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[行业资讯] 遥感技术改变着地球科学研究的进程

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发表于 2017-11-10 15:40:53 | 显示全部楼层 |阅读模式

   遥感、地理信息系统技术和最近发展起来的全球定位技术为地球科学提供了全新的研究手段,导致了地球科学的研究范围、内容、性质和方法的巨大变化,标志着地球科学的一场革命。和传统的对地观测手段相比,它的优势表现在:提供了全球或大区域精确定位的高频度宏观影象,从而揭示了岩石圈、水圈、气圈和生物圈的相互作用和相互关系,促进了地球系统科学的诞生;扩大了人的视野,从可见光发展到红外、微波等波谱范围,加深了人类对地球的了解;在遥感与地理信息系统基础上建立的数学模型为定量化分析奠定了基础;同时,还实现了空间和时间的转移:空间上野外部分工作转移到实验室;时间上从过去、现在的研究发展到在三维空间上定量地预测未来。遥感技术正在改变着地球科学研究的进程。
     环境与资源是地球科学的主要应用研究领域,也是以遥感技术为核心的对地观测技术最具有应用潜力的领域之一。我国正面临着日益严重的环境与资源问题,本世纪末到下世纪初,将是我国环境与资源问题最为尖锐的时期,如果处理不好,必将影响到国民经济的持续发展。因此,遥感技术已被列为国家90年代国民经济发展的35项关键技术之一。遥感技术在解决我国资源与环境问题、促进国民经济持续发展的作用是:
    (1)为制定国民经济发展计划提供资源与环境动态基础数据。
    (2)为国家重大的资源、环境突发性事件提供及时准确的监测评估数据,保证国家对这些重大问题作出正确、快速的反应。
    (3)生物量估测。包括农作物产量、产草量、水面初级生产力预估和评价。
    (4)为国家的重要经济领域提供信息服务。
    遥感应用的综合性是其重要的技术特征和技术优势。遥感技术在地质矿产和水资源的勘探,森林,草场资源调查与评价,海洋渔场调查,城市的规划,气象,海洋预报等领域均发挥着重要作用。它的技术发展将推动国民经济各领域信息技术进步,更好地为国家发展决策服务。
    发展趋势
    在卫星遥感应用方面,空间技术、信息技术和计算机技术的发展,推动了遥感技术的进步。遥感影像的空间分辩力和光谱分辩力的明显提高,扩展了它的应用领域;计算机运算速度和容量成数量级的增加、数据库技术和网络技术的发展和人工智能的应用为分析处理大数据量的遥感和地理数据创造了条件。所有这些都为遥感信息系统的实用化奠定了技术基础。数学模型作为联系遥感、地理信息系统与实际应用之间的纽带,处于十分重要的位置,发挥了极为重要的作用。遥感与地理信息系统的发展趋势表现在以下几个方面。
    综合对地观测系统的建立
    遥感技术应用实践表明,服务于资源与环境监测的对地观测系统是由航天。航空、地面观测台站网络等于系统组成的,具有提供定位、定性、定量数据能力的综合性技术系统。同时,这个系统应当是一个全天候、全方位的综合系统,这样才有可能对地球物理场、生物、地理、化学过程进行比较全面的调查研究,从而为资源开发、环境保护、区域经济协调和持续发展提供系统的科学数据和信息服务。
    对地观测空间卫星子系统应是由大型极轨组合平台与小卫星系列、多高度、多种轨道卫星组合的观测体系。从资源与环境监测的需求出发,卫星发展的重点包括:连续地提供高质量的观测数据、长寿命化的观测技术;以定量化为目标的超多波段成像光谱技术;不受云层影响的微波传感器技术;以海洋和大气为主要对象的探测器技术和全球空间、全天候、全时域、连续、快速、高精导航定位的全球定位系统技术。
    遥感、全感定位系统和地理信息系统的一体化
