对地观测技术

——课程汇报——对地观测技术研究进展一、简介二、发展历史三、研究目的四、主要应用五、研究进展六、未来发展趋势主要内容简介对地观测技术（EarthObservingTechnology)主要包括卫星通信技术、空间定位技术、遥感技术和地理信息技术等技术。所谓对地观测，是以地球为研究对象，依托卫星、飞船、航天飞机、飞机以及近空间飞行器等空间平台所携载的光电仪器，利用可见光、红外、高光谱和微波等探测手段，对人类生存所依赖的地球环境及人类活动本身进行的各种探测活动。广义的对地观测技术，不仅包括数据获取，还应包括从数据到信息，再从信息到知识的全过程。这些技术的集成使人类源源不断、快速地获取地球表面地物随时间变化的几何和物理信息，了解地球上各种现象及其变化，从而指导人们合理地开发和利用资源，有效地保护和改善环境，积极地防治和防御各种自然灾害，不断地改善人类生存和生活的环境质量，以达到经济腾飞和社会可持续发展的双重目的。发展历史对地观测技术的核心是遥感技术。1957年10月4日，前苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星Sputnik-1，揭开了人类进军太空的序幕，也标志着人类航天时代的来临。1958年，美国发射了第一颗“探险者”-1号人造卫星。1965年，法国发射了第一颗“试验卫星”-1（A-1）号人造卫星。1970年2月，日本发射了第一颗人造卫星“大隅”号。1970年4月24日，中国发射了自己的第一颗人造卫星“东方红一号”。1972年美国地球资源技术卫星(后称陆地卫星)上天，其多光谱扫描仪影像用于对地观测，使得遥感作为一门新技术得到广泛应用。目前进展据统计，目前世界各国发射的在轨人造卫星达到3000多颗，其中提供遥感、定位、通信传输的数据和图像服务的近500颗，已建成的遥感卫星地面接收站30多个。截止到2015年12月31日，地球轨道上总共有1381颗正常工作的卫星，其中美国的卫星数量遥遥领先，有568颗；中国的卫星数量次之，有177颗；俄罗斯133颗；日本56颗；英国42颗；印度36颗；加拿大30颗；德国25颗。对地观测技术的研究目的（1）为国防建设、战略部署、现代武器精确打击、反恐维稳等军事行为提供地理空间信息支持；（2）研究人类所生存的地球空间环境及其运动变化的规律，为人类开发地球资源保护环境，防灾减灾及经济社会发展的宏观决策提供科学依据；（3）直接支持各类工程的规划、设计、施工质量监理和运行管理，以及矿业、电力、林业、农业等生产过程的定量检测与精确定位实施；（4）为民众生活提供各种基于位置的服务。主要应用对地观测系统的作用是对陆地、大气空间和海洋实行全面、全天侯、全天时的观测，为国家取得军事斗争胜利和经济社会可持续发展提供准确可靠的战略性和基础性数据。对地观测系统主要服务于以下方面：监测灾害，减少自然或人为灾害所造成的生命财产损失；监测环境因素对人类健康的影响；监测能源，改善对能源资源的管理；监测气候变化；监测和了解水循环，改善水资源的管理；监测天气，改善气象信息、天气预报；监测生态系统，提高对陆地、海岸、海洋生态系统的保护和管理；监测农业，支持可持续农业发展，减少荒漠化；监测和保护生物多样性；监测地形、地质、加强矿产油气资源的勘探；监测城市安全，加强城市规划和管理；监测军事和国家安全。遥感技术方面的应用一、获取地理数据遥感技术方面的应用二、获取地球资源信息遥感技术方面的应用三、应急灾害一、5S技术的集成对地观测技术本身就是多学科的综合，技术的联合应用将大大拓宽对地观测技术的应用范围，引领更广阔的市场，实现遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、专家系统(ES)和智能化决策知识系统（IDSS）即“5S”的联合。5S技术是把GIS、RS、GPS、IDSS、ES这5项单项技术综合、集成为一个整体,更方便、更迅速地解决综合信息问题决策的一项集成技术。二、全球导航卫星系统2007年4月14日我国发射第一颗COMPASS（北斗）导航卫星，标志着中国正式进入全球导航卫星系统（GNSS）俱乐部，成为第四个成员国。