太空探索－指定教材

第九章 太空资源的科学与商业应用

9.3  空间对地观测（1）

9.3.1 空间对地观测的意义

从空间观测地球是空间资源利用的重要内容之一，它具有明显的社会、经济效益。从空间观测地球有许多出乎过去人们意料的优势： 它使我们可以很容易地从整体上认识地球；它使我们可以快速地追踪地球上的变化，使我们具备跟踪台风眼、监视火山爆发，甚至监视森林火灾、洪水、地震等灾害及预报的能力；它的多光谱和超光谱能力使我们能辨别植被、海洋的细微变化。自20世纪60年代以来，在不到半个世纪的时间里，空间对地观测已成为气象预报、地球资源勘探、大地测量、环境观测、灾害情况探测的全球、快速、全面的信息来源，也是地球科学中用以理解全球性过程和层圈间相互作用的主要信息支持。

据统计，应用资源卫星对台风和灾害海况监测及预报可使中国每年减少损失22.5亿元；在实现对海洋油气开发与矿藏资源开发的海洋预报中，每年得益1～1.5亿元；在指导海洋渔业和养殖业生产中，可使渔业成本下降，捕鱼量增加，每年可得益14～18亿元；在指导中国1000艘远洋船选择最佳航线方面，每年约得益1.4亿元。总之，海洋资源卫星与卫星海洋观测事业的发展，净增经济效益40亿元，其投入产出比是1∶14。

利用卫星遥感技术对农作物生长进行监测和估产，预测精度可达95%以上，仅北方冬小麦遥感监测与估产一项，年增收入可达4亿元。

遥感技术在铁路勘测和国土普查中具有重要作用。利用卫星照片进行国土资源管理，一年可比航测节省2000多万元。若10a中每年普查一次，可节省近2亿元。1988年国家地震局利用国土普查卫星照片，确认河北廊坊地区地震烈度由原来的9级降为8级，从而使该地区能够引进项目349项，计划投资153亿元，建成项目83项，创产值8.7亿元，建设项目1500万平方米，节约基建投资7200万元。

此外，空间对地观测在资源勘测、环境保护、预防灾害等许多方面都有重要应用价值。空间对地观测系统的核心是对地观测卫星，现已形成四大基本类型： 地球资源卫星、气象卫星、新型地球观测系统(Earth Observing System, 简称EOS)和商业小遥感卫星。

9.3.2 遥感基础

空间对地观测的基本方法是遥感。广义而言，遥感泛指各种非接触的、远距离的探测技术。其基本原理是根据物体各自的波谱和粒子特性，利用各种传感仪器，收集来自目标的波和粒子信息，经传输处理，从而获得探测对象的特性。

从空间对地观测的角度来看，遥感主要指从远距离、高空，以至外层空间的平台上，利用可见光、红外、微波等探测仪器，通过摄影或扫描、信息传输和处理，从而识别地面物体的性质和运动状态的现代化技术系统。任何物质的温度在绝对零度以上，都会反射或辐射不同波长的电磁波。人的眼睛或普通照相机，只能感受其中的可见光波段，但特殊的遥感仪器却能把紫外、红外或微波的信息强弱及其空间差异记录下来，经过电子计算机和光电设备的加工处理，再现这些物体的影像，变成人眼可以识别的图形，甚至按照专家系统的分析，直接输出结论性的地图。

遥感技术由遥感平台、遥感仪器以及信息接收、处理与分析设备等组成。遥感仪器的种类很多，除可见光、红外、紫外摄影机外，还有红外及多波段扫描仪、微波辐射计、微波散射计、侧视雷达、专题成像仪、成像光谱仪等，并不断向多谱段、多极化、高分辨率和微型化发展。各种遥感仪器接收到的数字或图像信息，通常采用三种记录方式： 胶片、传感器和数字磁带。通过校正、变换、分解、组合等光学处理或图像处理过程，提供给用户分析、判读，或再制成专题地图或统计图表，为资源勘察、环境动态监测与军事侦察提供信息服务。

1. 可见光遥感

主要利用人类眼睛可见的谱段(波长为0.4～0.7 μm)的遥感技术的统称。一般采用感光胶片或光电探测器件作为探测元件，以摄影方式为主。利用前后左右重叠的立体摄像对，通过立体量测和制图仪，可以获取地面的高程数据和高精度的空间定位数据，满足地形图测绘的要求。中国为科学实验卫星研制了全景摄影仪，回收的相片星下点附近的地面分辨率达到10 m左右；俄罗斯联盟号飞船影像的地面分辨率达到5 m；美国的低轨侦察卫星据说可达到0.15 m。可见光遥感应用广泛，对环境动态变化的对比分析，具有重要价值。