    地理信息系统需要应用遥感资料更新其数据库中的数据;而遥感影像的识别需要在地理信息系统支持下改善其精度并在数学模型中得到应用。两者之间存在着密切的相互依存关系。但在目前的技术水平下,这种关系受到制约,主要有两方面的原因:一是受卫星分辨率和识别技术所限,遥感图像计算机识别的精度还不能满足更新较大比例尺专题图的要求;二是遥感图像与常用的地理信息系统的不同的数据结构妨碍了数据间的传输。
    展望今后十年,新一代卫星影像的分辨力将有大幅度提高;在专家系统支持下,计算机识别精度也将有明显的改善;同时,从遥感图像具有的棚格数据结构向地理信息系统常用的矢量数据结构的转换已取得明显进展,新的数据结构不断出现,有的达到实用化水平。因此,遥感与地理信息系统一体化已是可以看到的前景。那时,再也不需要重复遥感图像一目视解译一编图一数字化进入地理信息系统的模式,整个过程将为计算机处理所代替,应用实时遥感数据的数学模型将得以运行。
    遥感、全球定位系统和地理信息系统一体化技术,又称三s技术(RS、GPS、Gis),随着美国用于全球定位系统的24颗卫星在1993年6月最终全部发射成功已提到日程。全球定位系统的组合技术系统为遥感对地观测信息提供了准实时或实时的定位信息和地面高程模型;遥感对地观测的海量波谱信息为目标识别及科学规律的探测提供了定性或定量数据;遥感、全球定位系统、地理信息系统的一体化将使地理信息系统具有获取准确、快速定位的现实遥感信息的能力,实现数据库的快速更新和在分析决策模型支持下,快速完成多维、多元复合分析。因此,三5技术将最终建成新型的地面三维信息和地理编码影像的实时或准实时获取与处理系统,形成快速、高精度信息处理流程,对遥感技术发展具有深远的意义。
    高速大容量遥感数据处理系统建设
    当前,急待解决遥感地面应用系统建设较卫星研制和发射投入薄弱、时间滞后的问题。
    环境与资源遥感监测特点要求遥感数据处理系统必须有较高的处理速度、处理能力和精度。 80年代以卫星图像目视解译为基础的大区域综合调查需要3年左右时间完成,和传统调查方法相比,这已经是很大的进步; 90年代以资源与环境动态监测为目标,这个周期必须缩短到一年而灾害评估、农作物估产等定量环境和资源遥感工程,则更需要数小时和数天内完成。在数据处理分析精度方面,考虑到资源与环境动态监测中要查清的季度、年度变化本身数值很小,因此对精度的要求更为严格,需要稳定在90%以上,直至达到95%,这是传统的计算机识别没有达到的目标。同时,未来空间遥感技术发展将导致传感器空间分辨率、光谱分辨率的大幅度提高,这些传感器投入运行的结果将使卫星图像的数据量和计算机处理运算量大幅度增加。据初步统计, 90年代末期,遥感卫星的数据量将增加100~400倍,计算机处理的运算量将增加1000~17000倍。目前需要百万次级计算机解决的图像识别问题,将需要由10亿次~170亿次计算机完成。上述处理速度、精度和处理能力问题如不解决,将造成大量遥感数据积压,处于数据爆炸状态,无法发挥遥感技术所具有的宏观、快速和综合的优势。因此,以解决上述问题为目标,建设遥感数据处理系统势在必行。在系统设计中,定量化遥感是重要的方向,主要通过绝对幅射校正研究解决(包括遥感器绝对定标和建立目标的地物波谱与遥感数据的相关模型)。此外,在处理技术方面,要解决多元、多维复合分析的智能化处理,以及新型传感器数据分析处理技术等关键问题。
    神经网络计算机和专家系统将对高速大容量遥感与地理信息系统数据处理系统建设提供强有力的支持。神经网络计算机是尽可能模拟人脑——超级信息处理系统的产物。它试图解决现代计算机无法根本解决的一些技术问题,例如对各种图像信息的快速准确的识别。造成这些问题的原因是现代计算机在冯·诺伊曼体系下,按符号/逻辑规则顺序串行运算,它不具备、人脑的智慧性、时空整合、思维联想等功能。尽管在现代计算机中人工智能获得了应用,但仍无法准确模拟人脑的思维活动。若采用神经网络,利用其全并行处理、自适应学习、联想功能等特点,解决计算机视觉、模式识别等待大数据量、信息特别复杂的问题,表现出明显优于传统计算机方法的优势,从而解决遥感图像识别和遥感及地理信息系统数据的综合分析等问题。
