2.2　遥感数据源

从20世纪60年代起，历经50余年，遥感技术及其应用已经逐渐渗透到社会的各个领域。通过遥感技术观测到的全球变化、厄尔尼诺、沙漠化、海洋冰川漂流等动态变化已经引起全球的广泛重视；遥感技术还在水利、海洋、生态、矿产、土地、森林、草原、野生动植物、水资源等方面起着不可替代的作用；同时，它也在环境变化、灾害监控、工程建设等方面发挥了巨大作用。遥感技术作为对地观测的一项综合性技术一直在不断进步。与传统观测手段相比，遥感具有突出优势，其可以进行大尺度的连续性和周期性观测，拥有很高的实效性，极大地提高了社会生产效率，节约了时间和经济成本。

2.2.1　遥感概念

遥感是Remote Sensing的中文直译，由美国女地理学者Evelyn L Pruitt于20世纪60年代首先提出，用来替代“航空像片判读”这一术语。其后在密歇根大学召开的系列研讨会上被采用，从此得以广泛传播。

遥感，即“遥远的感知”。广义上的遥感是指在不接触目标或现象的情况下而获取其相关信息，如读者当前的阅读就是遥感。由此可见，“遥远”是相对的，并不意味着空间上的遥远距离。本书涉及的内容是狭义上的遥感，即不与探测目标或现象相接触，通过探测器件获取关于地球的影像与信息。

我国的摄影测量与遥感之父——王之卓院士指出，遥感与摄影测量是同一学科存在于两个不同的时期。遥感是摄影测量的发展和扩充。美国摄影测量与遥感协会将摄影测量与遥感相结合定义为：对使用非接触传感器系统获得的影像及数字图像进行记录、量测和解译，从而获得自然物体和环境的可靠信息的一门艺术、科学和技术。

2.2.2　理想遥感系统

理想遥感系统的基本组成部分主要包括以下一些内容。

（1）均衡能量源。此能量源能够提供覆盖所有波长、稳定、为人们所熟悉、高水平输出、与时间和地点无关的能量。

（2）无干扰的大气层。这种大气层不会以任何方式改变来自能量源的辐射能，无论这种能量是向地面入射还是从地面反射回来。而且理想情况下，也与波长、时间、地点和传感器的高度无关。

（3）地球表面一系列特有的能量与物质间的相互作用。这种相互作用所产生的反射或发射的电磁能量信息不仅对于波长具有选择性，而且对于每一地表特征类型及其子类型都是已知、不变和特有的。

（4）高级传感器。这种传感器对电磁波谱中的所有波段高度敏感，在整个波谱范围内地物的绝对辐射亮度（或辐射量）可作为波长的函数，并由此获得详细的空间数据。这种高级传感器简单、可靠，几乎不需要电力供应，也不会占据太大的空间，精确性好，操作简便。

（5）实时的数据处理和供应系统。在这个系统中，会即时产生地形要素的辐射率－波长响应曲线并传输到地面，进行必要的辐射与几何校正，然后被处理成便于解译的数据格式，而且每个观测数据都唯一地对应于特定的地表特征。这种处理过程几乎是瞬间（“实时”）完成的，可及时提供信息。由于辐射能量与物质之间相互作用的恒定性，分析过程中就无需引入参考数据了。获取的数据将会为每个感兴趣的地表特征的物理－化学－生物过程提供更加深入的见解。

（6）多数据用户。这些人在各自学科以及遥感数据获取和分析技术方面具有较深的造诣。往往由于研究人员对所感测的具体地球资源的知识背景不同，同一“数据”集对不同用户就成为不同形式的“信息”。与其他收集信息的方式相比，他们取得这种信息时间快、成本低、面积大。利用这些信息，不同用户在详查后，可对如何管理地球资源做出意义深远、明智的决策，并且当这些管理决策被执行后，能够令所有人感到满意。

