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我国高空间分辨率卫星遥感应用若干进展与展望

时间:2020-01-25 百科知识 联系我们
我国高空间分辨率卫星遥感应用若干进展与展望_巡天察地梅安

我国高空间分辨率卫星遥感应用若干进展与展望

梅安新 刘 侠 刘玉

摘 要:本文对我国现在常用的高分辨率空间遥感的应用作了概述,特别是近几年在大比例尺制图、城市、环境评价、资源、灾害等许多领域,结合GIS、GPS的应用,无论在广度、深度和技术方法上都取得了长足的进步;文章还对目前高分辨率遥感应用中的问题提出了自己的看法;最后,对高分辨率遥感的应用前景作了初步分析。

关键词:高分辨率,遥感,应用,进展

一、前 言

近十年来,遥感技术的应用取得了许多突破性的进展,其中,“高光谱遥感”和“高空间分辨率遥感”是特别引人注目的两个领域。

遥感的光谱分辨率,目前已经从几十纳米的高光谱发展到了几个纳米的超光谱,在可见和红外通道已经可以达到几百个,甚至上千个,这就为探测目标的某些物质成分含量提供了可能。与此同时,相应的处理方法和信息提取模型也随之有了较快的发展。这项技术,在航空遥感领域发展比较成熟。高光谱遥感在卫星领域的应用,除了MODIS以外,还不十分广泛。

从20世纪90年代末开始,高空间分辨率的遥感卫星的发射,给应用领域带来惊喜,1999年9月24日Space Image公司(2006年被ORBIMAGE公司收购并创建了GeoEye公司)成功地发射了IKONOS-2卫星是个转折点,空间分辨率达到1m(实际达0.82m),而在此以前,人们对于地面分辨率高于10m的卫星遥感图像(如SPOT_1~4,IRS_p4,p6等)已经感到很有用了。

从发射至今,IKONOS已在世界范围内拍摄了超过2.5亿km2卫星影像,许多影像被各国中央和地方政府广泛用于国防、地图更新、国土资源勘查、农作物估产与监测、环境监测与保护、城市规划防灾减灾、科研教育等领域。

特别是2001年10月18日,QUICKBIRD-2(Digital Globe公司)的发射,把卫星遥感的地面分辨率提高到分米级,其全色波段的空间分辨率达到0.61m,一下子突破了军用和民用的界线,航空遥感和航天遥感的界线也变得模糊起来,从而使应用的广度和深度都大大地推进了一步。

由于高分辨率卫星遥感的商业化运作,尤其是Google Earth把IKONOS-2、QUICKBIRD-2和SPOT、Landsat等图像贴在网上让全世界都来浏览和下载,更吸引了广大非专业人士的注意,把地图从人们心目中传统的线条加符号中解脱出来,以直观的形象展现在人们的面前,看到我们的星球是如此灿烂夺目、丰富多彩!使遥感技术更加深入人心,并且正在改变着人们的生活方式……总之,高空间分辨率卫星遥感的出现,一开始就以其广泛的实用性赢得了人们的关注。

在我国,许多有实力的公司和单位(如北京天目创新科技有限公司、中国遥感卫星地面站、国遥新天地、国遥万维、视宝公司等等)都成为高空间分辨率卫星遥感数据分发的代理,他们联合研究机构和大学,对用户进行专业培训,许多学会和中国遥感应用协会环境遥感分会、区域遥感应用技术论坛还召开了多次应用技术交流,出版了专题论文集,推动了高分辨率卫星遥感的应用和普及。

二、若干应用进展与实例

(1)应用领域不断扩大,重点转向城市,全面提升城市遥感应用水平

由于空间遥感分辨率的提高,首先,大大拓展了其应用的范围。国土资源部每年购买大量的高分辨率卫星遥感数据对全国90多个城市的土地使用情况进行监测,并依此建立了一套有效的监测机制;北京市购买了五环以内大量的高分辨率卫星遥感数据;上海市除了每隔一两年进行一次航空遥感飞行外,也购买了大量的高分辨率卫星遥感数据,应用于城市规划、城市土地资源、建设工程和生态环境动态监测及城市管理等各个方面,并以高分辨率卫星遥感图像为重要数据源,构建城市信息共享平台;北海市还利用高分辨率卫星遥感数据对城市违章建筑进行监管,提高了城市现代化管理水平。高分辨率卫星遥感数据的应用部门涉及城市土地、房产、市政工程、园林绿化林业环保、环卫、水务、交通消防、安保等多个领域。另外,还在地质矿产、现代农业海洋、灾害预测预报、抢险救灾、灾情评估和军事等领域广泛应用,几乎涉及国民经济和国家建设各个方面。

