高空看世界:遥感展示地球神奇图景

高空看世界:遥感展示地球神奇图景


发布日期: 2023-09-20 更新日期: 2023-09-20 编辑:xuzhiping 浏览次数: 662

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摘要: 为了了解地球上物体的特性,遥感(RS)采用辐射与这些物体相互作用的方式。遥感的最大优势之一是能够从广阔的地方收集准确的数据,尤其是那些人类难以接触到的地方(如海底或野火中的森林),这导致遥感在商业应用中得到广泛应用,从城市规划到森林管理,再到跟踪气候变化对作...

高空看世界:遥感展示地球神奇图景

为了了解地球上物体的特性,遥感(RS)采用辐射与这些物体相互作用的方式。遥感的最大优势之一是能够从广阔的地方收集准确的数据,尤其是那些人类难以接触到的地方(如海底或野火中的森林),这导致遥感在商业应用中得到广泛应用,从城市规划到森林管理,再到跟踪气候变化对作物生产的影响。

遥感通常是一种借助飞机和卫星从远处观察和评估任何物体的反射和辐射能量的技术。遥感的目的是什么呢?简而言之,它适用于任何研究对象,以识别和跟踪其物理特征的变化。

专门设计的遥感相机通过为科学家提供来自远处的图像,来帮助他们更深入地了解地球。与此同时,所有人都可以在远程传感器的帮助下更好地评估任何感兴趣的区域 (AOI) 并做出决策,这些传感器提供更广阔的视野和丰富的信息。这里仅举几个例子:

  • 遥感卫星和飞机上的相机可以捕捉地球表面大片区域的图像, 使我们能够获得原本无法获得的细节;
  • 船舶的声纳设备无需实际潜入深处即可绘制海底地图;
  • 即使在海洋中偏远、难以到达的地方,卫星摄像机也能捕捉到温度波动。

光学图像和雷达图像是卫星数据的两种最常见形式,它们由不同类型的遥感提供,可以通过光学卫星图像获得地球的绝佳鸟瞰图。然而,光学传感器只能在白天工作,因为它们测量反射的太阳能并且无法透过云层看到。相比之下,雷达传感器能够在白天、夜间和几乎所有天气条件下成像。另外,雷达遥感可以指示土壤湿度、水下植被、水污染以及森林和林地中的生物量,所有这些都是肉眼看不见的。

如果与其他数据源相结合,遥感数据可以使区域规划者对其职责范围有更完整和最新的了解。由于这些技术进步,耗水量、土壤湿度、害虫和杂草侵扰、休耕地和城市扩张只是可以测量和监测的几个因素。

遥感的定义

遥感如何工作?

物体反射的辐射量是遥感的物理基础。特殊传感器收集有关反射能量的信息,处理设施将其转换为任何人都可以使用的格式。这让我们了解了物体的独特属性,是用肉眼无法看到的。

遥感基本原理: 可以根据物体和表面发射/反射的辐射能来识别和区分它们。这一原理是遥感的基础,遥感可以检测并记录辐射能以供进一步研究。

不同的物体和表面,如水、土壤或植物,在不同的电磁波段返回不同数量的能量。哪些因素实际上会影响这一点?以下是主要的属性:

  • 物体的属性:化学和物理成分、材料种类和表面粗糙度;
  • 辐射的特性:辐射强度、入射角和波长。

遥感涉及多种学科,包括光学科学、摄影、光谱学、电子学、计算机科学、电信、卫星发射技术等。这就是遥感系统发挥作用的地方,它将所有这些单独的技术整合为一个整体,遥感的众多要素和阶段中的每一个都必须顺利进行,才能使整个过程取得成功。

遥感要素

遥感要素

入射辐射与研究对象相互作用并被传感器捕获。成像系统就是一个很好的示例,它通常需要下面列出的遥感元素。然而,重要的是要记住,遥感还包括非成像传感器类型和释放能量的检测。

以下七个基本组成部分构成了遥感的支柱:

  • 能源/照明的来源。 必须有能源来照亮感兴趣的物体或向其提供电磁辐射。

  • 辐射/能量和大气。 在从起点到目的地的整个路径中, 辐射将与大气粒子相互作用。 一旦能量从物体传递到传感器, 就会发生第二次相互作用。

  • 研究对象。当能量最终到达目标时, 它们的相互作用由辐射本身和物体的特性决定。

  • 辐射记录传感器。 物理上远离研究对象的传感器必须接收目标发射或反射的电磁辐射。

  • 数据处理设施。 传感器的读数必须发送(通常以电子方式)到数据接收和处理设施, 在那里测量的能量被转换成可用的图像。

  • 分析和解释。 在遥感数据处理之后, 对图像进行视觉和/或数字分析和解释, 以获取有关研究对象的信息。

  • 实际使用。该过程涉及充分利用我们从图像中学到的信息, 以更深入地了解目标, 发现以前未知的事实, 或帮助解决问题。

遥感

图像中的数字对应于上述遥感元件。

遥感的优点和缺点:如何比较?

