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卫星遥感数据是怎样获取的?如何从中提取有用信息?
发布时间:2021-11-17     来源:《感知地球——卫星遥感知识问答》(中国宇航出版社出版)     作者:满益云、时红伟      浏览:3469

卫星遥感很大程度上是围绕着“电磁波—信号—数据—信息”的数字化转换过程来展开的(如图1所示),具体过程可以概述如下:自然界电磁辐射源(如太阳光)或卫星主动发射电磁波A,透过其传输的媒介B,与目标C发生相互作用,遥感卫星对电磁波进行采集与记录,形成数据D,通过数据传输分系统或者中继卫星把载有数据的调制信号E发送到地面,地面系统接收、解调和处理之后,输出得到不同级别的数据产品F,经过应用系统的反演和解译G,提取得到遥感应用信息产品H,从而理解并揭示人类社会活动和地球环境的相互作用规律,为人们生产和生活中的决策活动提供支持与帮助。

图1 从目标信号、数据获取到信息应用的转化过程

以上卫星遥感过程是由卫星遥感系统完成的,一般由数据获取系统和应用系统组成,可以分为正演过程和反演过程(如图2所示),其中正演是指通过电磁波与物体的相互作用,获取、测量、处理获得相关数据(通过数据获取系统得到),即通过前向模型R=f{a,b,c,d,e},由{a},{b},{c},{d},{e}获得{R}的过程;而反演则是提取数据载有的信息(通过应用系统得到),即通过逆向模型a=g{R,b,c,d,e},由{R},{b},{c},{d},{e}获得{a}的过程。以植被遥感为例,植被{a}:包括植被组分(叶、茎等)的光学参数(反射、透射等)、结构参数(几何形状、植株密度等)及环境参数(温度、湿度等);地面{b}:包括反射、吸收、粗糙度、含水量等;辐射源{c}:包括阳光照射的谱密度、方向等;大气{d}:包括大气组分及特性、大气透过率、背景辐射等;遥感数据获取系统{e}:包括与植被的几何关系、响应、噪声等;{}表示特征及参数集合。


图2 遥感的正演和反演过程示意图

卫星遥感的数据获取正演过程和信息提取反演过程非常复杂,不同类型的遥感器也存在较大的差别。为了较好地说明这两个过程,举一个多光谱遥感用于树木生长状态情况监测的例子。

首先说一下卫星遥感的数据获取过程,多光谱相机作为一种光学遥感器,既可以对物体成像,又可以测量物体的光谱特征。不同的树木,如松树、柳树、榕树、梧桐,等等,在可见近红外谱段有着不同的光谱反射特征,同时它们在不同生长状态的光谱特征也有所不同(如图3所示)。当照射在这些树木上的太阳光被反射时,其反射光中就包含了它们的光谱特征。装载在卫星平台上的多光谱相机可以接收到来自不同树木的反射光、散射光,生成含有图像和光谱信息的遥感数据,并将遥感数据通过信号调制发回地面。地面系统接收信号,加工处理后将图像数据传送给遥感应用系统。以上过程可以称为卫星遥感的数据获取正演过程。以上图像数据获取过程,受到多个成像环节各种要素的影响。太阳光下行穿过大气,树木等目标反射其光照,再上行穿过大气,到达多光谱相机入瞳处,经过光学镜头聚光收集、探测器光电转换、电子学放大量化等生成数字信号,经过压缩和调制之后由数传传送到地面。在这个过程中,会受到大气的吸收散射和湍流、光学镜头畸变、调制传递函数(MTF)、噪声、杂光、误码等多种要素的影响。地面系统接收数据后,经过信号解调、数据解压缩、相对辐射校正、大气校正、图像复原、几何校正等步骤,在得到单个谱段图像数据的基础上,通过对多个谱段的图像进行融合,得到最终图像数据产品。


图3 植被不同生长状态的光谱特征不同

为了从多光谱融合的图像数据中提取信息,需要在对多光谱图像数据产品进行绝对辐射定标的基础上,根据不同树木的光谱反射特征库,经过遥感应用系统的反演,提取不同时间的树木生长状态信息(如图4所示),从而获得树木分布情况和不同生长状态等信息产品,由此完成卫星遥感的信息提取反演过程。从多光谱图像中提取树木信息的过程也非常复杂,通常需要多个步骤来完成。第一步,需要结合多光谱相机的光谱响应特性曲线和绝对辐射定标数据,反推出在探测器上的辐亮度;第二步,需要结合相机光学部分的特性和探测器的光电转换特性参数,反推出相机入瞳处的辐射率;第三步,由卫星姿态等外方位元素和相机内方位元素等几何定标参数,将各像元定位到地表的不同位置,用以确定树木的具体位置;第四步,结合大气状况和大气辐射传输特性,反推地面的光谱出射度;第五步,结合成像时刻太阳、地表和卫星的位置关系,反推树木的光谱反射率;最后,根据不同树木的光谱反射率曲线,提取树木分布以及生长状态等信息。以上过程可以称为卫星遥感的信息提取反演过程。


图4 根据不同光谱特征反演树木的分布和生长状态

值得一提的是,无论是遥感数据获取的正演过程,还是从遥感数据中提取目标信息的反演过程,均需要深入地理解其物理规律,对由电磁波到数据的生成过程理解得越透彻,信息反演的应用模型越精确,得到的有用信息就越多。


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