遗憾的是，上面所描述的理想遥感系统在现实中并不存在，实际的遥感系统与理想模型相比，每一条都相差甚远。

2.2.3　遥感的成功应用

理论上，所有成功的遥感设计至少应包括：①明确所要研究的问题；②对利用遥感技术解决问题的可行性进行评估；③确定适合于该任务的遥感数据的获取方法；④确定使用的数据解译方法和需要的参考数据；⑤确定对所收集信息的质量进行评判的标准。

在实际的遥感应用过程中，上述一个（甚至多个）遥感应用的组成部分往往被忽略，结果会造成很大损失。许多资源管理计划很少或根本无法根据所获取信息的质量进行遥感技术可行性的评价与论证。而有的人虽然已经获取大量的遥感数据，但没有足够的能力进行解译。由于研究问题不明确，导致在遥感技术应用过程中甚至遥感技术还没有被采用时，就已经发生许多突发事件。明确所要研究的问题，并对遥感技术能够满足实际应用的可行性有一个基本的了解，对于遥感技术的成功应用具有重要的意义。

通过多方面收集数据可以明显地促进遥感技术的成功应用，主要包括：利用多平台进行遥感探测，即从多个高度的平台上对同一目标物进行数据采集；利用几个光谱波段进行同步数据采集的多光谱遥感；多时相遥感，即对同一目标物在多个时段进行数据的重复采集。

在多级平台遥感中，卫星数据可以与高空数据、低空数据以及地面观测数据一起进行分析。每个连续的数据源可以为较小的地理区域提供更详细的信息，而由任何小尺度观测到的数据所提取出的信息通过外推可以应用到更大尺度的观测中。

多级平台遥感技术应用的一个常见实例就是研究森林病虫害的发展趋势、类型确定及其原因分析。从航天图像中，图像解译人员可以得到整个研究区的主要植被类型。利用这些信息，就可以确定感兴趣的特定植物类型的分布面积和地理位置，然后通过精度更高的图像对有代表性的子区域进行更加细致的研究。在第二级平台上形成的图像可以把病变的区域描绘出来。然后，对这些地区有代表性地取样并作野外调查与验证，证实病变是否存在及其具体原因。

通过地面观察对所发生的问题进行详细分析之后，研究人员就可以利用遥感数据对更大的区域进行分析评估。通过分析覆盖广大区域的遥感数据，研究人员可以确定病虫害的严重程度及其发生的地理范围。因此，要判断究竟是什么问题时，只能通过详细的地面观测来确定；而同样重要的问题，诸如在哪里、有多少和多么严重，则经常通过遥感分析方法来获得最佳的解决方案。

总之，从多个角度对地表情况进行分析要比仅从单个角度可以获得更多的信息。与此类似，多光谱成像要比任何单波谱成像所采集到的数据能提供更丰富的信息。例如，多光谱扫描仪就是一种可以利用多个光谱波段同步采集数据的传感器。当利用多个波段所记录的数据相互结合进行分析时，要比仅利用单一波段的图像或者把多个波段单独进行分析，能够获得更多的信息。因此，多光谱数据处理方法成为许多遥感应用的核心，包括对地球资源类型和条件的判别。

遥感图像的多时相分析就是在多个时段对同一地区进行重复探测，并利用不同时间发生的变化来判别地面条件。这种方法经常被用于监测土地利用的变化，例如城市边缘地区所发生的城市化进程。实际上，区域土地利用的调查往往需要多传感器、多光谱、多平台以及多时相的数据采集以满足不同的应用需求。

在应用遥感技术的过程中，不仅要将数据的获取与分析解译技术相结合，遥感技术与“常规”技术也一样需要进行必要的结合。必须意识到，遥感技术本身是一种工具，必须与其他技术配合才能发挥其最佳作用，其本身的发展并不是最终的目的。例如，遥感数据被广泛应用在基于计算机的GIS当中。GIS环境允许综合、分析和交流实质上是无限的资源和各类型的生物物理学和社会经济学的数据——只要它们能在地理上被引用。遥感技术可以被认为是这种应用系统的“眼睛”，能够提供来自航空或航天有利位置的重复的、概要的（甚至全球的）地球资源景象。

