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爷爷谈神奇的遥感技术

已有 900 次阅读 2023-3-16 22:27 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

爷爷谈神奇的遥感技术

 

    陈教授是从事遥感技术工作的,在他家里书房的墙上挂着许多航空像片和陆地卫星图像,空闲时,他喜欢看看墙上的这些图像。教授有一个大孙子和一个小孙女,都在初中念书,大孙子小名叫逗逗,小孙女小名叫乐乐,他(她)们到爷爷家第一次看到墙上挂着的五颜六色的图像,感到很新鲜,问这问那,但时间长了,孩子们对墙上挂的遥感图像也就习以为常了。陈教授想,怎样用通俗易懂的形式向孙子和孙女介绍遥感技术的基本知识,也许会培养起他(她)们对遥感技术的兴趣。

    正好在2005年第一期的《遥感信息》期刊封面上,刊登了印度尼西亚海啸发生前后,班达亚齐地区两幅Quick Bird(快鸟)卫星影像对比图(见图1)。

    明天是星期天,逗逗和乐乐要来看爷爷和奶奶,陈教授早就把这本期刊准备好了。第二天上午10点左右,逗逗和乐乐先后到了爷爷和奶奶家,教授把期刊封面上刊登的海啸前后的对比图像给逗逗和乐乐看,并告诉他(她)们,在海啸发生前的图像中的一些居民点、耕地,在海啸后的图像中不见了,有的陆地被淹没了,孩子们看了这两幅图后,惊叹不已。逗逗说我们在地面不可能看到这种地表情景,乐乐说,如果没有卫星图像,把海啸前的地面情况记录下来,我们也就无法看到海啸前的地面情况,这图像太宝贵了,真了不起。正在孩子们兴高采烈地你一句我一句说个不停的时候,爷爷问孩子们,你们说遥感技术是不是很神奇呀!孩子们齐声说:是!爷爷继续说:爷爷家墙上挂的航空像片、卫星图像以及今天给你们看的“快鸟”卫星图像等,都是叫遥感图像,属于遥感技术的组成内容。你们想不想知道什么叫遥感技术呀!两个孩子不约而同地一起说,想!爷爷说,那我就给你们简单介绍一下神奇的遥感技术吧!我今天讲的内容包括“遥感”一词的含义,遥感的原理,遥感名词的由来,以及遥感技术的优越性和它的用途。


    爷爷一生从事遥感技术工作,谈起遥感技术有一种特殊的感情。他对孩子说,要想了解什么是遥感技术,首先要了解“遥感”这两个字是什么含义。“遥感”一词是外来语,英文叫Remote Sensing,翻译成我们中文后叫“遥感”。顾名思义,遥感就是遥远的感知,它的含义大体可以作这样的理解:在一定距离外,感测目标物的信息,然后通过对信息的分析、研究,确定目标物的性质。简单地说,就是不与目标物接触,而是凭借所记录的目标物的信息来识别目标物。举个经常见到的例子来说吧,我们并不认识某个人,但是我们通过这个人的照片,就可以知道这个人的长相,这就是遥感。


    实际上,在自然界中,有的动物就具有某些特殊的遥感本领,比如蝙蝠,能发射出2.5万次到7万次的超声波,然后根据接收到的回波,来判断障碍物的距离、方向,所以蝙蝠在夜间也能自由快速地飞翔,即便是透明的玻璃也不会碰撞。再举个例子,大家都知道,响尾蛇很可怕,但很少人知道响尾蛇对红外线的灵敏性极强,能感觉到300毫米以内零点几度的微小温差变化。爷爷话声刚落,逗逗就接着问,响尾蛇导弹是不是对温度也很敏感。逗逗说得对,响尾蛇导弹的弹头装有感应温度的装置,遇到飞机时,因机身及其喷出的气体较周围空气的温度高,响尾蛇导弹就会跟踪飞机,所以响尾蛇导弹的命中率很高。


    爷爷说上述介绍的某些动物的遥感本领是动物本能的反映,是低级的遥感本领,而且有很大的局限性。而遥感技术是利用现代仪器、装置,作为技术手段,对目标物进行遥远感知,它和动物的遥感本领的主要区别,在于一个是使用天然器官,一个是使用现代工具。在某种意义上讲,现代遥感技术是模仿自然界中一些动物遥感现象和过程而产生的,也就是通常说的仿生科学。


    在大致了解了遥感的含义后,乐乐要求爷爷讲一讲遥感的原理是什么,为什么通过遥感图像的分析,就可以确定物体或目标物的性质呢!爷爷说,我正要说这个问题,这就是为什么说遥感技术具有神奇力量的关键所在。遥感的应用原理是建立在物理学的电磁波原理基础上的。根据科学家的研究发现,自然界各种物体都能辐射、反射和散射电磁波,这些电磁波具有不同的波长和频率,我们把各种电磁波按照波长的长短(或频率的高低)排列起来,从最短的波长到最长的波长,依次为γ射线(波长小于0.03纳米)、X射线(波长0.033纳米)、紫外线(波长3纳米~0.4微米)、可见片(波长0.40.7微米)、红外线(波长0.71000微米)、微波(波长0.1100厘米)、无线电波(波长大于1m)、声频、交流电等。各种电磁波由于波长不同,它们的性质也有很大的差别。逗逗说,电磁波谱知识我们在学物理时学过,纳米和微米是波长的单位,1纳米等于百万分之一毫米,1微米等于千分之一毫米,爷爷说:对,逗逗物理学的还不错。


