遥感发展前沿及主要趋势

2015-04-03北京大学地球与空间科学学院中科院遥感与数字地球研究所童庆禧遥感技术发展的前沿及主要趋势

人类对自然认知能力的提高，人类想象力的飞跃，科学技术的新发展：物理学、化学、材料科学、计算机技术，特别近代的航空航天科学技术的发展激励和催生了一系列新兴科学技术的发展，遥感科学技术就是其中之一；

发展于19世纪中叶的摄影技术使人们第一次从空中以鸟的视角来观测地面。开初的空中摄影主要是了解地物的几何形状和大小，相对的位置关系，这就是空中摄影和而后的摄影测量的形成和发展；

战争大大促进了人们对空中观察对方的渴望，对于对手的了解成为战略或战术成功的重要前提，也成为制约对方的重要手段，红外线、紫外线的发现和应用，雷达波的应用使得人们对地物的观察进入了一个崭新的世界；

于是在1962年国际上第一次出现了“遥感”一词，此后，这一新兴科学技术得到了突飞猛进的发展，成为国际上炙手可热的科技领域，技术不断创新、应用不断拓展前言遥感—是一种远离（地球）目标，通过非直接接触而感知、测量、分析并判定目标性质，其空间展布、类型及其数量的探测技术太阳卫星飞机大气海洋陆地目标辐射目标辐射目标辐射目标辐射电磁波─遥感信息的载体放射性源同步辐射电灯人体辐射雷达微波炉收音机天线

人眼的颜色视觉主要靠黄斑处及其周围的圆锥细胞和杆状细胞,但只对可见光谱段(400nm—720nm)敏感。遥感的科学理解

1、遥—远距离，往往理解为从空中和空间，及相当远的距离上来观测物体。遥的实现主要靠一切运动于空间、近空间、大气层以及地面的平台为基础的遥感观测系统及其观测活动，其中主要包括卫星、飞船、平流层飞行器、固定翼飞机、直升机、飞艇、气球无人机以及地面流动车辆等；2、感—通过某种仪器来进行探测并感知被测量的物体的形状或状态。这些仪器或器件可以在可见光、红外线或微波波段进行探测。我们常用的数码照相机也是一种以感可见光为主的小型遥感设备。正是基于遥感技术人们对我们居住的地球，它的资源和环境以及其它天体进行着不断探索，成为人们对客观事物认知的有力手段。从空间卫星上能看到什么？从空间卫星上能看到什么？出席奥巴马就职

典礼的人群瞻仰毛主席纪念堂的人群地球周围的遥感卫星

当今，遥感技术已高度发达，世界各国已向空间发射6000多颗人造地球卫星，其中1/3以上是遥感对地观测卫星，它们忠实地在轨道上运行，随时监测着地球的状况和动态，为人类提供多种丰富的遥感信息。而具有研制、发射卫星的国家已远远超出发达国家的范围，许多发展中国家也具有这样的能力，而拥有并运行卫星的国家更是大大超出上述范畴；航空遥感更是早已成为商业化的业务运行系统，遍及世界各地，产生着巨大的产业价值；1）根据系统平台的运行高度形成了三个不同层次的系统，即：

☆

天基系统，它主要由各种卫星组成，航天飞机、空间站等也属于其中。

☆

近空间系统，当前主要由飞行在平流层的浮空飞艇、及其它飞行器组成。

☆航空遥感系统，主要由运行在对流层中的各种飞机，固定翼飞机、直升飞机、无人驾驶飞机以及其它飞行器组成。遥感最主要作用就是对地球进行观测KH系列－大鸟DSPKH-11LACROSSE

—长曲棍球2）根据用途形成了三个相互独立又相互联系的系统：☆以最先进技术为基础的，其主要标志就是空间分辨率的不断提高。代表当今最为先进的卫星系统如美国高级军事侦察卫星“锁眼”系列（KH-11\12）其最高的空间分辨率已达

0.1米；而他的雷达侦察卫星“长曲棍球”（Lacrosse）的空间分辨率最高也达到0.3米。军事观测系统—Aqua-PM-1

AuraTerra-AM-1TerraLaunch:Dec18,1999AquaLaunch:May04,2002AuraLaunch:July15,2004ENVISAT－欧☆

