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1、遥 感 科 学 技 术 前 沿 中国科学院院士 国际欧亚科学院院士童庆禧 遥感技术与应用专家 谢谢主持人，各位同学，早上好。今天正值共和国54 周年生日 ,我非常高兴有这个机会 和大家见面， 谈一点关于遥感技术发展的前沿问题。什么是遥感？什么是遥感技术？通过报 告和演示，使大家能够对什么是遥感技术，遥感技术是怎么发展，能有一个初步的了解。 第一部分， 简单讲讲什么是遥感技术？遥感实际上是一种远离目标，通过一定的手段来 勘测一个物体。 勘测者和被勘测的物体会有一定的距离，这个距离可以是远的或近的。近距 离，同学给同学拿个照相机照相，实际上也是遥感，就是通过非直接接触而感知、判定、测 量并分析目标
2、性质，它们在空间上的展布、类型和数量的探测技术，我们就把它称为遥感技 术。现代的卫星、飞机等，把地面的物体反映到探测器里去，通过各种途径的转换，形成信 号或图像传到地面上来，这就是遥感技术。大家都学过物理学，遥感所利用的是电磁波的资 源。实际上我们眼睛能感受到或看到光线只是电磁波中非常有限的一部分，我们叫可见光。 实际上有相当大量的比可见光短的、长的电磁波我们的眼睛都感受不到，但是遥感技术可以 利用上。遥感采用特殊的仪器，可以利用到十分宽广的电磁波范围，比可见光短的，有紫外 线，比可见光长的叫红外，它又可分为近红外、短波红外、 中波红外， 还有热红外和远红外， 再长还有微波、无线电波等等。 任
3、何一个我们要感知或探测的地物有三大属性，第一是空间属性， 任何物体有一定的空 间大小，或尺寸。另外有辐射特性，我们看的物体，具有一定的辐射，它往往是对外界辐射 或光线的反射所造成的。这种辐射对我们的眼睛产生一种刺激，物体的辐射强度越强，对我 们的眼睛刺激就越强。把房间的灯都关掉，眼睛感知不到物体，我们就看不见东西了。第三 是光谱， 也就是说物体所反射或发射的辐射并不是只有一个单一的波长，实际上是连续的光 谱，这就是我们能看到的颜色。任何地物都是在这三个方面展开，比如说通过地物的光谱测 量，可以得到地物的光谱曲线。我们把辐射和空间结合起来，可以得到辐射在空间里的非均 匀分布所形成的一张图像。如果
4、把辐射、 光谱和空间结合起来，就能得到一种既有图像又有 光谱的信息。 实际上现在人类充分利用了各种类型的对地观测卫星和飞机等遥感技术来观测 地表的物体，它们的现象和过程，了解我们的河流、山川、土地等等，将各种观测数据用以 服务于国家的经济建设和国家安全。现在实际上在空间有成百上千个卫星围绕着我们的地球 转，低的几百公里，高的有几万公里，正是它们随时不断的观测着我们的地球。 从 1957 年前苏联发射第一颗人造地球卫星以来，人类进入了空间时代，而 1960 年美国 发射了第一个气象卫星以来，更是开创了通过卫星来观测地球的历史。到现在为止， 人们已 向空间发射了大量的卫星和各种飞行器。据不完全统计
5、， 其数量可达五六千颗之多各种各样 的卫星， 其中有相当一部分是对地面进行观测的，虽然大部分现在已经不起作用了，但仍然 还有数十颗在运行，还在不断地进行着观测，不断地向我们发送各种对地观测数据。预计最 近若干年还会有大量的卫星发射升空。 遥感的任务和功能是什么呢？首先通过卫星，或者通过飞机对地面进行观测，了解地面 的情况。第二，通过观测，来判断地物的光谱、空间和时间的属性，就是定性、定量和定位 分析各种地物。 同时进一步分析、 了解我们所探测对象的区分和分类，到底属于什么类型的。 最后我们也还要对所探测的目标进行识别，这是非常重要的， 在经济社会建设和军事上都有 很重要的意义。 遥感的发展是随