    在遥感技术中,应用的电磁波范围包括紫外线、可见光、红外线和微波波段,其他波段不能用于遥感技术中。科学家还发现,地球上任何物体都具有辐射、反射和散射电磁波的能力,不同的物体所能辐射、反射和散射电磁波的波长和能量是不同的,人们通过接收物体辐射、反射和散射的电磁波信息,经过信息处理技术,成为和实际物体很相似的,能识别的图像,人们通过遥感图像的分析,则可识别地表各种物体性质,这就是遥感技术的基本原理。遥感图像实际就是遥感信息。而信息就是电磁波频率和能量强弱变化的表现,电磁波频率和能量强弱的变化,给人们带来不同的信息。我们看电视,它的影像和声音都是信息,声音的高低,影像的明暗变化,都是电磁波的变化所引起的;中医诊脉,靠脉搏的特征来诊断病症,所以脉搏也是一种信息。可以说,整个物质世界到处都充满着各种各种样的信息。


    讲完了遥感技术的基本原理,乐乐给爷爷泡了一杯茶,让爷爷喝完再讲。爷爷喝完茶后,继续往下讲,爷爷说,我已经给你们讲了遥感的含义、电磁波知识和遥感的基本原理,下面再给你们讲一讲“遥感”这个名词是怎么来的。要说“遥感”一词的由来,首先要从遥感技术的发展过程说起。我们知道任何科学技术都是逐步发展起来的,都是在前人劳动的基础上逐步完善的,而且是无数科学家智慧的结晶,而个人的贡献是有限的,个人如果离开了集体是很难发挥作用的。


    遥感技术的发展也不例外,也是逐步形成的,它是在航空摄影的基础上发展起来的,因此,遥感技术也包括传统的航空摄影在内。1904414日,意大利人威尔伯·赖特(Wiebur Wight)驾驶的飞机拍摄了第一张航空像片,航空摄影便正式问世了。在航空摄影初期,一直是用航空照相机以航空摄影方式把可见光电磁波能量记录在感光胶片上,然后洗印成像片。到了二十世纪30年代,航空摄影的波段范围从可见光扩大到近红外波段,但从本质上看,近红外的成像仍然属于航空摄影方式。与此同时,人们开始研究中、远红外和微波波段的成像问题,因为这些电磁波波段的能量在感光胶片上无法记录,所以用摄影方式无法把中、远红外和微波波段的能量记录成为图像。到了二十世纪50年代,就出现了以非摄影方式获取被探测目标物的数据或图像这种新的成像方法。非摄影方式与摄影方式的主要区别在于,前者是用各种类型的探测器进行探测(扫描),并以数字磁带形式记录目标物的能量,而后者是用照相机以摄影方式,在感光照片上记录能量。由于传统的航空摄影无法概括非摄影方式所获取的数据或图像,为了能概括全部摄影与非摄影方式获取的数据或影像信息,美国一位海军军官叫伊夫林·L·布鲁依特(Evelyn L·pruitt)的,于1960年提出用“遥感”一词代替常规的航空摄影概念,以后“遥感”这个名词就被广泛应用。


    逗逗和乐乐听了爷爷讲了“遥感”一词的由来后,乐乐又急着问爷爷,遥感技术有什么优越性,它又有什么用途呀!爷爷说遥感技术的优越性很多,它的作用可大了。我先给你们谈遥感技术的优越性吧!遥感技术的优越性表现在以下几方面:1、遥感图像信息丰富,影像逼真,许多地表景观都清楚地在遥感图像上显示出来,像山脉、河流、道路、房屋、耕地、树木等,都可一目了然;2、遥感影像视野广阔,我们在地面上观察地物,由于受视野的限制,只能观察很近的范围,很难了解地物的整体情况,例如,我们在地面上观看复杂的立交桥,很难看清它的展布情况,而在空中获取的遥感图像上,则可清楚看到立交桥的展布情况;3、遥感技术不受交通和空间的限制,像喜马拉雅山、南极、北极,一般人都去不了,有了遥感技术,可以通过飞机或卫星把它们拍摄下来,能清楚地看到这些地区的景观;4、遥感技术获取目标物信息速度快,而且夜间也能成像(红外成像);5、不受气候和昼夜的影响,可在室内条件下24小时对遥感图像进行研究分析;6、遥感图像有许多波段,通过计算机图像处理,可以把许多波段进行组合来增强信息内容,把有些信息内容增强显示出来。

可以说,遥感技术是研究地球表面现象最理想的一种探测手段,现在地球上面没有任何一个地方是神秘莫测得了,我国古代神话中的“顺风耳、千里眼”,在今天均已成为现实了。下面我举一个例子来说明遥感技术的优越性。