应用QUICKBIRD图像数据在城市的土地资源、土地利用调查中已经可以做到1∶2 000~1∶5 000的专题成图,按照建设部的城市土地利用分类标准(GBJ 123—1990)可以分至3级,城市内部可以按区一级制图。土地部门应用高分辨率卫星遥感数据进行用地监测发现问题及时查验。

在城市园林绿化方面,建设部明确规定,必须应用遥感图像作为获取城市绿化数据和监测的重要手段,在呈报数据的同时必须同时呈报遥感图像(建城〔2005〕43号文指出:“建设部统一组织对申报城市进行遥感测试”;附件2中,关于绿化建设方面明确指出:“经遥感技术鉴定核实,城市绿化覆盖率、建成区绿地率、人均公共绿地面积指标达到基本指标要求……”)。我国每年有50多个城市申请报批“国家园林城市”,由于航空遥感受飞行条件的限制,对高分辨率的卫星遥感数据的需求较大,至今至少有100多座城市应用高分辨率卫星遥感图像进行城市园林绿化的调查、规划、验证等,使我国的“国家园林城市”和“国家生态园林城市”的创建更加科学。徐州、太原、石家庄、重庆等许多城市通过遥感解译与GIS、GPS的结合为政府职能部门提供了精确的数据和长效的管理手段。

在城市规划方面,由于高分辨率卫星遥感数据的应用,不仅使遥感技术用于总体规划,而且可用于地块的规划,上海彭越浦改造规划时,应用了2002年的QUICKBIRD图像与1∶2 000的DLG数据精确迭合,直观地显示了用地现状和周围的景观(见图1、图2),节约了大量现场调查工作量,同时,还为规划提供新的思路。

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图1 地块QUICKBIRD图像

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图2 地块改造规划

苏州市32街坊地块成功地应用QUICKBIRD图像结合DLG数据作出了32街坊建筑物平面图,根据规划红线可快速计算出不同方案拆迁面积、拆迁量等(见图3、图4);“E-city”以高分辨率卫星遥感数据为重要数据源之一,已作出全国40多个城市的三维地图,像Google Earth一样,贴在网上供公众浏览,受到了广泛的好评(见图5)。

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图3 苏州32街坊QUICKBIRD影像

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图4 苏州32街坊建筑物平面图

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图5 “E-city”所作城市3D实景图

高分辨率卫星遥感数据在地矿领域的应用,在原有基础上又有了新的扩展,湘桂地区铀矿地质调查中,以高分辨率卫星遥感数据制作1∶2 000~1∶5 000遥感地质解译图作为铀成矿预测图的重要依据。在国际研究项目中应用ALOS图像对柬埔寨洞里萨湖地区的砂矿运移、富集条件进行分析和预测,取得了很好的效果。在吉林大安和黄土塬区的西峰油田生态环境监测中都应用了高分辨率卫星遥感数据,国土资源部遥感中心用高分辨率卫星遥感数据监测矿山开发和获取环境地质信息。大连还把RS与GIS结合起来,建立矿山环境信息系统。广州市、四川丹巴地区应用QUICKBIRD等高分辨率卫星遥感数据对地质灾害的分布和类型进行详细调查研究。在重点工程建设、选线方面,如辽宁鹤大高速公路、流域污染事故监测控制、长江重点地段、南水北调西线、四川西南电力送电线路选择等沿线环境研究中高分辨率卫星遥感数据都起了重要作用。

近几年来,高分辨率卫星遥感数据在旅游规划、资源评估中逐渐被重视和扩大应用范围。黑龙江五大连池、福建青云山、河北秦皇岛北祖山、安徽黄山太平湖等风景名胜区旅游规划以及长江口崇明岛北湖的旅游规划,不仅用以获取旅游资源信息,准确地划分出保护区,而且与DLG结合制作3D动态图、地形坡向图、地面坡度图,并从中挖掘了“生态敏感区”信息,进行制图,提高了旅游规划水平。

在农业领域,高分辨率卫星遥感数据的出现,把用地的识别提高到植物品种的识别和较精确的初级生产力的定量估算。山西省用高分辨率卫星遥感数据在进行县级农用地研究的同时,还制作了森林分布图、林相图等满足了长治市的林业资源进行调查的需要;在长白山靖宇自然保护区,应用IRS-P6数据满足了规划的要求;鄱阳湖、崇明东滩、天津等地的湿地调查中高分辨率卫星遥感数据都是重要的数据源;台湾把高分辨率卫星遥感数据应用于水稻田的耕作调查研究,取得了定量成果;在内蒙古地区草原初级生产力的研究有新的提高;在精确农业应用方面有广阔的前景。

高分辨率卫星遥感数据在海岛调查(如东沙岛)、海岸带滩涂资源调查中(如杭州湾曹娥江口、长江口九段沙),特别是详查数据的获取,有不可替代的作用。

(2)应用深度不断加深,技术方法有了新的提高

高分辨率卫星遥感数据包含了丰富的空间信息,针对具体任务和目标,我国许多单位提出了很多空间信息提取和挖掘的方法,在实际应用中取得了很好的效果。(ivsnet.com)