以大区域和全球覆盖，对地球各圈层进行全面和不间断观测与监测，以认识和了解地球系统和环境变化，服务于人类社会可持续发展为目标。这类系统在各国政府和国际组织的推动下得到高度的重视和飞速的发展。数据公开和共享是这类系统的重要特点，有力地促进了各国政府间和科学家的合作。民用气象卫星、地球环境观测卫星，特别是以美国和有关国家合作发展的，以TERRA、AQUA以及

AURA等卫星系统为代表的地球观测系统（EOS），近年推进的地球科学计划（ESE）以及欧洲的环境卫（ENVISAT）

系统就是很好的例证。正因如此，才有可能在国际地球观测委员会（CEOS）中倡导提出综合地球观测系统（GEOSS）的概念。

公益性系统－QuickbirdTECSAR-以WorldviewGEOEYECOSMO-SkyMedTERRASAR-德IKONOS-1.0m☆以商业应用为主要目标的商业化遥感系统在近十年来得到了很大的发展。以“快、好、省”

为标志的小卫星技术发展使得空间技术成本大为降低，为商业化的盈利目标提供了实现的可能。最为先进的商用对地观测卫星的空间分辨率已达0.41米（美国GeoEye)，和0.5米分辨率的“WorldView”卫星）。

GeoEye新型卫星于2008年4月发射和运行标志着民用卫星的空间分辨率已有较大的突破。除此而外，德国和意大利发展的高分辨率雷达卫星（TerraSar、CosmoSkyMed），特别是组成星座方面走在了前列。这类现代高分辨率卫星系统的一个共同特点大多是小卫星系统，他们的性价比都相对较高；他们总是作为国家安全的重要组成部分也同时为军用提供信息，在关键时期甚至为军方所征用！商业化对地观测系统—

我国自1970年发射第一颗人造卫星以来，已向空间发射了100多颗卫星，其中大部为遥感对地观测卫星。在我国已形成了气象、海洋、陆地资源、环境减灾、科学实验等系列遥感卫星系统，我国也向空间发射了10艘飞船，它们除担负载人航天任务外还进行了多种遥感实验；天宫飞行器也承担着一定的遥感载荷试验任务；我国的嫦娥探月卫星已飞出地球探索对地外星球的探测并进而进行深空探测。包括无人机在内的航空遥感在我国业已普吉并形成了相当规模的产业。15我国卫星遥感和航空遥感发展的历史进程返回式卫星FY-1FY-2CBERS-01、02神舟号飞船环境与减灾小卫星星座HY-1BJ-1◆由于遥感技术对科学技术发展、资源环境研究、经济社会发展和国家安全的重要性，世界各国争相发展，形成了一个既合作又竞争的态势，在涉及人类生存发展的公益性活动方面，如在应对自然灾害对人类的威胁、应对全球气候变化、反对恐怖分子和恐怖活动等方面合作成为主流，如各国的主要气象卫星、环境卫星等相互协调，甚至组网运行，信息交换和共享机制逐步完善；而涉及国防军事和国家安全，如在侦察卫星、预警卫星的发展以及导弹的制导技术、反导技术等方面方面则相互激烈竞争。正是这种又合作又竞争的局面促进了遥感科学技术的不断发展；可以认为遥感技术发展至今，已形成了如下态势：

遥感技术的综合化—航空航天一体，光学、红外、微波、激光等技术互补……

遥感信息的清晰化—高分辨率遥感的发展……

遥感技术的透明化—微波和雷达遥感技术的发展

遥感卫星的小型化—微小卫星及其编队和组网技术的发展

航空遥感的无人化—无人机遥感和临近空间遥感的发展

遥感应用的业务化—遥感融入了国家经济社会发展的重大决策

遥感响应的快速化—灾害救援、军事和反恐

遥感产业的商业化—企业机制和商业运营

遥感技术的综合化—航空航天一体，光学、红外、微波、激光等技术补……20GeoEye21EO-1IKONOSQUICKBIRDALOSCBERSFY-3TenDEMSAR-LupeCosmoSkyMed以德、法为主将要部署的侦察卫星系统德—SAR-LUPE雷达侦察卫星法—HELIOS-II光学侦察卫星光学（左）和雷达（右）卫星对俄罗斯军机的遥感夜间的世界8020407520751051011584817095温哥华西雅图旧金山洛杉矶凤凰城丹佛达拉斯休斯敦明尼阿波利斯芝加哥亚特兰大波斯顿墨西哥城纽约、费城、巴尔的摩、华盛顿城市群红外遥感日本富津电厂工业排水的监测高温.低温.海流方向

