遥感应用学概论_知识点总结

????????高分辨率对地观测系统重大专项是中国国家中长期科学和技术发展规划纲要中的一个重要科技专项。该专项旨在加快中国空间信息与应用技术的发展，提升自主创新能力，建设高分辨率先进对地观测系统，以满足国民经济建设、社会发展和国家安全的需求。该专项将统筹建设基于卫星、飞艇和飞机的高分辨率对地观测系统，完善地面设施，并与其他观测手段结合，实现全天候、全天时、全球覆盖的对地观测能力。专项的重点是体系创新、业务驱动和规模化应用，通过产出重大战略产品、突破关键共用技术、支撑发展和引领未来的重大科技工程，构建高分应用示范体系、应用技术支撑与服务体系、产业促进体系等三大体系，提升自主研发能力、业务化能力和产业化能力，推动民用航天从应用试验型向业务服务型转变。该专项还涉及卫星观测指标布局、航天遥感系统架构创新、各行业和区域应用示范体系的建立，以及自主卫星应用技术研发体系的构建和产业化遥感应用的发展。通过这些努力，中国航天遥感将迎来新的发展阶段。

2)、国家空间基础设施：国家民用空间基础设施中长期发展规划 CNSI

????????《国家民用空间基础设施中长期发展规划》是中国国家发展与改革委员会、财政部和国防科工局于2015年发布的一项重要规划。该规划旨在推进科学发展、转变经济发展方式、实现创新驱动，以及支撑国家安全和现代化建设。规划提出了四个方面的统筹：多方面应用需求统筹、天地统筹、远近统筹和软硬统筹。其中，民用空间基础设施是指利用空间资源，为广大用户提供遥感、通信广播、导航定位等产品与服务的天地一体化工程设施。规划要求逐步建成技术先进、自主可控、布局合理、全球覆盖的国家民用空间基础设施，满足行业和区域重大应用需求，支撑中国现代化建设和国家安全。此外，规划还强调国际合作和服务的拓展，以及推动高分辨率数据在各行业、区域和产业中的应用。该规划的实施将全面提升中国的空间信息应用能力，推动卫星及应用技术的发展，加快空间信息产业的发展，为国家经济社会建设提供有力支撑。????????

3)、航天强国：中国全球综合地球观测系统China GEOSS

????????中国综合地球观测系统发展战略旨在满足中国全球发展战略、国民经济、社会和谐、地球观测科技创新、产业发展的需求。战略目标是到2030年实现全球综合观测的高动态、一致性、全链条能力建设。具体战略目标包括突出中国作用与贡献、提升全球数据快速获取能力、提升地球观测数据产品质量和服务能力、提升全球综合观测应用能力、提升全球观测协同创新能力等。该战略将推动中国遥感事业从科研型、工程型向业务型、产业型方向发展，并进一步提升国际竞争力。???

3、遥感应用发展三阶段

1)、第一阶段：行业卫星遥感

? ? ? ? 20世纪70年代末80年代初的遥感应用启蒙“三大战役”标志着我国遥感应用开始全面发展，并逐步在多领域开展专业性应用研究，形成了“行业+遥感”的局面。

2)、第二阶段：卫星遥感领域学

? ? ? ? 本世纪初的第一个十年期间，我国一些领域专家通过系统性总结其遥感实践成果，陆续形成了“卫星遥感+行业+学”的局面。系统全面地针对研究对象、作用机理、技术工程与应用实践开展综合分析。

? ? ? ? “卫星遥感+行业+学”在于从整个行业角度，揭示出遥感与研究对象的关系，形成建立在累积知识与具体实践基础上的理性认知与整体性知识体系。

? ? ? ? 包括了对全局和发展全过程的认识基础上的观测对象特性、遥感机理、技术工程与应用实践的有机组成。

3)、第三阶段：卫星遥感行业与卫星遥感应用学

? ? ? ? ?随着我国自主卫星技术发展，特别是2010年高分专项的启动实施，卫星遥感应用作为一个整体来研究，形成了具有很强代表性的“遥感行业”的内容与规模。

? ? ? ? 卫星遥感应用学是由多个领域的“卫星遥感+行业+学”的共性与一般性问题的综合。

? ? ? ? 有关卫星遥感应用学的认知正是在开展高分应用系统设计、建设与运行的要求下，以实现高分专项促进行业遥感、健全遥感行业、形成遥感产业为目标的实践中产生并发展起来的。