6、着整个科学技术的飞速发展而发展起来的，是计算机、电子学、空间、 通信等新兴技术和传统的物理、数学、地学、生物等科学的交叉、渗透、融汇和集成形成的 一个新兴科学技术领域。它的主要作用在什么地方呢？随着人类活动的加剧和地球本身的发 展，人类面临着越来越大的挑战，这主要表现在人口剧增、资源短缺、 环境恶化、 灾害频发。 人们越来越意识到再像以前那样依靠单一科技手段不能解决这些问题，需要多种科学技术的 综合， 特别是新兴科学技术的介入。地球的时空信息，或遥感科学技术在增进人们对地球的 了解、在勘探资源、监测环境以及对灾害的预测、预警等方面是大有作为的，与此同时，遥 感技术在保障国家安全上也具有很大的作
7、用。 我国非常重视和强调国家的信息化，提出以信息化带动工业化，以工业化促进信息化的 战略方针。 在国家信息化的过程中要大力发展新一代互联网、高速宽带通信。 我国的宽带网 已有了很大的发展，移动通信已十分普及，每个人都在利用和享受这种无线通信所带来的成 果。但是除此而外， 十分重要的是要开发对国家经济建设、社会可持续发展、资源环境开发、 利用和保护， 特别是全面小康社会建设与国家安全休戚相关的信息资源。地球空间信息技术 的发展， 人们从航空平台和轨道卫星上获取的遥感空间信息已成为当今的重要信息资源。如 果说前者是信息高速路，那么后者就是在这一高速路上“跑”的重要“货物”之一。这方面 的内容已受到
8、国家的高度重视，作为国家重要的信息化内容，纳入国家的信息化建设的框架。 第二部分我向大家介绍一下遥感技术的发展趋势。遥感的发展是通过不断提高观测能力 来实现的， 现代的遥感技术往往是通过从空中或空间获取图像信息作为体现的。这中间有个 分辨率的问题， 对遥感信息来说，有空间分辨率，光谱分辨率和时间分辨率。空间分辨率表 示遥感影像对地面物体分辨的大小，通俗来说也就是地物的清晰程度。现在从几百公里的卫 星获得的影像上可以看到比1 米还要小， 甚至零点几米的地物。光谱分辨率是表示一幅影像 所占的光谱区间，光谱区间越小光谱分辨率也就越高。通常一张照片，如彩色照片，只有三 个颜色，也就是只有三个波段。 而
9、现代遥感技术的发展已经可以从卫星或者飞机上得到数十、 数百以至上千个波段的信息。时间分辨率是表示重复观测一个地区的时间间隔。重复观测周 期越短， 时间分辨率也就越高。这三种分辨率实际上也是一组矛盾，时间分辨率越高空间分 辨率就不可能很高，同样，光谱分辨率高了也会影响空间分辨率。 遥感卫星的发展从70 年代到现在，其空间分辨率每隔十年差不多要提高一个数量级， 70 年代那个时候的分辨率大体是80 米 100 米，到现在本世纪初，卫星遥感的空间分辨率 已经高于一米了。光谱分辨率也几乎遵循同样的规律，不断地提高。 总的来讲，遥感对地观测技术的发展趋势有以下四个方面。 其一，研究的探测目标和解决问题的
10、能力的拓展和深化。所谓三个“W” ，即：是什么 （what?） ，在什么地方(where?)，(发生 )在什么时间 (when?)。就是我们要判断的地物是什么 东西，在什么地方，是什么时间发生的现象，例如探测灾害必须了解其类型、地点和时间。 其二， 能力不断提高，主要表现在全天候，全天时和全球观测能力。现在遥感已具备不 管刮风下雨， 不管白天晚上， 无论全球任何地方都能观测无误。遥感的发展对于我们的认识 论的提高是一个很大的飞跃，可以真正做到“秀才不出门，能知天下事”， “运筹帷幄，决胜 千里” ！ 其三，所谓的三“高”趋势，即高空间分辨率，高光谱分辨率和高时间分辨率的同时 提高。 现在的气象
11、卫星，包括中国的气象卫星在内每天可以把全球家观测两遍。现在我们随 时可从电视台上可以看到天气预报，就是得益于气象卫星对地球的观测。 最后还有一个综合观测的发展趋势，具体体现在三个结合，即大卫星和小卫星的结合， 航空和航天遥感的结合，技术发展和应用相结合。 第一个趋势，全球观的趋势。这是全球的图像，表现的是全球的土壤湿度的分布。这样 的图像只有通过卫星，只有通过遥感才能得到，绿颜色的是森林植被，蓝颜色的是水和土壤。 红颜色的、 黄颜色的是裸地或者沙漠。全球随时展现在我们的眼睛底之下。卫星上观测到的 植被分布在时间和空间上是连续的，通过我国的气象卫星也可以观测到不同的月份植被的变 化情况。在我国北