日本近海的例子MAIS-Darwin

DarwinCity,NT,Australia

ByMAISHyperspectralSystem

高光谱遥感对城市热损耗的研究

高光谱遥感对建材的研究国产韩国合资

高光谱遥感对建材的研究水泥

遥感信息的清晰化—高分辨率遥感的发展……空间分辨率的效果分析

IKONOS(1999)

1mQuickbird(2001)0.61mGEOEYE-1(2008)

0.41mWorldView-1(2007)

0.5m地面像空间辨率（GSD）国外非军用高分辨率卫星发展历程1972197619801984198819921996200020042008201290m2.01.00.60.50.40.330.280.25上海北京南站大连迪拜仁川曼谷巴黎卡萨布兰卡多哈拉斯维加斯美国华盛顿的五角大楼Unclassified–ForInternalUseOnly

都江堰紫坪铺水库

大坝护栏破损坍塌坝体出现的松散面紫坪铺水库大坝直升机遥感影像—2008-5-26面板堆石坝

遥感技术的透明化—微波和雷达遥感技术的发展Eastern

SaharadesertSIR-APenetration1–4mLandsatSafsafoasis,EgyptSIR-CL-band16April1994LandsatPenetrationupto2mERSERSSAREastAnglia

Thetford,UKAIRSAR(1991)

多频率合成（multi-freqcomposite）

美国航天飞机雷达地形制图计划（SRTM）航天飞机雷达地形制图（SRTM）

全天候对地观测技术发展X-Band(0.5m)P-Band(2.5m)X+P合成处理全多频段雷达对亚马逊森林的探查

遥感卫星的小型化—微小卫星组网或微小卫星群的发展

◆小卫星和星座式小卫星的发展—遥感卫星发展的重要方向

微小卫星的发展是微电子技术、材料科学技术、探测技术等现代科学技术发展和高度集成的结果，是空间技术“快、好、省”发展的代表，是更多国家和部门能够参与空间活动的促进剂。

小卫星星座是小卫星组网提高系统技术性能和观测能力的重要措施，是形成空间遥感数据和信息产业规模化的重要途径。成本研制周期小卫星大卫星质量毫卫星

mini微卫星

micro纳卫星

nano皮卫星

pico1000kg10000kg100kg10kg1kg1M$10M$100M$1年2年5年ENVISAT:8t,15+yrs,3×109$实例北京1号:166kg,2yrs,~25M$卫星按大小的分类8.2T75Kg光谱分辨率时间分辨率空间分辨率小型卫星例:Eros-B/PIC-2290kg2006.04.25发射GSD0.82m例:Proba/CHRIS，

95kg2001,10,22发射例：DMCRapidEye

现代小卫星的发展—空间、时间、光谱分辨率及全天候的突破雷达卫星例：TECSAR,330KgSAR-LUPE,750Kg“快眼”（RapidEye）小卫星星座快眼小卫星星座具有很强的全球性数据获取能力，每天即可对感兴趣的地区重复观测一次每天获取的数据（5m分辨率）可覆盖4百万平方公里的面积意大利COSMOSKYMEDCOSMO-SkyMed系统是一个由4颗雷达卫星组成的星座TenDEMTanDEM-X是继SRTM之后获取地球表面3维景象又一次尝试，它将于2014年投入使用，其数字高程的精度能达到

1—2米

我国环境卫星组网

飞行概念图轨道高度：～686km卫星质量：～166.4kg载荷-1：

GSD32m多光谱地面遥感带宽:600km光谱:

520-620nm

630-690nm

760-900nm载荷-2：

GSD：

4m

扫描宽度：

24km

谱段：全色

我国第一个商业卫星系统—北京一号高性能对地观测小卫星

数据获取周期：2005年12月～2006年6月影像制作周期:2个月

数据获取周期：2006年7月～2006年11月影像制作周期:2个月一年内可完成2幅32米多光谱无云全国镶嵌图“北京一号”所完成的全国卫星影像图香港-澳门及其邻近地区

