终我们把航片的扫描分辨率定在了1500dpi。 

当确定了航片的扫描分辨率之后，即可进行数字化扫描的工作。在扫描的过程中，对每条航线图像质量相近的航片必须进行预扫。为了尽量减少扫描过程中的信息损失，预扫时应在充分尊重航摄底片原始信息的前提下，不断地调整扫描的亮度、色彩饱和度和对比度等参数，力求使扫描的结果达到地物成像清晰、色调区域平衡、反差均衡适中。待预扫的亮度、色彩度和对比度等参数确定以后，便可对每条航线图像质量相近的航片进行批量扫描。按此程序周而复始地重复，直至完成整个数字化扫描的任务。