0浅谈21世纪遥感对地观测技术的前沿发展

文章编号:1004)5716(2006)11)0098)03中图分类号:P22文献标识码:B 浅谈21世纪遥感对地观测技术的前沿发展

郑学芬1,周春艳2

(1.山东城市建设职业学院,山东济南250014;2.山东科技大学,山东青岛266510)

摘要:根据世界范围内数字地球和可持续发展对遥感对地观测技术的需求,从五个方面论述了21世纪遥感对地观测

技术的前沿发展,从不同的方面说明了遥感对地观测技术在获取全球表面和深部的时空信息方面将发挥越来越重要的

作用,从而为人类更全面、系统、深入地研究其所赖以生存的地球创造了不可或缺的条件。

关键词:遥感;对地观测;/3S0集成;天地一体化;天基综合信息网;地球物理;地球化学

1概述

对地观测,即对地球观测(ear th observing)。它作为一个专有名词,起源于20世纪80年代中期美国空间站对地观测系统(EOS)。对地观测技术是现代遥感技术发展的重要标志,它可追溯到20世纪60年代的初期刚刚出现的人造地球卫星。当时一般都将它称为地球资源和环境的遥感技术[1]。

现在对地观测新技术主要指卫星通信技术、空间定位技术、遥感技术和地理信息系统技术,这些技术的集成将有可能使人类源源不断、快速地获取地球表面随时间变化地几何和物理信息,了解地球上各种现象及其变化,从而指导人类来合理地利用和开发资源,有效地保护和改善环境,积极地防治和抵御各种自然灾害,不断地改善人类生存和生活的环境质量,以达到经济腾飞和社会可持续发展的双重目的[2]。

在漫长的历史长河中,地球的环境一直都在不断变化。现在由于人类的破坏,地球正经历着全球性和灾难性的变化:如全球变暖,臭氧层损耗,酸雨的形成,生物量的减少等。因此,人类需要不断的探索地球的奥秘和规律,深入地认识和研究地球的各种问题[3];需要把地球信息以多维、多尺度、多时相、多层面的形式表现出来。卫星的诞生,使遥感对地观测技术为人类掌握地球科学知识创造了良好的条件;而世界范围内,可持续发展和数字地球战略的提出,对高分辨率卫星遥感对地观测技术提出了迫切的需求,同时也为它的发展提供了腾飞的平台和新的生长点。2/3S0的集成

我们知道,数字地球的核心是地球空间信息科学,而地球空间信息科学的技术体系中,最基础和最基本的技术核心是/3S0技术及其集成。所谓/3S0集成是指空间定位系统(GP S)、遥感(RS)和地理信息系统(GIS)三种对地观测技术及其它相关技术有机地集成在一起。这里所说的集成,是英文Integration的中译文,是指一种有机地结合,在线地连接、实时的处理和系统的整体性[4]。

在这种集成应用中:GPS主要被用于实时、快速地提供目标,包括各类传感器和运载平台地空间位置;RS用于实时或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息,发现地球表面上的各种变化,及时地对GIS进行数据更新;GIS则是对多种来源地时空信息进行综合处理、集成管理、动态存取,作为新地集成系统地基础平台,并为智能化数据采集提供地学知识[5]。

/3S0集成的方式可以在不同技术水平上实现,包括空基/3S0的集成和地基/3S0的集成。空基/3S0集成,指用空-地定位模式实现直接对地观测,主要目的是在无地面控制点(或由少量地面控制点)的情况下,实现航空航天遥感信息的直接对地定位、侦察、制导、测量等;基/3S0集成,指车载、舰载定位导航和对地面目标的定位、跟踪、测量等实时作业[4]。

/3S0集成除了能提高空间数据获取和处理的精度、速度和效率外,其优势还表现在其动态性、灵活度和自动化等方面[6]。对地观测的/3S0集成系统的进一步发展是引入专家系统和现代通讯技术[2]。随着航空航天技术、电子技术、卫星通信技术和传感器技术的不断发展,/3S0集成及多种技术的联合应用将大大拓宽遥感对地观测技术的应用范围,使其占领更广阔的市场。

3构建天地一体化的对地观测体系

/数字地球0构想的提出,世界各国都在纷纷构建地球空间数

The Des ign of Finite Element Analysis

Visualization Sys tem for Tectonic Stress Field

WU Ying2zhou,JIANG Bo

(College of M iner al Resour ces and Geoscience,CUMT,

Xuzhou J iang s u221008,Ch ina)

Abstr act:Taking th e design of simulative system of tectonic s tr ess field for example,the d esign s of the system master stru cture and every module s tru cture are in trodu ced.Th e key tech niques of system design,such as m odeling technique for3-D layered geological ob jects,grid dis section of geological ob ject finite element and visualization techn iqu e based on VTK data field,ar e discus sed.