4、数据与信息之间的关系

1)、数据

????????数据是信息知识工具集的表现形式，是记录认识论信息的一种人造事物，即已知且被记录的信息。

数据是认识论信息的载体，用于承载信息、知识、智慧，这些符号可通过人的感知有多种形式进行传递，可以是文字、图形、音像、嗅味、触温等。
作为客观事物的属性、数量、位置及其相互关系的符号描述，数据是对客观事物的性质、状态以及相互关系等进行记载和鉴别的物理符号或这些物理符号的组合，是人可识别的抽象化符号和编码。

2)、信息

????????信息与物质、能量并列，既是关注对象的本体组成，同时也是可被人感知与响应的对象。?

信息是为了满足用户决策的需要而经过加工处理的数据。
信息是客观世界各种事物变化和特征的反映。
信息是事物存在的方式或运动状态，以及这种方式或运动状态直接或间接的表述。

3)、数据与信息之间的关系

数据是认识论信息的载体，用于承载信息、知识、智慧。
数据对客观事物的描述具有近似性，是人们对信息进行加工处理后的结果，它无限趋近真实，但不完全等于客观事实。
数据是反映客观事物属性的记录，是信息的具体表现形式。数据经过加工处理之后就成为信息；而信息需要经过数字化转变成数据才能存储和传输。
客观事物的状态和特征的不断变化使信息不断产生，信息在自然界中是某一时刻某一地点的固定存在，信息具有不可重复性。数据是信息的记录，可以采用更快或滞后的方式进行处理，与信息的变化发展可以不同步。
数据与信息还存在一些区别表现在：遥感数据流中数据的处理方式、流程与信息流的不一致性。数据的处理要考虑数据的特性开展，具有自身特点的表现形式。

5、遥感小数据与遥感大数据特点

1)、遥感小数据

????????小数据，即瓦片数据。对原始数据进行几何、辐射等预处理后形成干净准确的影像，在对其按照标准分辨率层级进行重采样，最后为保证定量化处理精度按标准格网裁切成1000x1000的规格。?

? ? ? ? 小数据是服务于“小”用户或者说“小”应用。

信息分布集中
数据量小
信息浓度高

遥感小数据特点：

空间聚焦性：基本上可以把空间目标区域聚焦到1-4个瓦片上，这种模式可以在很大程度上降低数据处理量、提高系统效率以及改善用户体验。
时空关联性：遥感数据区别一般数据的特点就是具有时空特性，每个像元都有其特定的拍摄时间和地理范围，因此依据此特性来设计规格化数据的分布式规则和索引，将大大提高数据的应用和处理效率。
聚合性：通过规格化处理，瓦片和瓦片在相同的规格体系下具备了聚合能力，由于数据来源的差异性被消除了，不同来源的瓦片可以不需处理直接聚合在一起形成新的数据应用能力。
灵活性：瓦片数据的数据量非常小，可以在很大程度上改善传统遥感应用数据量大、加载缓慢等不友好体验。
离散性：通过规格化处理，传统一景为单位的数据形成了一系列的瓦片数据，瓦片数据的离散性为构建分布式数据库系统和并行处理系统提供了天然的优势。
可再生性：瓦片数据是由原始影像数据经过特定处理步骤生产的影像产品，因此只要保留原始数据，规格化数据就可再生产。规格化数据的这种可再生性给系统的架构设计提供了很大的可能性。