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图6 上海市外环以内高层建筑分布图

在IKONOS和QUICKBIRD的图像上有丰富的建筑物空间信息,包括位置、形状、大小、阴影、布局等等,可以从中挖掘出建筑物的高度、建筑密度等信息,并进而推算出建筑容积率

石家庄市应用IKONOS图像上的阴影信息,结合卫星和太阳的几何位置的关系提出了“高度纹理法”和“三角截面阴影法”等方法,建立了建筑物高度估算模型,达到了相当高的精度。

通过对2002年7月上海中心城区QUICKBIRD图像的解译,建立了建筑物阴影、层高、容积率模型,制作了上海市外环线以内高层建筑分布图、上海首张建筑密度图和建筑容积率图(见图6、图7)。

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图7 上海市外环线以内建筑容积率图

通过遥感解译表明,2002年上海的高层建筑总数(8层及以上)仅次于香港,超过纽约,为世界第二(见表1),但100m以上的超高层建筑数少于香港和纽约,居第三位。

表1 2002年世界大城市高层建筑数量比较

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应用高分辨率卫星遥感数据还可以建立遥感环境评价信息系统,辅助环境保护部门进行环境评价。遥感数据中所能观测到的许多要素对周围环境都会发生影响,但这些要素并不是环保部门所观测的项目,如工厂密集区、简屋棚户密集区、违章垃圾堆放场、禽畜饲养场、建筑密度、建筑容积率、绿化状况、土地利用状况等等。上海市通过高分辨率卫星遥感数据解译,建立外环以内多要素遥感环境评价模型和评价系统,可以在电脑屏幕上任选一区域,即可得到评价值,还可检索历史状况,这项研究得到环保部门的支持和好评;武汉、上海等城市应用QUICKBIRD数据结合Flagstats进行景观生态特征、分异研究,对城市景观类型作了定量描述。

面源污染是环境监测中一个需要投入大量人力物力的工作,应用高分辨率卫星遥感数据在这方面的试验研究已经取得初步成果。利用高分辨率卫星QUICKBIRD遥感数据将黄浦江上游水源保护区按不同土地利用类型的污染水平差异,分别作出污染量估算,为面源污染估算提供快速有效的途径;应用2004年FORMSAT-2数据将长江石洞口排放区集水范围内水文下垫面划分了10个类型,分别建立了数学模型,算出不同类型径流系数和各分区径流量及不同污染元素,成功地估算整个排放区地面纳污和地下管道集污总量。

(3)促进了大中比例尺制图的发展

遥感图像的空间分辨率在几十米时(如Landsat 5、Landsat 7的TM、ETM及SPOT4等的空间分辨率在10~30m之间的图像),它在大范围的区域资源、环境调查中的应用取得明显的效果,地矿和农业的应用尤为明显,可作1∶7.5万~1∶10万专题制图。城市的研究人员和专业管理人员则感到其虽然可监测城市边缘扩展和确定建成区范围,但在城市内部结构的监测精度不够。

当遥感图像的空间分辨率高于5m时(如SPOT5、IRS的P5数据),其专题制图比例尺可达到1∶2.5万~1∶5万,提高了城市内部结构监测的精度;而当空间分辨率为2~2.5m时(如FORMOSAT-2、ALOS、SPOT-5和CBERS-02B的全色波段数据),专题制图比例尺可达到1∶1万精度的要求,已经可以基本满足中小城市市级管理的需求,我国已经成功地应用CBERS-02的HR和CCD融合进行1∶1万地形图更新试验。当遥感图像的空间分辨率优于1m时,如IKONOS、QUICKBIRD、WORLDVIEW等的全色波段数据,不仅能显示城乡分界,而且对每一幢房屋的范围、大小、轮廓都能得到清楚的显示,因而能分辨出建筑物的类型,甚至测出建筑物的高度,这就为城市遥感提供高质量的数据源,根据这些图像,制作出了过去卫星遥感所不能完成的许多工作。基本可满足1∶2 000~1∶5 000的专题制图要求。例如,城市建筑密度图、建筑容积率图、高层建筑分布图、建筑群类型图、在建工地图等图件,对于城市规划、管理极为有用。此外,应用高分辨率卫星遥感数据制作的城市周边的固体废弃物堆放场(面积≥50m2)分布图,有利于城市环卫监测管理。

直接从高分辨率卫星遥感数据上采集地理要素,已经是制作电子地图的有效途径,特别是道路、河流等简单要素的制图可达到较高精度,上海华联超市在此基础上,结合GIS最短路径分析矢量搜索等技术,建立大城市物流配送信息系统,已于数年前投入使用。