北斗导航系统是由30颗卫星组成，每颗卫星同时在四个载波频率上辐射公开与授权服务的信号，计划在2020年扩展为全球系统。全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem缩写GNSS）有四个，即美国的全球定位系统（GPS）,俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS），欧盟的伽利略系统（GALILEO），中国的北斗导航系统（COMPASS）。其它系统仅允许作为区域系统或广域增强系统加入。例如，日本的QZSS（准天顶卫星系统）、MSAS（多功能卫星增强系统），印度的IRNSS（印度无线电导航卫星系统）等。对地观测技术的研究进展一、全球观测成为卫星遥感的当前重点卫星遥感是世界先进国家和快速发展国家作为国家综合实力的标志而争先发展的高端技术。经过数十年努力，卫星遥感已在国土资源调查、环境监测、防灾减灾、农作物估产、军事侦察与打击等方面得到广泛应用。近几年特别值得关注点是全球变化研究。全球变化研究指的是全球气候变化、全球海平面变化、全球生物多样性保护、全球重大灾害监测与评估、全球观测系统。全球变化研究分两大部分：一是全球资源环境变化的综合研究；二是全球气候变化的研究，尤其是地表气温变暖的研究。（一）全球资源环境变化的综合研究这方面的研究分成全球地球观测系统和全球地球研究两个部分。1.全球地球观测系统全球地球观测系统的主要目标是：减少自然或人为灾害所造成的生命财产损失；了解环境因素对人类健康和生命的影响；改善对能源的管理；了解、评价、预测、减轻以及适应气候变异和变化；通过更好地了解水循环来改善水资源管理；改善气象信息、天气预报和预警；提高对陆地、海岸、海洋生态系统的保护和管理；支持可持续农业、减少荒漠化；了解、监测和保护生物多样性。2.全球地球研究全球地球研究主要有美国NASA的ESE计划、欧盟ESA的GMES计划、日本JAXA的全球模拟器计划和中国的综合地球观测系统。美国ESE（地球科学事业）计划的重要内容包括：了解并描述地球是如何变化的；识别并测定地球变化的主要驱动力；认识地球系统如何影响自然和人类的变化；确定由人类文明进程而导致的地球系统变化的后果；实现对地球系统未来变化的预测。中国综合地球观测系统（CIEOS）的内容包括：灾害、农业、水文、国土、城镇、气象、地震、环境、森林、海洋、测绘和科研等各专业的观测系统。（二）全球气候变化研究关于全球气候变化，国际上有两个观点对立的学术派别组织：一个是得到联合国支持的政府间气候变化委员会（IPCC），另一个是世界多国科学家自发组织的非政府国际气候变化委员会（NIPCC）。IPCC的观点是“自20世纪中叶以来所观测到的全球平均气温的升高，其大多数因素极有可能与人为造成的温室气体浓度的增加有关。”并且断言，“如果未来时期全球年平均地表气温上升2℃，人类社会将受到重大的损失，如果上升4℃，整个地球的生命将遭到毁灭性打击。”而NIPCC认为“没有令人信服的科学证据表明，人类排放的二氧化碳、甲烷或其它温室气体在可预见的未来会引起灾难性的地球大气圈变热和地球气候的破坏。此外，有确凿科学证据表明大气中二氧化碳的增加，对自然界的动植物和地球环境起到了许多有益的效果。”中国对于全球气候变化的研究也十分重视。中国学者对全球气候变化也有类同国际上的两派学术观点。但是共同一致的观点是：应该加强遥感全球观测，用真实数据给出科学结论。为了能精确定量观测地球大气层中二氧化碳的数量及循环变化情况，美国NASA花费8年时间研制了“轨道碳观测”卫星，但是于2009年2月24日发射失败。而日本在2009年1月23日发射成功“呼吸”号，成为全球首颗“嗅碳”卫星。但是，至今尚未公布他们所获取的数据。二、高分辨率遥感的多样化发展航天航空遥感技术虽然同时向着高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率方向发展，但是，从社会实际需求所驱动的市场营销量来看，增长最快的还数高空间分辨率（通常简称高分辨率）影像。