遥感为我们提供了看到不可见世界的能力。我们能够开始在“生态系统基础”观察环境的组成，以至于遥感数据能够超越当前所收集的大多数资源数据的文化边界。此外，遥感也超越了学科的界限，其应用范围如此广泛，以至于没有人能够完全掌握这一领域。无论是对遥感基础研究感兴趣的“硬”科学家还是对遥感实际应用感兴趣的“软”科学家，都对遥感技术的发展做出了重要的贡献并从中受益。

毫无疑问，遥感技术将继续在自然资源管理中占有越来越重要的地位，其应用也将越来越广泛。传感器、空间平台、数据传输系统、GPS、数字图像处理系统和GIS等技术水平正在日益提高。同时，我们也目睹了各种遥感手段，从纯粹的科学研究活动向商业应用服务转化的革命进程。最重要的是，我们逐渐意识到全球资源库各基本要素之间的相互依赖性和脆弱性，也意识到遥感技术在地球资源普查、监测和管理以及建立模型并帮助我们理解全球生态系统中的重要作用。

2.2.4　Landsat系列卫星

本书研究在反演太原市城区土地利用类型时运用了Landsat数据。在地理信息空间数据云网站，选取卫星过境时间为2000年7月1日、2006年6月27日的Landsat TM影像和2013年6月24日的Landsat OLI影像，查看影像均无云或少云，符合研究精度条件，下载获取该数据源。研究区6月下旬为夏初季节，地表植被生长茂盛、覆盖完全，且正值汛前的枯水期，降水量小、来水少。因此，选取此时的影像数据，可较全面地体现植被覆盖与水体状况，水体信息与土地利用景观具有代表性。基于MapGIS　10软件平台，运用RS、GIS分析技术，以中国行政矢量边界数据为依据准确提取研究区范围，并分析土地利用类型和景观变化特征。2000年、2006年和2013年的遥感影像见图2.7。

2.2.4.1　Landsat概述

美国陆地卫星（Landsat）系列卫星由美国国家航空航天局（NASA）和美国地质调查局（USGS）共同管理。美国NASA的陆地卫星（Landsat）计划（1975年前称为地球资源技术卫星——ERTS），从1972年7月23日以来，已发射8颗（第6颗发射失败）。它是美国用于探测地球资源与环境的系列地球观测卫星系统，目前Landsat－1～Landsat－4均相继失效，Landsat－5仍在超期运行（从1984年3月1日发射至今），Landsat－7于1999年4月15日发射升空，Landsat－8于2013年2月11日发射升空，经过100d测试运行后开始获取影像。表2.1介绍了Landsat系列卫星的具体情况。

陆地卫星的主要任务是调查地下矿藏、海洋资源和地下水资源，监视和协助管理农、林、畜牧业和水利资源的合理使用，预报农作物的收成，研究自然植物的生长和地貌，考察和预报各种严重的自然灾害（如地震）和环境污染，拍摄各种目标的图像，以及绘制各种专题图（如地质图、地貌图、水文图）等。

2.2.4.2　轨道特征

Landsat－1～Landsat－3卫星轨道平均高度设计约在915km，Landsat－4～Landsat－8卫星轨道平均高度大约为705km。这样的设计产生以下几个特点。

（1）近圆形轨道。轨道趋于圆形的主要目的是使在不同地区获取的图像比例尺一致。此外，近圆形轨道使得卫星的速度也近于匀速，便于扫描仪用固定扫描频率对地面扫描成像，避免造成扫描行之间不衔接的现象。

（2）近极地轨道。Landsat系列卫星的轨道倾角设计约为99°，因此是近极地轨道。轨道近极地有利于增大卫星对地面总的观测范围。卫星最北和最南分别能到达北纬81°和南纬81°，利用地球自转并结合轨道运行周期和图像刈幅宽度的设计，可以观测到南北纬81°之间的广大地区。