—多光谱分辨率-32米

—刈幅宽度—600公里澳门656565北京二号遥感小卫星星座全球第一个1米高分辨率实体化遥感小卫星星座3颗星组成星座同轨道面120o等距离分布66数量3颗寿命7年分辨率全色1米/多光谱4米幅宽23.6公里多光谱谱段蓝/绿/红/近红外侧摆±45度重访全球任一地点1-2天

北京系列遥感卫星——北京二号小卫星67北京二号小卫星星座的研发方案设计模块开发组装测试发射就绪需求分析7.5米天线12米天线…北京二号国际领先的测控接收一体化对地观测卫星地面接收站双天线并行运行多源卫星同时接收国内唯一测控接收一体北京一号

UK-DMC2实践九号A星68

一体化测控接收地面站

航空遥感的无人化—无人机遥感,

——向高空（临近空间）和向低空（近地空间）遥感的发展

80K90K100K110K20Km30Km15Km25Km5Km35Km

掠食者

全球鹰

太阳神

平流层飞艇、气球

速度(海里/小时)续航能力(小时)10Km高度极具潜力的无人遥感系统（从近地空间到临近空间）几种技术先进的无人机欧洲的平流层飞艇美国的太阳能飞行器

--“太阳神”号全球鹰略食者守望者美RQ-4CX-47B

COMCOPTER无人机鹰眼II

搬运工华鹰各种航模式的无人机和无人直升机贵飞无人机获取的安顺局地多航线镶嵌影像

2004年农村饲养场四川雅安庐山地震-20130420,7.0级四川雅安庐山地震-20130420,7.0级漓江洪水监测—小型无人机

遥感应用的业务化—遥感融入了国家经济社会发展的重大决策

中国土地利用的遥感动态制图20世纪80年代末中国土地利用1995年中国土地利用2000年中国土地利用2005年中国土地利用2008年中国土地利用2010年中国土地利用中国土地覆盖的遥感动态制图上世纪80年代末年中国土地覆盖1995年中国土地覆盖2000年中国土地覆盖2005年中国土地覆盖2008年中国土地覆盖2010年中国土地覆盖1996—2000中国土地利用变化状况水田旱地草地未利用地林地农村及其它用地城市用地表12010年全国土地利用分类面积一级类型二级类型面积（km2）

一级类型二级类型面积（km2）耕地1424014.9水田350014.5旱地1074000.4水域滩地49160.5海涂5090.6城乡工矿居民用地227713.5城镇用地60283.4农村居民用地136864.9工交建设用地30565.2林地2270547.3有林地1456927.1灌木林地454165.3疏林地303410.6其它林地56044.4草地2832255.5未利用土地2125672.7

沙地516979.1戈壁594415.6盐碱地116795.2沼泽地118747.5裸土地33742.9裸岩石砾地686769.0其它未用土地58223.4耕地中非耕地360754.1分类面积合计

9504498.8高覆盖度草地934583.6中覆盖度草地1058851.1低覆盖度草地838820.8水域263540.9河渠40460.6湖泊76060.1水库坑塘46083.0冰川与永久积雪46686.1

从20世纪80年代末到2010年，全国耕地总面积净增加18188.5平方千米，林地面积净减少8524.9平方千米，草地面积净减少53249.0平方千米，水域面积净增加4968.9平方千米，城乡工矿居民用地面积净增加55192.3平方千米，未利用土地面积净减少11545.1平方千米。根据遥感监测结果显示20世纪80年代末至2010年各土地利用类型面积净变化图

城市群

1990—2012年扩展面积（Km²）长江三角洲城市群

12031珠江三角洲城市群6874

京津冀城市群6772长江三中游城市群4554

成渝城市群2942

哈长城市群2033

总和35206（52809000亩）我国主要城市群1990—2012年面积扩展一览（Km²）

1990-2012年间，由于城市的发展占用土地35206Km2,即5280多万亩！这必然会加剧国家对粮食安全的压力。

北京市建成区的发展北京城市的发展161Km341Km450Km1618Km670Km1079Km1734Km1978-2010年建成区面积由161Km²增至1734Km²,城市扩展了近11倍！409539上海市建成区的发展上海城市的发展138Km323Km1139Km1762Km1921Km1979-2010年建成区面积由138Km²增至1921Km²,城市扩展了近14倍！816623广州市的发展广州市的发展广州城市的发展1979-2010年建成区面积由79Km增至919Km,城市扩展了11倍多！79Km2132Km2665Km2896Km2919Km2533Km2231Km22006年1月24日2007年1月30日2008年1月24日2009年1月19日