与任何其他数据收集和分析方法一样,遥感有其优点和局限性。让我们仔细研究一下它们,以帮助决定是否需要基于卫星的遥感以及如何从中受益。

遥感的众多优点包括

  • 覆盖广大区域以及可重复性的额外优势, 使得该技术对于田野、森林、水体等的区域研究和变化检测具有不可估量的价值。
  • 遥感简化了各种尺度和分辨率的数据采集。
  • 低到中分辨率的图像通常可以免费或支付少量费用获得。
  • 彩色合成遥感图像比单波段图像或飞机照片更准确地表示底层景观。
  • 遥感数据很容易被计算机处理和解释用于各种实际应用。
  • 由于卫星收集的数据可以以多种不同的形式提供,因此很容易将其与其他数据集集成以做出更明智的决策。

遥感的局限性包括

  • 当用于小区域的详细研究时, 先进的遥感技术的成本可能相当高。
  • 雷达和其他主动遥感系统发出电磁辐射, 可能会干扰研究对象。 然而,它们通常可以被非侵入式光学替代品所取代。 EOS SAT 星座就是一个例子, 其第一颗光学遥感卫星 EOS SAT-1 目前正在监测农业和林业目标。
  • 在分析图像时, 重要的是要记住它可能会受到被测量以外的因素的影响。
  • 如果所检查的不同现象看起来相同, 则存在错误分类的风险。 因此,需要专家协助进行准确的图片分析。
  • 要正确使用遥感工具, 需要接受特殊培训, 从长远来看,这使得它们更加昂贵。 但如果将数据分析需求外包给图像处理平台(例如EOSDA LandViewer), 则可能只需很少成本甚至免费。

遥感的局限性

EOSDA Landviewer 上的旧金山地区遥感图像。

遥感应用

利用提供处理图像的平台是访问遥感数据最省时的方法。这减少了理解这些数据的学习曲线以及咨询外部资源所花费的时间和金钱。此类平台的关注范围可能较窄,例如为农业部门提供图像,也可能服务于更广泛的目的。我们来具体了解一下:遥感有什么用?

农业

鉴于现代农业面临的挑战,迫切需要以不同的尺度和分辨率跟踪作物的生长和发育。世界粮食系统需要近乎实时的监控,以便更好地适应全球变暖和极端天气。遥感在农业中的一些最常见用途包括:

  • 提高农业精准度的标准。 通过使用卫星数据监测作物生长, 精准农业平台可帮助农民优化化肥和其他投入品的使用并减少浪费。

  • 测量土壤和农作物的含水量。 土壤湿度是通过卫星遥感器从太空测量的。 水文循环、干旱、洪水和气象过程等的研究依赖于土壤水分含量的估计。 遥感不仅可用于估算土壤中的水量, 还可用于测量农作物中的水量。

  • 预测农作物产量。 可使用基于当前天气和土壤条件的遥感数据来估算潜在的作物产量。 借助专门开发的作物产量预测模型和算法, 种植者可以预测在给定生长季节从给定地块获得多少收成。

  • 损害评估和作物发育监测。 借助遥感技术, 农民可以准确地了解农作物受到伤害或胁迫影响的程度以及剩余农作物处于哪个生长阶段。 保险公司经常利用陆地卫星的红色和红外通道来评估植被生长情况并对个别田地进行作物损失评估。 可以使用此信息来验证种植作物的存在并检查作物保险索赔。 EOSDA Landviewer 现在拥有多种红外波段组合来帮助解决此问题。

  • 识别农作物。 如果所调查的作物类型很特殊或表现出不寻常的特征, 遥感工具可以帮助识别它。 得益于太空作物研究, 现在可以对大面积的作物进行快速分类。

  • 监测干旱。 利用遥感技术研究农业天气至关重要, 尤其是在研究农村和农业地区的干旱模式时。 评估自上次降雨以来已经过去了多长时间, 以及距离下一次降雨还有多长时间对于跟踪和预测干旱很有用。