（3）与太原同步轨道。所谓卫星轨道与太原同步，是指卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角，不随地球绕太阳公转而改变。对于一般轨道（除与黄道面重合的轨道外），地球绕太阳作公转时，这个角会随之改变。由于这个角与传感器观测地面时的太阳光照角有关，因此称为光照角。任一时刻的光照角等于起始光照角加上地球对太阳的进动角。地球对太阳的进动一年为360°，因此平均每天的进动角为0.98565°。为了使光照角保持固定不变，必须对卫星轨道加以修正，平均每圈的修正量为

式中：n为一天中卫星运行的轨道数。

与太阳同步轨道有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测。但是由于季节和地理位置的变化，太阳高度角并不是任何时间都是一致的。

与太阳同步还有利于卫星在固定的时间飞临地面接收站上空，并使卫星上的太阳能电池得到稳定的太阳照度。

（4）可重复轨道。陆地卫星轨道是可重复轨道，重复周期为18d（Landsat－1～Landsat－3）或16d（Landsat－4～Landsat－8）。时间分辨率的高低和回归周期呈负相关，即回归周期越长，时间分辨率越低；回归周期越短，时间分辨率越高。轨道的重复性有利于对地面地物或自然现象的变化作动态监测。

综上所述，陆地卫星的轨道特征可归纳为：中等高度、近圆形、近极地、太阳同步、可重复轨道。

2.2.4.3　传感器类型及成像特点

Landsat系列卫星搭载的传感器有反束光导摄像机（RBV）、多光谱扫描仪（MSS）、专题制图仪（TM）、增强型专题制图仪（ETM＋）、陆地成像仪（OLI）和热红外传感器（TIRS）。Landsat－1～Landsat－3上载有RBV和MSS，Landsat－4、Landsat－5上装载TM和MSS，Landsat－7上装有ETM＋，Landsat－8上装有OLI和TIRS。目前，对于Landsat系列卫星来说，RBV数据已经不用，这里只介绍多光谱扫描仪（MSS）、专题制图仪（TM）、增强型专题制图仪（ETM＋）、陆地成像仪（OLI）和热红外传感器（TIRS）。

（1）多光谱扫描仪（MSS）。多光谱扫描仪（Multispectral Scanner，MSS）的波长范围已达到电磁波谱中的紫外、可见光和红外3个部分。多光谱扫描仪由扫描反射镜、反射镜组、成像板和探测器等组成。

MSS扫描仪每个探测器的瞬时视场为79m×79m，共用6个探测器排成一列，列长相应于地面的长度为474m，这样，每一条横向扫描线经过一个周期回扫至起点进行下一次横向扫描时正好与上一次横向扫描的第6条横向扫描线相邻连接，形成连续的对地面扫描，当卫星在向阳面从北向南飞行时，MSS以星下点为中心自西向东在地面上扫描185km，此时为有效扫描，即在进行横向扫描的同时利用卫星的运行速度实现纵向扫描。连续扫描得到的图像是地面上185km宽的一条连续的条带，而不是像照相机那样一幅一幅地获取。回扫期间（即扫描镜从东向西摆动）为无效扫描，不获取信息。

Landsat－1、Landsat－2上各有一台MSS，其4个通道（光谱段）分别称为MSS4、MSS5、MSS6和MSS7，光谱段颜色分别为绿（0.5～0.6μm）、红（0.6～0.7μm）、近红外（0.7～0.8μm）和近红外（0.8～1.1μm）。Landsat－3上装载的MSS在这4个波段的基础上又增加了一个热红外通道MSS8，波长范围为10.4～12.6μm。Landsat－4、Landsat－5搭载的MSS为4个波谱段，即保留了MSS4～MSS7通道，并将其改名为MSS1、MSS2、MSS3和MSS4。Landsat－7上没有装载MSS。MSS所有的光谱段中，只有MSS8通道的地面分辨率为240m，其他4个通道的地面分辨率均为79m，详见表2.2和表2.3。