    专家系统已在遥感图像识别实验中得到应用,但远远没有达到实用阶段。当前一些遥感应用科学工作者开发了一批专家系统软件,但还很不成熟。应当指出,计算机研究人员已开发了一批专家系统开发工具,从理论完整性和实用性以及人力的投入上都远远超过了应用工作者开发的专家系统。因此,对于遥感和地理信息系统应用科学家来说,正确的途径不是良己独立开发专家系统,而是从众多的已开发的专家系统开发工具中选取适合于地球科学应用的模式,赋予地球科学内容,特别是在认真科学地总结专家知识的基础上建立知识库应是地球科学工作者研究和应用专家系统的正确方向。
地理信息系统技术发展    地理信息系统已是遥感应用的不可分割的组成部分,它将以更有效地支持数学模型为目标,在结构上进行调整。
   (1)面向目标的设计思想
    现有的地理信息系统具有较满意的输入、编辑、查询的展示空间信息的功能,但这些系统在执行空间分析的模型化方面有局限性。主要原因是不同的应用模型使用不同于地理信息系统的数据结构,使得地球科学应用人员不得不花费更多的时间去解决计算机的问题,而不是解决地球科学问题。面向目标的结构和语言在过去的十年中,在程序语言、系统分析的设计、计算机辅助工程、计算机辅助设计和管理、数据库管理系统中得到越来越多的应用,它将允许将空间数据类型加到语言中,它所定义的新的一级目标作为以前定义目标的扩展,可以减少数据的冗余。因而,它在地理信息系统中有着广阔的前景。
    (2)计算机并行处理技术
    当前,地球科学分析对计算机运算量有了越来越大的要求。这主要是因为遥感与地理信息系统中应用的数学分析模型将面对日益膨胀的地理信息系统构成的大型空间数据库、对全球研究的日益浓厚的兴趣、决策系统对快速响应的迫切需要。因此,顺序处理已不能满足极大量的数据运算要求,取而代之的将是并行处理技术,以更大幅度提高运算速度。
   (3)新型的地理信息系统数据结构
    当前,普遍认为基于矢量与基于栅格的数据结构都有局限性,数据结构的改造势在必行,方向是把矢量与栅格数据结构的优点结合起来。现在提出的线性四叉树的一元数据结构,R树结构,都有待进一步研究,并在实际中应用。
   遥感与地理信息系统中数学模型的进展
    (1)数学地理模型的专业化研究
    随着遥感和地理信息系统应用的不断深入和普及,面向不同专业的数学模型将进一步分化,以物理模型为理论基础的专业化模型将是近期地理分析模型的主流。例如,遥感图像识别中有关纹理的数学模型正在混和象元分解的基础上展开;估产模型的建立,则已深入到光合作用的机理研究;各种遥感水文模型,也是建立在降水与下垫面交互作用机制研究的基础上。诚然,统计分析在建立模型和参数分析上仍然发挥着重大作用,但是单纯的数学分析模型的重要性正在相对减少。 

    (2)基于数据结构理论的模型开发
    在过去乃至当前,数学地理模型研究更多偏向于模型的建立、数理方程的求解,而对模型的可移植性、有效性等不够重视,模型的数据与代码分开。新一代数学地理模型将把代码与数据结合考虑,共存于模型之中,让数据引导代码,代码处理数据。

  (3)通用化数学分析模型的研制
    随着数字分析技术的发展和计算机功能的提高,通过进一步的理论概括和概化,形成以处理数字数据为主体的通用化数学地理模型。例如以研究时间进程为主要对象的时序分析模型系统的建立,以模拟地理现象二维或三维空间分布特征为对象的面模拟模型。七些通用化的分析模型将进一步改善现有地理信息系统软件的分析功能。
    (4)数学地理模型工具的建立
