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    后遙感應用技術與衛星遙感信息產業化

    2014-10-22 21:20:54 來源: 核工業北京地質研究院,北京 作者:劉德長 葉發旺
    聊聊

    摘要:本文論述了衛星遙感技術的發展及應用現狀。探討了衛星遙感信息的產業化問題,認為,產業化是衛星遙感技術持續發展的動力,并提出后遙感應用技術的開拓是實現衛星遙感信息產業化的重要途徑。 
      關鍵詞:衛星遙感技術 后遙感應用技術 產業化  
      自1972年美國發射第一顆陸地衛星以來,遙感技術得到了迅速發展,成為空間技術最具發展潛力的高新技術之一。產業化是衛星遙感技術持續發展的動力。后遙感應用技術的開拓將是衛星遙感信息產業化的重要途徑。 

    1 衛星遙感技術的發展及應用現狀 
    1.1 信息獲取技術的發展 
      信息獲取技術的發展十分迅速,主要表現在以下幾個方面: 
      (1)各種類型遙感平臺和傳感器的出現 
    現已發展起來的遙感平臺有地球同步軌道衛星(3500km)和太陽同步衛星(600~1000km)。傳感器有框幅式光學儀器,縫隙,全景相機,光機掃描儀,光電掃描儀,CCD線陣,面陣掃描儀,微波散射計,雷達測高儀,激光掃描儀和合成孔徑雷達等。它們幾乎覆蓋了可透過大氣窗口的所有電磁波段,而且有些遙感平臺還可以多角度成像,如三行CCD陣列可以同時得到3個角度的掃描成像;EOS Terra衛星上的MISR可同時從9個角度對地成像。 
      (2)空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率不斷提高 
      僅從陸地衛星系列來看,20世紀70年代初美國發射的陸地衛星有4個波段(MSS),其平均光譜分辨率為150nm,空間分辨率為80米,重復覆蓋周期為16-18天;80年代的TM增加到7個波段,在可見光到近紅外范圍的平均光譜分辨率為137nm,空間分辨率增加到30米;2000年后,出現增強型TM(ETM),其全色波段空間分辨率可達15米。法國SPOT4衛星多光譜波段的平均光譜分辨率為87nm,空間分辨率為20米,重復周期為26天;SPOT5空間分辨率最高可達2.5米,重復覆蓋周期提高到1-5天。1999年發射的中巴資源衛星(CBERS)是我國第一顆資源衛星,最高空間分辨率達19.5米,重復覆蓋周期為26天。1999年發射的美國IKONOS-2衛星可獲得4個波段4米空間分辨率的多光譜數據和1個波段1米空間分辨率的全色數據。IKONOS發射稍后,又出現了空間分辨率更高的OrbView-3(軌道觀察3號)和Quickbird(快鳥),其最高空間分辨率分別達1米和0.62米。 
      (3)高光譜遙感技術的興起 
    20世紀80年代遙感技術的最大成就之一是高光譜遙感技術的興起[1]。第一代航空成像光譜儀以AIS—1和AIS—2為代表,光譜分辨率分別為9.3nm和10.6nm;1987年,第二代高光譜成像儀問世,即美國宇航局(NASA)研制的航空可見光/紅外成像光譜儀(AVIRIS),其光譜分辨率為10nm;EOSAM—1(Terra)衛星上的MODIS具有36個波段。如今的衛星高光譜分辨率可達到10nm,波段幾百個,如在軌的美國EO-1高光譜遙感衛星上的Hyperion傳感器,具有220個波段,光譜分辨率為10nm。我國“九五”研制的航空成像光譜儀為128個波段。 
    1.2 信息處理技術的發展 
      遙感信息處理技術最早為光學圖像處理,后來發展成為遙感數字圖像處理。1963年,加拿大測量學家R.F.Tomlinson博士提出把常規地圖變成數學形式的設想,可以看成是數字圖像的啟蒙;到1972年隨美國陸地衛星的發射,遙感數字圖像處理技術才真正地發展起來。隨著遙感信息獲取技術、計算機技術、數學基礎科學等的發展,遙感圖像處理技術也獲得了長足的進展。主要表現在圖像的校正與恢復,圖像增強,圖像分類,數據的復合與GIS的綜合,高光譜圖像分析,生物物理建模,圖像傳輸與壓縮等方面。其中圖像的校正與恢復的方法已經比較成熟。圖像增強方面目前已發展了一些軟件化的實用處理方法,包括輻射增強,空間域增強,頻率域增強,彩色增強,多光譜增強等。圖像分類,是遙感圖像處理定量化和智能化發展的主要方面,目前比較成熟的是基于光譜統計分析的分類方法,如監督分類和非監督分類。為了提高基于光譜統計分析的分類精度和準確性,出現了一些光譜特征分類的輔助處理技術,如上下文分析方法,基于地形信息的計算機分類處理,輔以紋理特征的光譜特征分類法等。近幾年出現了一些遙感圖像計算機分類的新方法,如神經網絡分類器,基于小波分析的遙感圖像分類法,基于分形技術的遙感圖像分類,模糊聚類法,樹分類器,專家系統方法等[2]。在高光譜遙感信息處理方面,也發展了許多處理方法,如光譜微分技術,光譜匹配技術,混合光譜分解技術,光譜分類技術,光譜維特征提取方法等。這些方法均已在高光譜圖像處理中得到應用。