MSS图像以64级辐射亮度来描述不同地物的光谱特征；MSS像片的每一行不同部位的影像比例尺都是不相同的，图像边缘比例尺小。像元是矩形，它在卫星前进方向上的边长由MSS瞬时视场角决定，在扫描线方向像元边长是由像元采样速率决定的。

（2）专题制图仪（TM）。专题制图仪（Thematic Mapper，TM）是在MSS基础上改进发展而成的，是第二代多光谱段光学－机械扫描仪。与MSS相比，主要不同点有以下几个方面。

1）它的探测波段增加到7个，详见表2.4。TM1蓝通道，波长范围为0.45～0.52μm；TM2绿通道，波长范围为0.52～0.60μm；TM3红通道，波长范围为0.63～0.69μm；TM4～TM7波段为红外波段。TM1～TM5和TM7每个波段有16个探测器，每个探测器的瞬时视场（IFOV）对应在地面为30m× 30m；TM6有4个探测器，每个探测器的瞬时视场（IFOV）为120m×120m。

2）TM采取双向扫描，正扫和回扫都有效，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，提高了检测器的接收灵敏度。

（3）改进型增强专题制图仪（ETM＋）。改进型增强专题制图仪是安装在Landsat－7上的传感器，由Raytheon公司制造，它比Landsat－4、Landsat－5上的专题制图仪（TM）敏感度更高。ETM＋是一台8波段的多光谱扫描辐射计，其探测器技术指标见表2.4。工作于可见光、近红外、短波红外和热红外波段。美国地质调查局地球资源观测系统数据中心（USGS EROS）产生的图像分为3个等级：最基本的是OR级；对OR级图像进行了辐射校正，但未经系统级几何校正的称为1R级；经过辐射校正和系统几何校正的称为1G级。

（4）陆地成像仪（OLI）和热红外传感器（TIRS）。Landsat－8在空间分辨率和光谱特性等方面与Landsat－1～Landsat－7保持了基本一致，卫星一共有11个波段，波段1～7、9～11的空间分辨率为30m，波段8为15m分辨率的全色波段，详见表2.5和表2.6。

OLI陆地成像仪有9个波段，成像宽幅为185km×185km。与Landsat－7上的ETM＋传感器相比，OLI陆地成像仪做了以下调整。

1）Band5的波段范围调整为0.845～0.885μm，排除了0.825μm处水汽吸收的影响。

2）Band8全色波段范围较窄，从而可以更好地区分植被和无植被区域。

3）新增两个波段：band1蓝色波段（0.433～0.453μm）主要应用于海岸带观测，Band9短波红外波段（1.360～1.390μm）又称为卷云波段，包含水汽强吸收特征，可应用于云检测。

4）近红外band5和短波红外band9与MODIS对应的波段更加接近。

Landsat－8上携带的TIRS热红外传感器主要用于收集地球两个热区地带的热量流失，目标是了解所观测地带的水分消耗。

2.2.5　MODIS

本书研究在反演太原市城区蒸发量时运用了Terra卫星的MODIS　1B影像产品为研究数据，分辨率为1km。MODIS数据共有44种系列产品，MODIS　1B数据是其中的一种，且是经过仪器标定的数据产品，但没有进行大气校正。MODIS　1B产品的编号为MOD02（Terra－MODIS）。

地球观测系统（EOS）是由美国宇航局最初发起的行星地球计划（MTPE，1998年更名为地球科学计划——ESE）的主要组成部分。ESE是一个国际地球科学计划，目标在于为评估自然事件和人类活动对地球环境的影响提供所需的观测、理解和模拟方面的能力。这个计划包括基于太空和地面这两方面的观测系统，为证实和理解全球变化（主要是气候变化）提供基础条件，同时也强调建立必要的数据和信息系统来获取、存储以及分发全球的数据和信息，其目的就是促进国际上对地球系统的理解。