目前，以高空间分辨率光学遥感影像为主体，配合其它遥感影像的遥感数据市场已经在全世界兴旺。从市场和应用需求的角度看，这方面的发展有如下几个特点。1.高分辨率卫星的商业化运作模式在世界范围内获得普遍成功继美国空间成像公司的IKONOS卫星、数字地球公司的QuickBird卫星、法国的SPOT卫星之后，英国萨里公司的Rapideye星（业主德国）、Deimos星（业主西班牙）、NigeriaSat星（业主尼日利亚）和UK-DMC星（本国）、德国OHB公司的SAR-lupe星、Enmap星、以色列ImageSatInternational公司的EROS星，以及中国二十一世纪公司的北京一号小卫星，充分展现了高分卫星商业化运作的成功。北京一号小卫星是我国第一个以企业为实施主体，国际合作，集成创新，成功发射，并且以自负盈亏方式自主运行了四年的遥感小卫星。四年来，该卫星提供稳定的数据，形成高效的市场服务能力。在国土资源管理、农业调查统计、生态环境评价、城市精细化管理和重大工程检测等方面获得广泛应用。北京一号小卫星的成功经验很值得推广。美国IKONOS卫星，是世界上第一颗提供高分辨率卫星影像的商业遥感卫星，卫星影像分辨率为1m。美国QuickBird卫星是目前世界上最先提供亚米级分辨率的商业卫星，卫星影像分辨率为0.61m。法国SPOT卫星图像的分辨率可达10-20m，这是比美国“陆地卫星”的优越之处，加之SPOT卫星可以拍摄立体像对，因而在绘制基本地形图和专题图方面将会有更广泛的应用。“北京一号”小卫星是中国第一个由企业实施和运行的对地观测卫星项目，卫星上装有4米全色和32米多光谱双传感器。三维观测长期以来中低分辨率的卫星遥感，追求光谱信息量而不追求纹理信息量，一般都只限二维观测，也就是说，没有构成立体影像。但是，发展到高空间分辨率遥感、影像纹理很丰富。面对真实三维的客观世界，仅仅二维影像很容易造成误判读。因此，高空间分辨率遥感已经向三维观测发展。航空遥感之所以很受市场欢迎就是因为有立体观测。法国SPOT卫星是世界上第一个实现立体观测的卫星，现今，IKONOS、QuickBird、Alos、EROS、GeoEye、Cartosat等都拥有获取立体影像的技术。与之同时，相应的卫星遥感立体摄影测量软件也很快研发推广。我国资源三号卫星是首颗民用高分辨率光学传输型立体测绘卫星，于2012年发射。该卫星配置三线阵测绘相机和多光谱相机，能满足1：5万地形图测绘、国土资源调查、以及向全社会提供5米分辨率三维影像模型信息等任务需求。2.机载传感器系统发展很快相比起卫星遥感系统，机载成像传感器系统近几年的进步更为突出。在飞机上安装GPS，能使成像传感器中心的空中定位精度达到厘米级。同时，安装惯导系统（陀螺仪），可以提高成像系统的稳定度，并精确测量其姿态角值，达到千分之五度的精度。以上两者的结合，制成POS（定位与定向）系统，大大提高了空中摄影的质量，尤其是提高了机载SAR（合成孔径雷达）和Lidar（激光雷达）的构像质量。机载传感器系统中突出的技术进步还表现在SAR、Lidar和低空倾斜摄影这三项技术。①机载SAR（合成孔径雷达）是一种主动式遥感技术，因为它可以在阴雨天气获取影像，因此成为当前全天候遥感的主力技术。同时，借助长波段微波信号能穿透植被与浅层沙土的能力，以及不同极化波所具有的对不同形态目标的显示能力，使它在地物识别上发展出独特的优越性能，因此成为当前很有发展潜力的技术。②Lidar（激光扫描成像雷达）也是一种主动式遥感技术，在有精确POS（定位与定向系统）支持的情况下，它能实时地获取精确到厘米级的地形起伏模型数据，同时还能利用穿透树木枝叶的四波量测树木高度和体积等参数。因此，也成为当前很有市场前景的技术。③低空倾斜摄影是在低空飞机上安置4个以上向不同方向倾斜的相机、获取城市建筑物的多面体侧面纹理，同时构建立体模型。此技术非常适应当前繁华城市建设规划、经济社会管理、民众生活服务和安全防务的需要。3.无人机低空遥感