    1.3 遙感技術應用現狀 
      總體上說,遙感技術的應用已經相當廣泛,應用深度也不斷加強。目前,在地學科學、農業、林業、城市規劃、土地利用、環境監測、考古、野生動物保護、環境評價、牧場管理等各個領域均有不同程度的應用,遙感技術也已成為實現數字地球戰略思想的關鍵技術之一。地球科學中的礦產勘查,地質填圖等是較早應用遙感技術的領域,隨著遙感技術的發展,其應用潛力還可以不斷地挖掘;在精細農業、環境評價、數字城市等新領域,遙感技術的應用潛力巨大。此外,GIS技術,虛擬現實技術、GPS技術、數據庫技術等的快速發展也無疑為遙感技術的更廣、更深的應用提供了技術支持。 
      總之,衛星遙感技術的迅速發展,把人類帶入了立體化、多層次、多角度、全方位和全天候地對地觀測的新時代。 

    2 產業化是衛星遙感技術持續發展的動力 
    2.1 衛星遙感技術蘊藏著巨大的產業化前景 
      遙感技術應用的基礎是遙感信息的獲取。地物在遙感圖像上形成各種信息是一個復雜的過程,這個復雜過程是由人類生活的真實地表空間的復雜性、千變萬化性和成像過程的復雜性共同決定的。具體地說,人類生存的地表空間是復雜的,是宏觀有序,微觀混亂的地理綜合體,成像獲取的遙感圖像的光譜值是混合光譜,受多種因素的影響。從信息論角度來講,遙感成像過程是信息從多到少的映射,是個確定過程,是把一個千變萬化、形形色色的地球表面高度概括、總結、選擇、壓縮的過程。正是這個過程,使得遙感影像中包含的信息具有宏觀性、多樣性、綜合性、周期性、量化等特點。這些特點決定了遙感影像中包含著人類生產活動各個研究和應用領域所需要和感興趣的信息,各個研究和應用部門均可以從不同的遙感影像中提取和挖掘出自己感興趣的有用的信息,為本部門的發展和應用服務,為國民經濟建設服務。這也就是遙感信息具有跨部門,跨學科的特點。遙感信息的上述特點決定了遙感技術從一起源就蘊藏著巨大的產業化前景。 
    2.2 衛星遙感技術發展的不平衡性需要加速產業化 
      衛星遙感信息的獲取技術得到了驚人的發展,空間分辨率和光譜分辨率已經達到相當高的程度。一個空間分辨率由公里級,百米級,到米級,分米級,光譜分辨率由幾百個納米,幾十個納米,到幾個納米的多空間尺度、多光譜尺度以及多時間尺度的海量衛星遙感數據的獲取技術已經形成,但衛星遙感信息的應用則相對發展滯后,出現了衛星遙感獲取技術的快速發展與信息應用滯后的矛盾。這個矛盾使得人們在欣喜地獲得大量可用數據的同時,卻在解決實際問題時仍然對知識萬分饑渴,深感信息的短缺。這主要是因為衛星遙感影像信息的應用過程遠比獲取過程要復雜的多。遙感圖像的解譯和應用過程是信息從少到多的映射,是個不確定過程,無法從數學上直接求得確定解。從信息論來說,是因為遙感成像過程在保留了總體信息的同時,壓縮了細節信息,同時又加入了噪音,減少了信息量,從而使遙感影像上所攜帶的信息量不足表達人們所希望求解的諸多地理對象內在的不確定度。這種不確定性程度因不同對象而不同。我們可以把遙感信息應用過程看成是一個信息傳遞系統,一個將遙感數據轉換為可用信息的過程。而遙感數據到信息的轉換,是由業務用戶的信息需求所驅動的,選擇什么樣的模型以及最終達到什么樣的目的完全因應用部門而異。由于支持“數據到信息”過程的基礎知識很少和短缺,限制了遙感數據直接產生經濟和社會效益,從而影響了遙感數據的應用廣度和深度。因此,要加強衛星遙感技術向國民經濟和社會發展諸多行業和領域的滲透、輻射,與各行業、領域的傳統方法相結合,而不是排斥和完全代替,以提升傳統行業、發展新興行業,加速衛星遙感技術產業化的進程。 
    2.3 實用化是產業化的前提 
       衛星遙感技術具有其他技術不可替代的優勢,但也有它的局限性,主要表現在: 
      (1)遙感技術在電磁波譜中僅反映地物從可見光到微波段(038um-100cm)電磁波譜的輻射特性,而不反映其它波譜段的地物特性。因此,它不能代替地球物理、地球化學等方法,但它可與其集成,發揮信息互補效應。