  • 作物状况评估和作物胁迫识别。 借助卫星成像和归一化植被指数(NDVI)技术, 可以远程监测农作物的健康状况。在 NDVI 地图中, 绿色表示健康的农田,而红色或蓝色表示有问题的区域。 RS 技术的使用对于评估作物的整体健康状况及其面对热应激等不利条件的恢复能力至关重要。 有了这些信息,就可以很好地了解收获的总体成功情况。

农业

比较同一田野上相隔 5 天的 NDVI 指数值的分割视图。NDVI 如此巨大的下降可能是水胁迫或热胁迫的结果,这可以在 EOSDA 作物监测中进行跟踪。

林业

随着越来越多的遥感图像和产品进入市场,遥感专家和林业专业人员之间的沟通不畅已不再是一个问题。现在,林务员和生态学家现在可以快速准确地获取叶面积指数、植被密度和土地利用等重要数据。遥感在森林管理中的其他应用包括:

  • 评估森林供应。 森林为建筑、包装、造纸和许多其他行业提供必需的材料, 因此通过遥感监测森林覆盖变化是常见的做法。

  • 森林监测。借助这项技术,可以实时跟踪森林覆盖、植物生命和森林砍伐率。

  • 控制野火。卫星上的红外传感器可以在几分钟内发现火灾的最初迹象, 这使得消防人员能够在正确的时间被派往正确的地点, 减少森林火灾造成的损失。

利用遥感数据和 EOSDA LandViewer 功能评估智利奇廉地区的森林火灾损失。

农业

城市规划

世界许多地区的快速城市化增加了对最新地形和土地利用地图的需求。许多城市规划举措都使用遥感,因为它可以在广阔的区域提供最准确的数据。此外,遥感还可用于城市规划:

  • 评估农村道路状况。 遥感技术已经进步到现在可以用来检查乡村道路的状况, 精度可达一英寸。 对于运输商来说, 这可以节省大量金钱和时间。

  • 识别地形类型和土地用途。 通过应用遥感技术可以了解土地的物理特征及其当前用途。

气候变化

我们现在可以监测任何与气候相关的事件或过程,例如太平洋碳储量的变化或厄尔尼诺气候模式,这要归功于遥感,它以各种时间和空间分辨率监测陆地、海洋和大气。以下是遥感在气候变化研究中最典型的一些应用:

  • 气候变化观测。CERES、MODIS 和 Sentinel 等卫星使得从轨道上监测气候变化成为可能, 使我们能够比较过去和现在的气候事件。 为了进一步实现实现更加可持续的未来的使命, EOSDA 星座中的第一颗地球轨道卫星还将利用其多个光谱带收集准确的天气数据。

  • 自然资源管理。 如今我们可以密切关注土地利用、定位湿地区域并观察森林砍伐情况。 有了这些信息,就可以集中精力进行保护工作, 并找到解决城市化和人类活动加剧带来的环境问题的解决方案。

灾害管理

由于卫星定期捕获世界各地广大地区的精确、一致和最新的数据,遥感通常是了解灾难发生地点的唯一手段。特别是,灾害管理中的遥感可以方便地用于:

  • 监测山体滑坡。该领域遥感技术的例子包括滑坡检测和测绘以及触发成分分析。 随着卫星图像的空间和时间分辨率变得更好, 它们对于预测和监测山体滑坡变得更加有用。

  • 危险评估。密切关注飓风、地震和洪水等与天气相关的灾害至关重要, 通过遥感数据分析可以更好地制定灾前和灾后准备计划。

灾害管理

利用遥感和 EOSDA LandViewer 功能来监测加州海岸一周的强烈风暴造成的损失。

遥感与 GIS 的结合

地理信息系统(GIS)中使用的数据主要来自遥感。土地利用模式、植被覆盖图和资源分布只是使用 GIS 软件分析遥感数据可以获得的一些见解。此外,GIS 可用于验证 RS 数据,从而增加对从此类数据获得的信息的准确性的信心。

GIS 和遥感的结合使许多不同领域受益,例如农业、林业、城市规划、环境研究和自然资源管理。更好的资源配置和生态管理只是更好地分析和解释空间数据的两个结果。

为什么遥感如此重要已不再是一个问题。每天,世界各地的人们都利用遥感以以前不可能的方式深入了解地球。国家和商业卫星的扩展为许多部门的遥感应用提供了更好的覆盖范围和更一致的数据收集。这样,人们就可以减轻自然灾害造成的损失,并找到解决世界上许多最关键问题的持久解决方案。

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