让我们回顾一下人类祖先了解自然景象的历史后,就会知道遥感技术无比的优越性。在航空摄影技术出现以前,人类对地球表面面貌的认识经历了漫长的岁月,追溯我国史书有关山川地貌的最早记载,是公元前四至三世纪的《禹贡》一书。在这本书中,将中国划分为九洲,描述了山脉、河流,以及土壤沉积物的类型。以后又有北魏郦道元的《水经注》、宋朝沈括的《梦溪笔谈》、明朝宋应星的《天工开物》等论著,都记述了自然界的一些地学现象。由于当时条件的限制,地面观测视野又有限,不少记载很粗略有的还是错误的。例如,《禹贡》书中的“江出于岷”的错误记载,直至举世闻名的地理学家徐霞客(15861641年),才纠正了“江出于岷”的错误见解,指出金沙江是长江的上游。从《禹贡》的错误记载到徐霞客的纠正错误见解,整整经历了2000年左右的时间。尽管古代地理学家对山川地貌进行了大量的实地考察、记述,前后经历了约2000年,但在对自然界的认识深度上,并无突破性的变化,而所获得的成果与今日遥感图像所提供的丰富逼真的自然景观信息是无法相比的。

    最后,我简单介绍一下遥感技术的作用。遥感技术在许多领域中都很有用,而且可以取得很好的效果。比如大家每天都可以从电视里看到的天气预报,可以看到云图,哪里下雨,哪里天晴,哪里是多云,哪里有沙尘暴,哪里有台风,台风的中心位置,台风的速度和影响范围等,都是根据气象卫星接收的图像观察、对比、分析得出的。而以前的天气预报是靠各地气象台在地面观察收集的资料,经汇总分析后进行预报,不但工作量大,长时间,准确性差,而且不够及时;我国经常发生水灾、地震,森林火灾等灾害,如何及时了解受灾的情况,以便采取措施进行抢救,以往只能在地面了解灾情,往往受交通、地形的限制,要到灾区了解灾情十分困难,也很难了解详细情况,而且时间拖的较长,非常被动。而有了遥感技术,灾害发生后,可立即派飞机去摄影,即使是晚上也可用红外和微波进行成像,很快就能获得航空图像进行分析。从图像上可看到洪水淹没的范围,地震后房屋倒塌的情况,森林火灾的过火面积及火灾发展趋势……我国在大兴安岭火灾,辽河流域洪灾,云南地震等灾害中都应用遥感图像进行分析,取得很好效果;我国环境污染严重,已经引起国家高度重视,制定了相关的政策、法规,采取了有力措施,加强了环境监测与治理力度。但大气、河流和湖泊等的污染,范围大,点多,更多靠地面人工监测,难度很大。如有的工厂在晚上偷偷地排泄污水,环境部门很难进行监测,而有了先进的遥感技术这个火眼金睛,任何破环境的违法行为都会暴露无遗。比如工厂夜间排泄的污水,我们可以用红外扫描技术在夜间进行监测,在监测点安装红外监测器或进行航空红外扫描监测,还可以利用陆地卫星图像进行监测,因为任何地方几乎每天都有卫星经过上空并成像;土地调查利用遥感技术也取得很好的效果,以往我国土地调查,是靠各地区政府上报的数据统计的,由于种种原因,往往上报的数据出入很大,有的甚至隐满不报,我国早就利用遥感技术进行过全国性的遥感土地调查,也取得很好效果;在军事方面,遥感技术更有独特的作用,利用遥感技术观察敌方的兵力布署情况,以及村庄、道路、桥梁等情况,以便制定作战计划。利用红外技术可以揭露敌方的伪装,在夜间也能了解兵力和武器布署情况,飞机场上的飞机即使起飞后不久,在红外扫描图像上仍可留下飞机的形状,因为红外记录的不是飞机本身形态,而是记录温度,飞机起飞后,地面温度仍可保留一段时间,所以可以记录下来。一旦国境线发生纠纷或武装冲突,可在国境线上我方境内,利用机载侧视雷达监测或获取对方的军事布署,因为侧视雷达可以从侧面进行探测。


    总之,遥感技术在许多领域均可得到有效的应用,除上述介绍的用途外,还可用于地质、资源、矿产普查,地形测绘,地下水资源、森林资源、海岸线等调查,农作物产量估测、病虫害、海洋渔群、近海海面泄油等的监测,工程选线、选址勘测,火山、雪崩、冰川等的监测,考古……


    正在逗逗、乐乐听的入神的时候,奶奶叫了一声,吃饭了,爷爷抬头看了墙上的钟,已经12点了。爷爷最后说,今天时间有限,我只简单地介绍了遥感技术的一部分内容。实际上遥感技术包括四个部分内容:即遥感平台(飞机、卫星等);传感器(照像机、扫描仪等,主要负责电磁波能量的收集、记录和传送工作);遥感数据接收和预处理系统;遥感资料分析与应用系统等四部分,可见,遥感技术就是一个接收、传送、信息处理和遥感信息分析,并最后识别目标的复杂技术过程。我今天讲的只是遥感的基本知识,如果你们感兴趣的话,以后再给你们讲其他部分。

 

 




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