      (2)衛星遙感信息主要反映是近地表的現象、區域和運動狀態等。這一局限性與人類在地球科學和其他科學研究中不斷向地下深處發展之間產生了矛盾。這一矛盾使得遙感技術在不同行業和領域的應用程度可能會因應用領域的深入而受到影響。 
      (3)衛星遙感信息獲取過程的確定性與信息應用反演時的不確定性產生了明顯的矛盾。這一矛盾使衛星遙感技術在各行業和領域深入應用的效果受各種因素影響大,效果好壞不定。 
    我們之所以強調這些局限性是因為只有正確地認識到衛星遙感技術的優勢和局限性,才能揚其所長,補其所短,使它更加實用化。 
      顯然,衛星遙感數據的深入應用僅靠遙感技術和遙感知識是完全不夠的。實現遙感數據良好和深入的應用需要三方面的信息和知識,一是遙感信息和相關的處理技術;二是應用領域的專業信息和相關技術及知識;三是借鑒其他領域先進的信息技術。只有這三方面知識和技術的共同支持,應用部門才能更加準確地提取和理解賦存于衛星遙感數據中的專門信息,有效地服務于生產和研究。這三個方面的信息和技術可歸納為兩個結合,即遙感技術與各應用領域的專業技術相結合,遙感技術與其他現代信息技術相結合。這兩方面的結合方式和結合的緊密程度與應用部門或個人感興趣的目標地物賦存的地理空間及復雜性有密切關系。正是由于這種賦存地理空間的差異和對象屬性、運動狀態的復雜性差異,不同部門在進行遙感信息應用時,采用上述兩個結合的程度也不同,遙感信息的應用廣度和深度也有差異。無論對哪個應用部門,哪個學科或個人,不斷深入地應用遙感信息來有效地解決問題,上述這兩個結合都是必要的。換句話說,發揮快速發展的遙感技術的強大優勢,結合各行業和領域的傳統有效的方法技術,整合現代信息技術,發展交叉技術,從多學科,廣視角來解決各行業和領域遇到的實際問題,有利于衛星遙感技術的實用化,從而有利于推動衛星遙感技術的產業化。 
    2.4 商業化是產業化的催化劑 
    在市場經濟的大背景下,實用化→商業化→產業化是產業化的必由之路。沒有實用化,就談不上商業化,沒有商業化就形成不了產業,沒有產業化的推動,任何一項高新技術,包括衛星遙感技術就不可能持續的發展下去。 
    所謂商業化就是要將衛星遙感技術作為商品在市場經濟大環境下進行競爭,形成衛星遙感技術的規范化、規模化市場。促進衛星遙感技術商業化就要轉變觀念,樹立競爭意識,進行技術創新,研制開發新一代高水平的遙感衛星,提供高質量、具優勢的產品。同時,采用成熟技術,商業現貨產品和發射小型衛星的辦法降低生產成本。擴大市場需求,提供不同檔次級別的圖像產品和增益產品,培養個體用戶,大力發展個人圖像服務。改變傳統作業方式,實行商業運作,加強數字提供商與信息增值服務商之間的合作,逐步增大純商業化系統的比例。采取符合市場經濟規律的正確方針和有力措施,進行綜合經營,實行薄利多銷。遙感衛星產業包括衛星制造業,發射服務業、地面應用的服務業和地面設備制造業等。地面應用服務業包括代銷或經銷其他公司或非商業化的民用遙感產品等。 