2)、遥感大数据

? ? ? ? 关注对象空间信息离散、异构性分布在较大数据空间范围。大数据是小数据的集合。

信息分布稀疏
数据量大
信息浓度低

遥感大数据特点：

容量大：隐含各类信息，信息含量大，信息的内在关联度高、挖掘潜力大。
数量多：卫星数量越来越多、观测类型和手段越来越丰富、数据量越来越大。
速度快：数据采集速度快、信息更新频率高。
价值密度低：通过数据量的积类和综合，可以发现更多的价值。
重视度高：社会经济效益高、需求大、应用面广、推广力度大。
科研支持大：科学数据，有很多机理研究工作作为支持。

6、数据产品分类

7、几何校正与辐射定标概念

1)、几何校正?

几何形变含义：

指卫星在运行过程中，由于传感器成像方式、姿态、大气折射、地形起伏、地球曲率、地球旋转、传感器自身性能引起的几何位置误差。
指图像上像元的坐标与图像坐标系统中相应坐标之间的差异。

几何校正概念：

????????遥感图像作为空间数据，具有空间地理位置的概念。在应用遥感图像前，必须将其投影到需要的地理坐标系。因此，遥感图像几何处理是遥感信息处理过程中的一个重要环节。

遥感图像几何处理：?

????????统一坐标系，解决遥感图像的几何变形问题，消除遥感图像的几何误差，获得所提取地物的几何位置。?

几何处理目的：?

遥感任务是获取地物的空间信息和属性信息；
在利用遥感图像提取信息的过程中，要求将所有提取的信息表达在某一个规定的图像投影参照系统内；
遥感图像成图时，因为各种因素的影响，图像本身的几何形状与其对应的地物形状不一致。?

2)、辐射定标

辐射定标包括相对辐射定标和绝对辐射定标。
相对辐射定标是各像元之间、各探测器之间、各波谱之间以及不同时间测得的辐射量的相对值。
绝对辐射定标是指建立遥感器记录的数字信号与对应视场中的辐射能量之间的数量关系。
是指遥感图像像元的无意义的DN值转变为具有物理意义的辐亮度的过程

3)、几何定标和辐射定标区别

????????几何定标主要涉及到将遥感影像的像素位置与地球表面上的实际地理坐标进行对应，以保证影像的空间精度和几何精度。几何定标的目的是校正影像的几何畸变，包括平移、旋转、尺度、地形变形等，使得遥感图像上的像素与地理坐标精确对应。几何定标通常通过使用地面控制点、数字高程模型等参考数据进行实现。

????????辐射定标则是指对遥感卫星传感器接收到的原始辐射信号进行校准和转换，以获得具有物理意义的辐射值或辐射能流值。辐射定标的目的是消除传感器响应的非线性、波段间的差异、大气吸收和散射影响等因素，并将辐射值与标准辐射源进行比较，从而获得真实的地物辐射信息。辐射定标需要考虑卫星传感器的响应特性、大气传输特性、地表反射特性以及辐射源等因素。

????????总结而言，几何定标主要着重于处理影像的几何属性，确保影像与地理空间的精确对应；而辐射定标则集中在校准和转换遥感数据的辐射值，以获得地物辐射信息。

8、辐射产品真实性检验方法

1)、真实性检验

通过和参考数据(相对真值)的比较，独立地评价从定标后的卫星遥感数据延伸出的遥感产品的精度和不确定性的过程。
真实性检验：通过将遥感反演产品与能够代表地面目标相对真值的参考数据(如地面实测数据，机载数据，高分辨率遥感数据等)进行对比分析，评估遥感产品的精度。

真实性检验意义：

????????遥感真实性检验是评价遥感产品质量的重要途径，是沟通遥感数据到遥感信息转换的关键技术环节，对于提高我国对地观测技术定量化水平有重要的意义。?