地球科学计划中的EOS部分包括当前运行的观测系统（以Landsat－7开始）、正在研发中的新计划以及将在未来实施的计划。很明显，这个计划的数量、成本、复杂性注定要发生变化。EOS计划包括许多卫星平台和传感器，而且并不局限于对地观测。我们在此并不具体介绍整个计划，而将主要介绍第一个EOS平台——Terra卫星。Terra卫星于1999年12月18日发射，上面载有下列5种不同的传感器：①ASTER，先进空间热辐射反射辐射计；②CERES，云和地球辐射能量系统；③MISR，多角度成像光谱辐射仪；④MODIS，中分辨率成像光谱仪；⑤MOPITT，对流层污染探测装置。表2.7简要总结了每个传感器的显著特征及其应用领域。

Terra卫星设计的目的就是提供一套具有高度协同性的仪器。例如，5个传感器中的4个以互补的方式来获取有关云性质的数据；另外，一个传感器的测量数据（如MISR）可以用于对另一个传感器的数据（如MODIS）进行大气校正。总之，这个综合的卫星遥感系统可以为许多相关的研究领域提供详细的观测数据。Terra卫星是一个庞大而复杂的系统，直径3.5m，长6.8m，重5190kg，近极地太阳同步轨道，轨道高度705km，每日10：30穿过赤道（此时云覆盖最小）。Terra后继的卫星为Aqua，每日13：30穿过赤道，因而可以由这两个卫星所观测的数据来提供每天的变化情况。这里重点介绍的EOS系统是MODIS传感器。

MODIS传感器的目的是同时提供有关陆地、海洋和大气过程的综合数据。它的设计借鉴了早期各种各样的传感器，如AVHRR和CZCS等。然而，与这些早期的系统相比MODIS得到了很大的改进。

与AVHRR相比，MODIS不仅可以在两天内为全球提供更高空间分辨率的数据（250m、500m或1000m，具体分辨率取决于波长），而且可以在36个精心设计的光谱波段上对数据进行采集（见表2.8），其辐射灵敏度也达到了12位。此外，MODIS数据在几何校正和辐射定标方面也得到了显著改善。所有36个MODIS波段间的空间匹配精度可以达到0.1个像元甚至更高，20个反射太阳辐射的波段可以进行精度为5%甚至更高的辐射定标，16个热红外波段的辐射定标精度则可以达到1%甚至更好。制定这些严格的定标标准的目的，是为证明全球气候的细微变化提供长系列连续的观测数据。这些数据集不能随着传感器的更替而变化，因此，对传感器的辐射定标是非常必要的。

MODIS的总视场角度为±55°，扫描带宽2330km。通过MODIS数据可以生成大量的数据产品，可以得到的主要数据产品如下。

（1）云层覆盖——白天的分辨率为250m和1000m，夜间的分辨率为1000m。

（2）气溶胶浓度与光学属性——白天在海洋上为5km分辨率，陆地为10km分辨率。

（3）云层性质（光学厚度、有效粒径、热动力学性质、云顶高度、云顶温度）——白天的分辨率为1～5km，夜间的分辨率为5km。

（4）植被与地表覆盖、状态及生产力——经过大气、土壤背景、极化方式和方向性反射等影响因素校正之后的植被指数，地表反射率，地面覆盖类型；净初级生产力、叶面积指数以及截取的光合有效辐射。

（5）雪与海冰覆盖及其反射率。

（6）表面温度——白天与夜间的分辨率为1km，对于海洋绝对精度为0.3～0.5℃，对于陆地为1℃。

（7）海洋颜色（海洋残余光谱辐射测量到5%）——基于MODIS的可见光与近红外波段的数据。

（8）叶绿素a浓度（在35%以内）——对于单位体积的水体，其含量为0.05～50mg/m3。

（9）叶绿素荧光（在50%以内）——在叶绿素a的浓度为0.5mg/m3的水体表面。