2. 红外遥感

通过红外敏感元件，探测物体的红外辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术统称为红外遥感。主要仪器有单通道红外辐射计、红外热像仪、多通道红外扫描仪等。红外遥感按波长分为三个谱段： 波长为0.76～3.00 μm的称为近红外，遥感技术中又称这个波段为反射红外，因为遥感器在此波段接收到的能量主要来自地物反射太阳能量。波长为3～6 μm的称为中红外。遥感技术中，为了探测高温辐射源发出的辐射，如监测火山活动、森林火灾等，选用3.0～5.5 μm谱段(大气窗口之一)作为遥感器的探测通道。波长为6～15 μm的称为远红外，其中8～14 μm波段是大气窗口之一，也是遥感技术中用于探测地球表面物质自身辐射的主要谱段。此外，遥感中将3～14 μm谱段称为热红外。地物在常温下的热辐射的绝大部分能量位于此波段，在此谱段，地物的热辐射能量大于对太阳的反射能量。遥感器接收到的信息主要来自地物的热辐射。中远红外具有昼夜工作的能力，对于夜间侦察、叶绿素含量与生物量估算、水体热污染、地热与地下水勘探，具有特别重要的意义。

3. 微波遥感

微波指波长为1～1000 mm的电磁波。通过接收地面物体或大气层发射的微波辐射能量，或接收遥感仪器本身发出的电磁波束的回波信号，可以对物体进行探测、识别。

前者称为被动(无源)遥感，如微波辐射计；后者称为主动(有源)遥感，如雷达、散射计、高度计等。微波遥感的特点是： 对云层、地表植被、松散沙层、干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天候工作，因此在海洋科学、大气科学研究并在开发利用海洋资源、全球变化研究、环境保护、地质勘探、灾害实时监测、陆地沙漠水资源探测、农作物长势及估产和军事应用等方面发挥着不可替代的作用。

微波遥感具有以下的特点：

(1) 全天候、全天时。被动微波遥感系统接收的是目标自身的热辐射，主动微波遥感记录的是系统发射的并被目标散射返回的电磁波，因此微波遥感不依赖于太阳辐射，不论是白天还是夜晚，微波遥感都能工作，这就是所谓的全天时。这一特性对于极地研究和行星探测具有极其重要的意义。微波能穿透云层，并在某种程度上可穿透云区。冰云对微波的传播几乎没有影响。对于水云和雨，由于水滴的吸收和散射情况与冰不同，当波长大于4 cm时，影响可以忽略；当波长小于2 cm时有明显的影响；当波长小于1 cm时影响才非常严重。这些事实说明了微波几乎可以在任何气候条件下传播，不论是主动系统还是被动系统，都具有全天候的工作能力。

(2) 微波对植被具有一定的穿透性。微波比光波对植被的透过性要强，穿透能力不仅与波长有关，而且还与植被类型、植被含水量和植被空间分布密度等有关。

影响植物微波散射的因素主要有植物的介电常数和植物各组分(叶、枝、茎杆等)的尺寸和取向分布。植物组织的含水量是影响其介电常数的最主要因素。单位体积内植物组织越多，微波散射发生的可能性就越大。由于这些因素，微波在植被层中的透射能力与植被类型、含水量、密度直接相关。

(3) 微波对地表具有一定的穿透性。与可见光和红外辐射相比，微波对地表具有更强的穿透能力。美国科学家曾利用航天飞机所获取的雷达影像发现了撒哈拉沙漠中的地下古河道，我国学者也利用雷达影像在内蒙古沙漠中发现了一些地下古河道。

影响电磁波与物质相互作用的最基本因素是空间与时间尺度，因而波长对地表穿透性的影响是显而易见的。较长波长的微波具有较大的穿透深度(穿透深度是指透射辐射强度减到入射辐射强度的36％时的深度)，较短波长的穿透深度小得多。土壤的含水量、质地对微波的穿透深度影响较大。微波的吸收散射对土壤中的水分非常敏感。对于干沙，某些波段的穿透深度可达数米，但较长的波长对潮湿土壤的穿透深度却只有1 cm左右。土壤质地直接影响土壤水分在土壤中的含量及存在方式(自由水与束缚水)，土壤水分与土壤介电常数密切相关，因而最终影响微波的土壤穿透深度。

综上所述，全天候、全天时是微波遥感最重要的特点，它大大提高与增加了人们实时有效地观测地球的能力和机会；微波比可见光、红外穿透植被和地表的能力更强，但这种穿能力是有限的，且与多种因素相关；微波遥感可获得与可见光、红外遥感不同的信息，这几种遥感手段彼此不可能互相替代，需要相互补充。综合运用这些遥感手段，人们可以更全面、准确、有效地探测地球。

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