2)、常用方法

基于地面单点测量值的验证
基于地面多点测量值的验证
交叉检验
间接验证

尺度上推和尺度下推

数理统计
影像信息融合
基于地物分类的尺度转换
基于高分辨率数据和地面数据建立时空趋势面的升尺度方法

辐射产品真实性检验方法：

检验流程
野外数据采集
野外数据处理
辐射产品验证

9、定标场网标准

1)、定标场网选择要求

场区反射率光谱曲线平滑，无明显的波峰和波谷。这样可以减小因传感器光谱响应匹配带来的误差，有利于卫星传感器相互定标。
空间均一性好，大面积且平坦。开阔平坦(倾斜度小于5°)且空间均一性好的试验场，满足不同空间分辨率卫星定标的需要，减少配准不佳的影响和像元混合带来的误差。
大气干洁、稳定，能见度好，气溶胶含量低。不同季节的气溶胶含量比较稳定，无云、晴朗天气多。目标海拔高(通常要求目标海拔在1公里以上)，减少未知气溶胶垂直分布和气溶胶类型引起的误差。
干旱地区。可以减小由于降雨引起的地表反射率变化，有更多的时机进行在轨辐射定标试验。
试验区附近有较好的交通、通讯、安全、生活和工作条件便于野外试验的开展进行，能满足野外试验工作及生活条件。
场区远离城市和工业区。基本无污染，对试验场的破坏少。
试验场最好有足够大的实验区和扩展区。以满足不同分辨率卫星定标的需求，并有适当大小的扩展区。
中高反射率。定标场目标的反射率一般应不低于0.2，这样确保卫星信号贡献绝大部分来自于地面，以减少程辐射带来的不确定度的影响。
接近朗伯表面。理想情况下，朗伯表面会消除太阳和卫星观测角度而引起的不确定性，所以，试验场应该尽可能接近朗伯表面，以简化双向反射特性，减少地表双向效应的不确定性，消除阴影问题。
地表特性稳定性好。试验场的地表尽可能均匀，试验场内地物光谱特性随时间变化越小越好，且季节性变化较小。通常要求试验场无植被覆盖，例如沙漠、戈壁等。

二、论述题

1、北斗卫星发展历程

1)、每一步发展目标

第一步，1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，2000年形成区域有源服务能力(1号)；

????????北斗一号系统（1994年至2007年）。这是一个区域性的有源定位系统，由三颗地球静止轨道卫星组成，主要服务于中国及周边地区，提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务。北斗一号系统使中国成为继美国和俄罗斯之后第三个拥有卫星导航系统的国家。

第二步，2004年启动北斗卫星导航系统建设，2012年形成区域无源服务能力(2号)；

????????北斗二号系统（2004年至2012年）。这是一个区域性的无源定位系统，由16颗卫星组成，其中5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和6颗中圆地球轨道卫星。北斗二号系统面向亚太地区提供定位、测速、授时和短报文通信服务。北斗二号系统采用了中高轨混合星座架构，实现了高空间信号覆盖密度和高信号可用性。

第三步，2020年北斗卫星导航系统形成全球无源服务能力(3号)。

????????北斗三号系统（2009年至2020年）。这是一个全球性的无源定位系统，由30颗卫星组成，其中24颗中圆地球轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星和3颗地球静止轨道卫星。北斗三号系统为全球用户提供定位、测速、授时、全球短报文通信和国际搜救等服务。北斗三号系统在信号体制、时间系统、信号传输等方面进行了创新性设计，提高了导航服务的精度、可靠性和连续性。

2)、一号、二号、三号的功能

北斗一号导航系统功能：

定位：快速确定用户所在位置，向用户及主管部门提供导航信息；
通信：用户与用户、用户与控制中心均可以实现双向短报文通信；
授时：中心控制系统定时发送授时信息。

北斗二号导航系统功能：

? ? ? ? 在兼容北斗一号验证系统的全部功能基础上，增加了区域导航能力拓展，采取有源与无源相结合体制。

北斗三号导航系统功能：

? ? ? ? 在拓展区域导航系统的基础上，北斗导航系统的服务由区域拓展到全球。

? ? ? ? 北斗三号与二号的区别不仅在于卫星组网从区域走向全球，而且在载荷、星间链路、激光通信等方面也有进步。如北斗三号采用星载氢原子钟，精度比北斗二号的星载铷原子钟提高一个数量级。又如，北斗三号增加了卫星搜救功能和全球位置报告功能。