12、方，夏天植被生长的很茂盛，而到了冬季植被很多叶子基本上都落了，不 同的月份的影像表现也是不一样的。遥感也可以观测到的臭氧层的变化，特别是我们所关注 的南北两极臭氧层空洞。这些全球性的数据如果不通过卫星，地面是很难甚至无法观测到的。 这是 1997 年的厄尔尼诺现象，从南美西部的秘鲁海岸一直向西延伸着一个高温水团， 它一直延伸到亚洲，形成所谓的太平洋暖池，这个暖水区对全球的气候产生着巨大的影响。 这幅图是通过卫星遥感的分析结果，图中用不同颜色表示了降水的丰欠，东部降水非常丰富， 而西部特别是在澳洲北部和亚洲东南太平洋地区降水非常稀少，十分干旱。这就是97 年冬 季在东南亚出现了严重的森林大火的原
13、因，这次森林大火一直烧了三个多月，许多机场都不 得不封闭，飞机不能起飞。同样也可以将这一过程用动画的形式来表现，图中表示了1997 年 12 月到 1999 年 11 月赤道太平洋地区从厄尔尼诺向拉尼娜现象发展的全过程。这里红颜 色代表了海面的温度。可以认为1998 年的夏季在我国发生在长江中下游和松花江、嫩江平 原特大的洪水，就是受这个现象影响的结果。 通过气象卫星可以得到亚洲和欧洲地区土壤湿度的月季变化，图中蓝颜色的是土壤湿 度比较高的地区，这种湿度的分布图对我们了解自然地表的变化，安排农作物的播种、耕作 以及各种农业措施是非常重要的。 这是一个通过卫星得到的积雪覆盖情况图，它表示了一年中
14、不同月份，不同季节降雪和 雪的分布情况。 我们可以非常清楚地看到积雪随着季节的推移从积累到溶化的变化过程。这 一幅动态变化图不仅有全球的情况，也有更详细的区域性的雪被变化，例如美国加利福尼亚 州和洛基山地区的积雪覆盖随季节的变化。同学们可能会认为这并不新鲜，至少不比在游戏 机更好看。但是这两者是有很大不同的，游戏机里的全是虚构的，完全通过人工做出来的， 而这里所演示的则完完全全，真真实实用大量卫星观测数据作为基础，通过虚拟现实技术做 出来的。虽然我们是坐在这里看，是虚拟的，但它又确确实实是现实的。 夜间的地球是什么样子？晚上卫星可以看到地面的灯光。我们现在晚上出去，特别是 节日晚上， 看到大街
15、和广场灯火通明。如果从空中或空间来看我们的地球，我们会看到美国 东半部、欧洲、日本列岛是非常亮的，灯火通明，中国的东部也很明亮。地球上夜间的明暗 程度实际上反映了经济社会的发展状况。由于我们的国民经济建设取得了很大的成就，我们 国家的国内生产总值有了很大的增长，在很多城市和地区提出了亮起来工程，这就使得我们 的国家夜间更漂亮。所以夜间以灯光辐射为表现形式的夜间遥感影像，实际上具有很强的科 学内涵。 日本的电力公司采用这种方式来统计晚上的亮度和供电量之间的关系，英国的亮度 和城市的人口分布的关系也是非常符合统计规律的。 另外有人也统计了欧洲城市灯光照亮的地面面积和人口之间的关系，基本上都包含在
16、这个图形里。甚至有人用光能照亮的总面积和反射到空中的能量与以GDP 为代表的社会购 买力建立了很好的关系。朝鲜半岛的南北半部在灯光上也显示了一定的差别，这是和整个社 会的发展程度有着密切关系的。 这是一个用5.8 米分辨率卫星拍摄下来的北京是，它可以看到故宫、长安街、中南海、 北海等。随着遥感分辨率的提高，我们可以看到更多的细节，北海的游船， 天安门广场的人 群，长安街上的车辆都可以看得见。卫星的分辨率再提高到一米或更高，北京天安门广场周 围的车辆、纪念碑、毛主席纪念堂，都看的很清楚。 这是一个很有意思的现象，在一幅北京的卫星影像中在天安门广场里有这样一条线，这 是由参观毛主席纪念堂的人们排队造成的。开始还没有形成队伍，慢慢队伍形成了，这条线 更为清晰并一直延伸到纪念堂里面，进去是排队的， 出来以后队伍就散开了。这个卫星飞行 在离地面710 公里高空看到这个情况的。 另一颗称为“快鸟”的卫星具有0.61 米的分辨率，这是它看到的天安门广场以及在附 近正在建设的国家大剧院。把它放大， 可以看到天安门广场的每一个旗杆，甚至在广场上的 每一个人。 上面所提到的都是民用卫星，实际上军用卫星的