服务于海洋监测2010年1月25日2011年1月20日2012年1月25日国家海洋使用动态监测项目908专项“山东、江苏海岸带卫星遥感调查”南海岛礁监测国家海洋局渤海海冰监测业务固定卫星遥感数据源2005年11月13日2006年10月29日2007年10月14日2008年10月10日2009年10月17日2010年05月01日2011年11月10日曹妃甸首钢工程动态监测

服务于重点工程98北京市国土资源管理土地利用变更调查出让土地批后监管辅助规划修编基本农田保护动态监测土地资源专项监测辅助矿区植被恢复……北京市农业资源统计冬小麦播种面积统计玉米播种面积统计设施农业面积统计冬小麦产量预估都市型现代农业生态走廊监测……北京市生态环境评价北京市裸露土地监测京津风沙源治理工程监测水源保护林工程监测北京市地表河湖水系及湿地动态监测官厅、密云水库上游水土保持北京市森林覆盖监测……北京市城市精细化管理新增建设工地监测非法砖窑的监测城中村整治监测非正规垃圾场的监测……不可移动文物周边控制地带动态监测北京一号卫星对北京市城市管理的业务化支撑绿化隔离地区绿化覆盖面积96.2

km2绿化覆盖率39.4%山区林木覆盖面积6023.2

km2林木覆盖率57.8%平原地区林木覆盖面积1287.3

km2林木覆盖率22.2%城区绿化覆盖面积123.2km2绿化覆盖率37.54%山区林木覆盖面积6023.2

km2林木覆盖率57.8%山区林木覆盖面积6023.2

km2林木覆盖率57.8%山区林木覆盖面积6023.2

km2林木覆盖率57.8%平原地区林木覆盖面积1287.3

km2林木覆盖率22.2%平原地区林木覆盖面积1287.3

km2林木覆盖率22.2%平原地区林木覆盖面积1287.3

km2林木覆盖率22.2%绿化隔离地区绿化覆盖面积96.2

km2绿化覆盖率39.4%绿化隔离地区绿化覆盖面积96.2

km2绿化覆盖率39.4%绿化隔离地区绿化覆盖面积96.2

km2绿化覆盖率39.4%城区绿化覆盖面积123.2km2绿化覆盖率37.54%城区绿化覆盖面积123.2km2绿化覆盖率37.54%城区绿化覆盖面积123.2km2绿化覆盖率37.54%北京市林业资源调查北京奥运工程

监测2004-82006-82007-102008-82008年北京奥运会“鸟巢”、“水立方”、国家体育馆等重大工程建设用地变化火炬

遥感响应的快速化—动态监测、灾害救援20061007面积：741.1Km2～32%湖面20061103面积：315.8Km2～14%湖面2006--2007年太湖蓝藻爆发（水华）的卫星监测20070730面积：386.3Km2～16%湖面面积：158.9Km2～7%湖面200704262007年3月30日北京一号卫星影像西洞庭山东洞庭山缥缈峰鼋头渚马迹山灵岩山无锡市苏州市吴江市湖州市宜兴市2006-10-07太湖蓝藻爆发Imageof“Beijing-1”北京-1号小卫星影像龙门山断裂鲜水河断裂

小江断裂龙门山断裂成都震中(映秀)DamagedRoadinYingxiuCounty

CARSlideRocksSlideRocksCollapsesRoadTheProvenceRoadalongMinjiangRiverDamagedRoadinYingxiuCounty

AirborneImageSlideRocksSlideRocksSlideRocksCollapsesRoad

DamagedTownofYingxiuSatelliteImagePowerSubstationN123456

对2008-5-12地震沿岷江河谷道路损毁情况的监测和评估(2008-05-14日的遥感影像)高分辨率航空遥感影像—2008-5-141震毁的桥梁2损毁的房屋3损毁的路面

4滑坡阻塞的道路大巴小车56严重损毁的房屋福岛第一核电站福岛第二核电站名取仙台多贺城松岛空军基地石卷盐釜仙台空港2011年3月日本大地震及海啸监测评估SendaiYuriageIshinomakiNatori