(4)在执法、管理上有了新的突破

国家土地督察北京局建立土地利用遥感巡视系统,将高分辨率卫星遥感图像与DLG矢量图叠加作为重要的基础数据。

北海市将高分辨率卫星遥感、GIS、GPS等信息技术引入城市管理,改变了城市管理模式,很大程度上使管理从被动管理变为主动管理提高了管理水平。

由于我国人口众多,住房紧张,城市尤甚,违章搭建时有发生,监管人员光凭目测很难一一发现。高分辨率遥感所提供的现势性强的直观图像,就成了城市监管的有力手段,一些违规批地、长期“批而不建”的地块和“烂尾工程”,甚至一些隐藏在小区内规模较小的违章搭建也能被发现(见图8),有利于监管部门执法。国家土地监测部门已经将高分辨率卫星遥感数据作为土地资源使用状况监测、管理的有效手段,发现问题及时加以纠正,并已取得实际有效的成果。

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图8 QUICKBIRD影像上的违章建筑(图中白色粗线圈出范围内为违章建筑)

(5)推动搭建区域空间信息平台

由政府搭台综合应用高分辨率卫星遥感数据,并把这些成果组成空间信息平台,通过网络分级提供给各职能部门和公众使用,在北京、上海等大城市已经取得明显的效果,极大地方便了城市管理,为进一步构建数字城市打下了良好的基础。

三、展 望

高空间分辨率航天遥感数据的问世,其应用领域几乎覆盖了国民经济各个部门,解决了一些中低分辨率遥感所不能解决的问题,特别是政府部门和部分企业用来作为科学管理的重要手段,遥感的实用化水平前进了一大步,其模型化和定量精度也有较大的提高。

但是,已有的研究表明,以往的信息处理软件大多是基于光谱的统计分析,对于高空间分辨率航天遥感数据来说,效果不太理想,像e-congnition这样的软件还太少,使用还不够普遍,信息处理跟不上传感器发展的速度,特别是适用于高空间分辨率航天遥感数据、有自主产权的国产软件还需要大力发展。

2007年9月19日我国的资源卫星02B星的发射以来,通过一系列测试和实验研究,各项性能指标总体水平可跻身于世界先进行列。卫星轨道高778km,轨道倾角98°,降交点10时30分(地方时),星上搭载3个主要传感器:其中,全色波段高分辨率相机(HR)空间分辨率达2.36m(向用户提供3m分辨率图像数据);多光谱CCD相机,5个波段;宽视场成像仪(WFI)2个波段(见表2)。产品分为4个等级(LEVE1为原始图像,LEVE2为系统几何校正图像,LEVE3为几何精校正图像,LEVE4为正射影像),价格远低于国外同类产品。

表2 CBERS-02B传感器主要指标

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俄罗斯于2006年6月15日发射了新一代高分辨率卫星ResursDK-1,其全色波段的空间分辨率也高达1m(0.9m),多光谱3个波段空间分辨率为1.5m,重访周期为5~7天,扫描带宽28.3~47.2km,也是很好的信息源。加上IKONOS、QUICKBIRD、WORLDVIEW、IRSp5-p6、SPOT-5、ALOS、FORMOSAT-2等,可以使用的高空间分辨率航天遥感数据已经相当多,但是对于这些数据的利用率还不够,应加强对这些数据特征进行深入细致的分析评价和信息挖掘研究。

对于动态监测来说,某一单一高空间分辨率卫星的重访周期还不能满足要求,需要多颗卫星数据相互补充,同时也需要多种遥感数据的相互补充,其中包括不同空间分辨率卫星遥感(如分米级、米级、十米级)数据的综合应用,还需要不同类型卫星遥感数据的相互补充,如气象卫星导航卫星信息的综合应用才能更充分地挖掘遥感信息资源。特别是需要提高国产卫星数据的综合应用,例如综合应用资源卫星02B星数据、Fy_1、Fy_2、Hy、北斗导航卫星等数据,这对于解决应急事件具有重要意义。

高空间分辨率航天遥感数据已经为遥感应用提供了高质量的数据源,更高空间分辨率的卫星遥感还会不断地出现,今后应加强各种空间信息处理手段的综合运用,包括地理信息系统、全球定位系统和其他的信息获取手段(如微波遥感)的综合应用,地学分析、应用模型开发、专家知识的有机结合等,这些方面还有很大的发展空间,需要通过各种形式的学术交流,加强队伍建设,提高综合应用水平;在空间信息平台建设方面虽然有了良好的开端,但还处于起步阶段,需要不断地完善和发展,才能真正成为政府不可缺少的强大监管手段;在解决国家建设和国民经济重大问题方面,特别是区域的发展上还需要做大量的深入细致的具体工作,才能为国家作出更大的贡献。

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