    3 后遙感應用技術的開拓是衛星遙感信息產業化的重要途徑 
      陳述彭院土在評述“2003遙感科技論壇”[3]時指出:“2003年大會征集的學術論文,體現了觀念更新,技術創新的前沿視角。例如……提出‘后遙感應用技術’的理念,呼吁加速遙感信息產業化的進程……,令人耳目一新”。他一語道破了后遙感應用技術與遙感信息產業化的關系。 
    后遙感應用技術的理念包含的技術內涵是指將遙感技術與各學科的傳統地學方法相結合,與其他現代信息技術相結合的遙感信息深化應用技術,其內容涵蓋信息處理、信息解譯、信息分析、信息表述和信息應用等一整套方法技術系統。它的目的是最大限度地利用信息資源。它與遙感技術的內涵既有相同之處,又有區別。它們的異同在于后遙感應用技術的理念是從遙感技術深化應用的角度提出來的,它突出強調的是遙感技術內涵中的后一部分,即遙感信息的處理和應用過程,而沒有包含遙感技術內涵中信息獲取技術。因此,從技術內涵來看,后遙感應用技術的理念體現了遙感技術內涵在當今發展的不平衡性,既繼承了遙感技術內涵的信息處理與應用部分,又對這一部分的技術內涵進行了分離、擴展和延伸,使遙感信息處理與應用的含義更加明確,內容更加豐富,技術更加充實,應用更加有效,突出表達了加快遙感技術本身固有的巨大產業化進程的特點和趨勢。 
      后遙感應用技術的理念是我們在鈾資源勘查中長期探索遙感技術深化應用的基礎上,結合現代信息技術的新進展提出來的,并對它在鈾資源勘查領域的技術構成,研究內容,應用程序,應用效果等進行了探索[4,5]。 
    通過遙感技術來解決地質學問題(包括鈾資源勘查),尤其是解決尋找深部礦床問題遠比用遙感技術來解決氣象、農業、林業、城市規劃、環境監測等領域的問題要困難得多。原因在于,地質領域大多數問題都是長期地質歷史演化的產物,變化周期長,動態性不明顯,且多數在地下深處。這就決定了在地質學應用領域,遙感信息在大多數情況下只能間接地被使用,且具有更多的不確定性。因此,在鈾資源勘查領域,或者說整個地質學領域,遙感技術的應用更需要與多學科的專業信息、專業技術相結合,與更多的先進信息技術相結合。 
    在鈾資源勘查領域,后遙感應用技術理念的技術內涵是指,在信息源上集遙感信息、地球物理信息、地球化學信息、地質信息等多源地學信息為一體,在技術方法上集遙感信息處理技術、數字攝影測量技術、GIS技術、GPS技術、三維可視化技術、仿真-虛擬技術以及傳統地學研究方法為一體的信息綜合應用技術。它的最初目標是深入挖掘、理解和應用賦存在多層次,多類型遙感等多源數據中的與鈾資源勘查有關的有效信息。它的最終目標是建立虛擬的鈾資源勘查區,以實現對鈾資源的虛擬勘查。 
      鈾資源勘查后遙感應用技術理念包含的研究內容主要有:鈾資源數字勘查區構建技術研究;遙感信息與其他地學信息集成技術研究;地學信息三維可視化分析技術研究;鈾資源虛擬找礦和虛擬勘探技術研究以及鈾成礦過程與作用的仿真模擬技術研究等。隨著研究工作的深入,研究內容會更加豐富和實用。 
    鈾資源勘查后遙感應用技術的理念的應用大致可分為五個步聚:第一步是數據準備。第二步是數據挖掘,就是通過遙感圖像專題處理,信息集成,數理統計,網絡分析,人工智能等方式從已有數據中挖掘出有用信息。第三步是知識發現,就是把所有的數據和挖掘出來的信息通過數庫倉庫來管理,并通過空間分析和三維可視化等方式從多視角,多學科方面來發現信息存在的特征和規律。第四步是對發現的規律和認識進行概念化和模型化,并通過虛擬-仿真進行過程和環境再現,提高對已發現的規律的認知深度。第五步是決策,根據實際考察,優選決策方案。在實際應用過程中,可根據應用需要的不同進行修改或步驟跨越。 
      在后遙感應用技術理念的指導下,結合鈾資源勘查進行了方法技術與地質應用效果的示范研究,取得了明顯的效果。實踐表明,在鈾資源勘查領域,后遙感應用技術比起單一的遙感技術具有更大的實用價值和更好的應用效果。 
    雖然后遙感應用技術的理念是從鈾資源勘查的角度提出來的,但它強調指出了遙感技術深化應用研究和促進遙感信息產業化的時代要求和思路,其技術內涵不僅體現遙感技術本身發展和應用的需要,也體現信息技術時代社會各學科發展進步的需要。無疑,它的提出和開拓不僅會促進遙感技術本身的發展,同時也會促進與遙感技術有關的其它學科的發展。這將會大大加快衛星遙感技術產業化的步伐,是衛星遙感信息產業化的重要途徑。 

    參考文獻 
    [1] 鄭蘭芬,王晉年,.成像光譜遙感技術及其圖像光譜信息提取的分析研究[J].環境遙感,1992,7(1):49-58 
    [2] 周成虎,等.遙感影像地學理解與分析[M].北京:科學出版社,2001 
    [3] 莊逢甘, 陳述彭主編.2003遙感科技論壇:中國遙感應用協會2003年年會論會集.北京:宇航出版社,2003 
    [4] 劉德長,葉發旺等.后遙感應用技術的提出與地質應用-以鄂爾多斯盆地東勝-神木地區鈾資源勘查為例[J].國土資源遙感,2004,第1期. 
    [5] 劉德長,葉發旺.后遙感應用技術的提出與思考[J],世界核地質科學,2004,第1期

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