FY-3MERSI2008-7月16-8月17日应对全球变化--格陵兰岛东北部沿海大冰体融化监测受北大西洋暖流影响，近一个月以来，格陵兰岛东北角以南、丹麦港以北的大块冰体迅速崩裂、融化。2005-04-242009-03-04美国墨西哥湾“深水地平线”钻井平台于2010年4月20日发生爆炸引起的大范围石油污染5-45-176-195-75-246-12美国石油钻井平台爆炸，原油严重泄漏1223-27,THEOS,GISTDA300多漂浮物散布在

450Km2海面2014-03-162014-03-132014-03-09,泰国湾微型卫星的集群发展PlanetLabs遥感卫星系统2012年，PlanetLabs成功制作了第一颗样本卫星，并于2013年分两次发射了四颗实验卫星Dove1-4。2014年1月又成功将28颗遥感卫星Doves送入太空。经过严格测试和检验准备出厂的28颗卫星PlanetLabs遥感卫星系统2014年2月，Doves从国际空间站释放。2014年2月，Doves从国际空间站释放。PlanetLabs遥感卫星系统Flock-1及Dove参数：尺寸：10cm*10cm*30cm光圈：90mm重量：5-6kg频段：X-band，MHXS-band，UHF轨道参数：400km，52°姿态确定：磁力计，陀螺仪姿态控制：磁力矩器，反力轮，二极管动力来源：太阳能电池覆盖范围：全国无缝覆盖空间分辨率：3-5m影像获取方式：线阵排列式只要有足够多的卫星数量，它们的对地观测就可以从常规卫星数十天对地球的覆盖转变成每天甚至更短期的数据更新Skybox小卫星群（EarthObservation2.0

）示意图，从2012年开始发射，共24颗类似冰箱大小（60x60x90cm）重约120Kg的小卫星，试图实时监测地区上发生的事件

遥感卫星的军事化—军事侦察、预警与国家安全“锁眼”（KH）系列光学红外侦察卫星“长曲棍球”（LACROSSE

）雷达侦察卫星现役的主要是KH-11和KH-12（先进KH-11），它运行于280—1000公里的椭圆轨道，其可见光分辨率可达10-15CM，夜间红外分辨率也可达60CM。“长曲棍球”（LACROSSE

）雷达侦察卫星自重约为15吨，它的轨道高度为640公里。必要时这两种侦察卫星可组合起来运行，如2003年3月，曾一次发射6颗卫星（3XKH-12）+(3XLACROSSE),以达到对伊拉克每小时的侦察目的。KH系列－大鸟DSPKH11—12

LACROSSE

—长曲棍球战场铁丝网北部战区部队边界界伊拉克科威特伊拉克部队行动路线沙特阿拉伯海湾战争中美joint-STARS的侦察结果边界巴什拉防线行进的部队西进部队行进的部队（24机械师）第7军英军第1装甲师海湾战争中美joint-STARS的侦察结果伊拉克国民卫队科威特市海湾战争中由joint-STARS空中侦察结果。图中三条亮线为伊拉克部队从科威特撤退的路线俄罗斯飞行试验中心

加里森装甲车基地装甲运输车扫雷车坦克及自行炮朝鲜太川200兆瓦核反应堆朝鲜永边核设施伊朗在建地下离心设施伊朗核设施伊朗卫星发射场地下油库油管发射塔朝鲜导弹美“肯尼迪号”航母在佛罗里达基地

（N30°23’50.91”,W81°24’14.86”）舰上可见一架F-14型飞机

美“小鹰号”航母在日本横须贺港(N35°17’29.66”,E139°39’43.67”)建造中的布什号航空母舰F-14杜鲁门号航空母舰天基红外预警系统（SBIRS）

SBIRS系统由高、低轨道卫星两部分组成。其中高轨道部分包括5颗地球同步轨道卫星(1颗备份)和2颗大椭圆轨道卫星；低轨道部分又称为“空间与导弹跟踪系统”，可能由20颗左右的低地球轨道卫星组成。用户..巴基斯坦境内联邦管制部落区夜间影像城岛的区域分析..abc本拉登在Abbottabad藏匿地的遥感影像2005

遥感产业的商业化—企业机制的运营1999-2008