? ? ? ? 北斗系统除了最基本的导航功能之外，还兼备通信功能，这是首次将导航与通信融为一体，北斗三号系统具有独特的通信功能，该服务将为紧急情况下的通信提供了根本保障。为了增强定位精度，北斗三号系统还采用星基增强技术。

3)、案例、目前形势、拓展

北斗卫星：中国导航之光

目前形势：

????????目前世界上有四个全球性的卫星导航系统：美国的GPS（Global Positioning System），俄罗斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System），欧盟的Galileo（Galileo Positioning System）和中国的北斗（BeiDou Navigation Satellite System）。这四个系统都有各自的特点和优势：

GPS是最早建立并投入使用的全球卫星导航系统，目前由32颗中圆地球轨道卫星组成，。GPS具有较高的可靠性和稳定性，在世界范围内拥有广泛的用户群体。GPS目前可以向民用用户提供定位、测速、授时和全球短报文通信等服务。GPS的民用服务分为标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。SPS是对全世界所有用户都一样是免费的、不间断的，使用单频C/A码信号。PPS只对美军和盟军以及得到批准的一些政府部门开放，使用双频P码信号。PPS的精度比SPS高一个数量级，但需要使用专用的接收机和解密设备，GPS的定位精度为3.6米。
GLONASS是俄罗斯建立的全球卫星导航系统，目前由24颗中圆地球轨道卫星组成。GLONASS具有较高的覆盖密度和信号强度，在高纬度地区有较好的性能。GLONASS目前可以向民用用户提供定位精度为2.8米的服务。
Galileo是欧盟建立的全球卫星导航系统，目前由26颗中圆地球轨道卫星组成。Galileo具有较高的精度和安全性，在欧洲范围内有较好的兼容性。Galileo目前可以向民用用户提供定位精度为1米的服务。

其他三大导航卫星系统相比，北斗卫星具有以下优势：

北斗卫星拥有更多类型和更多数量的信号频点，在不同频段上都有信号覆盖，可以有效抵抗电离层干扰和多路径效应。
北斗卫星拥有更高效率和更低功耗的信号调制方式，在相同功率下可以获得更高信噪比和更好性能。
北斗卫星拥有更强大和更灵活的信号编码能力，在保证兼容性和互操作性的同时，可以实现更高安全性和更多功能。

北斗卫星应用：

????????北斗卫星导航系统已广泛应用于交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔等行业，融入电力、金融、通信等基础设施，进入大众消费、共享经济和民生领域，产生了显著的经济和社会效益。以下是一些具体的应用案例：

在交通运输方面，北斗系统为高铁列车提供实时位置信息和速度控制指令，保障列车安全运行；为民航飞机提供精确的起降引导和空中交通管制；为公路客运车辆提供智能调度和监控；为港口码头提供集装箱管理和智慧港口建设；为海洋渔业提供海上安全保障和渔业资源管理。
在公共安全方面，北斗系统为公安部门提供警务指挥和警力调度；为消防部门提供火灾预警和灭火指挥；为边防部门提供边境巡逻和边境管理；为海事部门提供海上搜救和海事执法。
在救灾减灾方面，北斗系统为地震预警和灾情评估提供数据支撑；为抢险救援提供指挥调度和人员定位；为灾后重建提供规划设计和工程监测。
在农林牧渔方面，北斗系统为精准农业提供田间管理和作物监测；为林业资源保护提供森林火险预警和林业执法；为畜牧业养殖提供动物追溯和疾病防控；为水利工程建设提供水文监测和水利调度。
在基础设施方面，北斗系统为电力网运行提供电网同步授时和电网稳定控制；为金融交易提供时间戳服务和风险防范；为通信网络提供网络同步授时和网络优化。
在大众消费方面，北斗系统与智能手机、智能手表等终端设备相结合，为用户提供位置服务、健康管理、娱乐游戏等功能。
在国防安全方面，利用北斗系统提供的加密服务，在战略打击、战术作战、武器制导等方面实现了精确打击和信息保障，并为国家主权和领土完整提供了坚强后盾。

2、地物光谱曲线图

遥感地物光谱知识整理

基于遥感卫星影像水体提取方法综述?