    为了便于数学地理模型的推广应用,提高模型的分析水平,数学地理模型工具的建立将是未来研究的一个方向,包括专业化的地理模型语言,具有智能化水平的模型管理系统。它们既可以作为独立体存在,也可与遥感和地理信息系统有机的结合为一起。
    多媒体技术应用
    多媒体技术是计算机的下一场革命。今后几年内,多媒体将是PC机上最普及的人机接口,而图形用户接口将结束其历史使命。今后多媒体用户接口将会出台并广泛应用。多媒体计算机集声、图、文于一体,集电视、录相、光盘存储、电子印刷和计算机通信之大成,多媒体技术性必将得到广泛应用的大趋势构成90年代的时代特征。多媒体技术和数据库、通信技术、专家系统、知识信息处理相结合可开发更好的具有一定智能的决策支持系统。建立面向对象的多媒体数据库更有效的综合利用多媒体信息为决策服务。这都将在遥感和地理信息系统设计与实现方面引起革命性变化。
   主要研究内容
    (1)遥感信息传输与成像机理研究
    通过对地球表面各圈层物质,即岩石圈、水圈、生物圈和大气圈物质与电磁波辐射之间相互作用所表现出来的一系列特征及其在时间和空间上的展布与延伸;通过物理基础模型的建立和地学规律的结合,数学算法及计算机信息处理技术的发展,达到深入研究地球表层物质的类型,识别属性,区分类型,分析其时空动态变化及数量的目的。因此,以地表物质与电磁波辐射相互作用为主线,以及所产生的电磁波在各个区域,如可见光、近红外和短波红外、热红外,微波等的反射、透射、吸收发射和散射为基础,建立电磁波遥感信息在大气、水体、岩石圈土壤中的传输模型,研究遥感信息在大尺度空间分异和时间序列上的动态变化,在光谱维的延伸上研究成像光谱信息与地球科学特征的定量关系,在微波遥感方面研究其成像机理及识别地物的能力。
    (2)遥感、全球定位系统和地理信息系统一体化研究
    通过研制基于成像传感器数据,激光扫描测距数据,全球定位。系统数据和飞机姿态数据的三维信息获取与实时处理的实用化系统,实现高速(提高1~2个数量级),无地面控制点直接获取已相互准确匹配的DEM和地球科学编码影像。同时,完成星载成像光谱信息获取与快速处理技术系统预研工作。
    (3)高速大容量遥感数据处理系统研究
    重点研究成像光谱海量数据处理和星载雷达高速图像预处理和信息提取技术以及基于RS一GPS一G1S获取的三维数据的信息提取和分析技术。
    (4)地理信息系统研究
    以更有效的支持数学模型为目标,并在结构上进行调整,包括:数学地理模型的专业化研究;基于数据结构理论的模型开发,通用化数学模型的研制;数学地理模型工具的建立等。
    中国资源与环境信息系统的研究与建设。
    多媒体技术支持下的智能决策支持系统研究。
    (5)遥感信息综合应用研究
    资源环境动态监测系统。包括:国家
土地利用状况的监测和土地增值趋势的评估;水资源状况的调查监测与评价;国家重大自然灾害综合监测和评价;中国生物量变化监测。
    全球环境变化的监测。包括:土地利用变化监测;植被覆盖变化的监测;土地荒漠化的监测;地表水资源变化监测;地表温度变化监测;环境变化监测信息系统(DATA BASE)。
    (6)海洋遥感研究
    海洋资源在人类生存中占有越来越重要的地位,海洋遥感也成为遥感应用中引人注目的重要领域。主要是用于海况遥感监测、海洋污染监测和海洋初级生产力调查。目前,正在由再生资源向非再生资源拓展,特别是石油资源调查具有突出的重要性。

 (此文为转载)

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发表于 2017-11-10 16:30:40 | 显示全部楼层
谢谢分享,共同学习进步提高
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