植被光谱曲线

????????健康植被的光谱曲线特征明显，在可见光0.55μm处有一个10%-20%的小反射峰；在0.45μm和0.65μm附近有两个明显的吸收谷；在0.7μm-0.8μm附近有一个陡坡，反射率急剧增高，形成红边特征；在近红外波段0.8μm-1.3μm附近形成一个高的、反射率在40%甚至更高的反射峰；在1.45μm、1.95μm、2.6-2.7μm处有3个吸收谷。

????????植物在可见光波段（0.38-0.76微米），植物里面的叶绿素吸收红波段和蓝波段，在绿色波段之间吸收较少，所以植物呈现出绿色。在可见近红外波段处反射率急剧增大，该波段经常用来区分植物作物。在近红外波段有两个水吸收带，强度不大。在短波红外波段有三个主要的水吸收带，在图像上形成了三个凹谷。?

水体光谱曲线

????????在可见光波段0.6μm之前，水的吸收少，反射率较高，大量透射；水在红外波段强吸收。

????????水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，近红外和中红外波段纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于零。水中含有泥沙，可见光波段反射率会增加，含有水生植物时，近红外波段反射增强。

????????565nm附近是叶绿素的吸收谷，在反射率曲线上形成反射峰；685nm附近时叶绿素的吸收峰，在反射率曲线上形成反射谷；700nm附近时叶绿素荧光峰，在反射率曲线上形成反射峰；随着叶绿素浓度的增加，565nm和700nm附近的反射峰都会变陡；随着叶绿素浓度的增加，700nm附近的反射峰的峰值波长位置会向长波方向移动。

土壤光谱曲线

????????土壤反射率一般都是随着波长的增加而增加，并且此趋势在可见光和近红外波段尤为明显。土壤对电磁波的作用主要表现为吸收和反射，透射少；土壤反射波谱曲线的“峰—谷”变化较弱；一般情况下，土壤反射率是随着土壤水分的增加而减少，这在水的吸收带处（1.42μm、1.96μm、2.21μm），反射率下降尤为明显。

典型地物光谱曲线图的实际应用包括以下几个方面：?

土地利用和土地覆盖分类：通过地物光谱曲线图可以将地表覆盖进行分类，如区分不同类型的植被、农田、水体等。例如，利用植被光谱曲线特征，可以将森林、草地、农田等进行精确分类，为土地利用规划和资源管理提供基础数据。
农作物分类与监测：地物光谱曲线图在农业领域有广泛应用。通过分析农作物的光谱特征和光谱差异，可以对不同农作物进行分类和监测。例如，通过植被的光谱曲线图，可以区分小麦、玉米、大豆等主要农作物。
矿产资源分类与勘查：不同矿物质对光的吸收和反射具有独特的光谱特征。通过地物光谱曲线图可以识别地表不同地质特征，包括不同类型的矿物质。例如，在矿产资源勘查中，可以通过分析矿物质的光谱曲线图，来识别出潜在的矿产资源区域。
水质分类与监测：地物光谱曲线图可以用于识别和监测水体的水质。不同水质条件下的水体光谱曲线存在明显差异，通过光谱分析可以评估水体的污染程度和水质状况。例如，可以利用水体的光谱曲线图来判断水体是否受到有机物、重金属等污染物的影响。
城市地物分类和规划：地物光谱曲线图可以用于城市地物分类和规划。通过分析城市不同地物的光谱特征，可以将城市区域进行准确的分类和划分，如道路、建筑、绿地等。这对城市规划、土地管理和交通规划等具有重要意义。

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