Key words:tectonic s tr ess field;finite elem ent;visu alization;geological m odeling

总第127期2006年第11期

西部探矿工程

WEST-CHI NA EXPLORATION ENGI NEERING

series No.127

Nov.2006

据框架,并加载各种与自然和人类活动密切相关的地球系统信息。对地观测信息是/数字地球0的核心信息源之一,对地观测技术在/数字地球0中占据着不可或缺的地位[7]。而遥感对地观测体系作为获取全球系统信息的主要数据源,决定了遥感对地观测技术作为一种先进的时空信息获取手段,将为数字地球提供全面、持续、动态、综合、多尺度、多方位、高精度的地球信息。

目前,卫星对地观测及复杂的计算机模拟在研究地球系统时将发挥不可替代的重要作用。由卫星航天技术形成的对地观测系统能提供全球性、重复性的连续对地观测数据,使我们能源源不断地快速获取地球随时间变化的几何和物理信息[3]。

展望21世纪的卫星遥感应用系统,必须形成天地一体化地快速信息流,才可能满足社会高速信息公路的需求。具体表现在:

(1)航天、航空与地面台站形成多级平台的互联网络系统;

(2)实现海量数据的全数字流程,图像图形的宽带网络传输;

(3)地球各圈层的动态监测,地表植被指数、作物长势、土地覆盖与生态、环境变迁、荒漠化、城市化过程的动态监测。地壳内部的地磁、地热、地震、地气、地球重力场的异常、外层空间的辐射、磁暴、臭氧变化,都是卫星对地观测的新内容。

这些数据对无线电信号、导航定位、卫星寿命以及国家安全,都有一定的影响,成为新一代环境遥感卫星的生长点[8]。可见,遥感对地观测技术的蓬勃反展,将会为世界经济的复苏、繁荣,为世界及区域的可持续发展做出重大贡献,从而能更好的促进/数字地球0和/可持续发展0的和平利用。

4构建天基综合信息网

所谓天基综合信息网,是指不同轨道、不同种类、不同性能的卫星、星座和相应的地面设施通过星地、星间链路构成的天地一体化综合系统。天基综合信息网是未来卫星网络的发展趋势,也是人们关注的热点问题[9]。随着卫星数目的增加,信息交换技术越来越复杂,传统的空地链路通过地基网络互联的通信方式不再满足要求,有必要在多颗卫星或星座间建立星间链路(ISL),形成天基综合信息网。

4.1/数字地球0的建设需要天基信息网

数字地球就是把地球上每一点的所有信息,依据地理坐标,构造成既有空间维又有时间维的全球信息模型[10],并将其数字化和虚拟化。美国提出/数字地球0的概念,主要处于其本国的国家目标和全球战略的需要,无论是维持社会的可持续发展,还是提高人们的生活质量;无论是促进当前科学与技术的发展,还是开拓未来知识经济的新天地,都对以空间信息为核心的/数字地球0有着巨大的需求[11]。

对地观测就是作为构成并支撑数字地球的最关键的技术,它的发展对世界各国数字地球构想的实现具有重要的意义。而数字地球的实现,首先对卫星遥感和卫星通信、卫星导航定位等提出了迫切需求[10]。要获取全球资源、环境、土地利用/土地覆盖、农业、水利、交通、能源、灾害、人口、生态等众多的时空信息,只靠几颗卫星、几种卫星是远远不够的,而且只靠卫星单独运行和使用也是远远不行的。只有构成天基综合信息网,才能支持数字地球的建造。通过综合信息网络,将地球观测系统所获取的海、陆、空数据,加以融合、处理和提升[8],从而实现对地球的整体观测,来满足国民经济建设和国家安全日益增长的需要。4.2地球的系统观测、研究需要构造天基综合信息网

陆地、海洋、大气以及资源、环境、灾害,都不是孤立的、静止的,而是相关的、处于动态的现象[10]。为了能快速、准确地了解、利用和保护人类赖以生存的地球,必须对地球进行系统、整体、全面的观测和研究。

天基地球观测系统中的卫星上将装载22种以上的观测仪器,从可见光、紫外、红外到微波,从被动观测到激光雷达、微波辐射计等主动探测,并实现多种仪器的同时综合观测。可见,只有建造天基综合信息网,才能实现对地球进行整体观测的宗旨[10]。

建造天基综合信息网,通过各种遥感手段的综合,各种轨道、各种传感器的结合,各种功能卫星的融合,可以在全球尺度上集成、持续地观测地球;实现对影响地球气候环境的物理、化学、生物和社会过程的探索性、突破性研究;实现动态、定位、定性、定量的全球资源与环境监测;实现对地球系统模型进行全球环境、气候预测的集成化、综合化研究。

4.3中国的天基综合信息网

可持续发展,是世界各国共同追求的目标,人类只有在全世界范围内研究全球的变化及其资源和环境,才能确保人类生存与发展的可持续性。中国作为世界上最大地发展中国家,其实现可持续发展是对世界可持续发展的重大贡献[11]。

未来战争的核心是信息战[12],是科技与综合国力的较量。为了赢得未来高科技条件下局部战争的胜利;为了能更好地与国际对地观测领域接轨;为了在未来争夺制天权的过程中具有强大的竞争力,我国从现在到2020年的国家中长期科技发展规划中,已正式提出建立我国天基综合信息网的建议,也就是通过发射一系列持续运转的卫星群,实现卫星通讯,数据中继,全球卫星导航定位和多分辨率的光学、红外、高光谱遥感和全天候、全天时的雷达卫星群,来获取国家经济建设、国防建设和社会可持续发展所需要的时空信息,并与从航空、地面、舰艇、水下获取的时空信息相融合,与国外的对地观测体系相互协调与合作,成为信息时代我国的对地观测系统相互协调与合作,成为信息时代我国的天地一体化时空信息获取系统,从而为地球空间信息的数据源提供坚实的保证[13]。

5遥感对地观测技术将与地球物理、地球化学探测技术相结合遥感对地观测的作用范围是地球外部圈层与地表及浅地表,也就是我们常说的地球表层。至于地球深部的物质成分、结构与构造等信息,遥感尚不能获取到。但我们知道许多地表物体和现象的产生与变化,不是孤立进行的,而是与地球深部物体与现象有着密切的联系[14]。因此遥感技术需要借助于大陆钻探和超深钻探技术、地震技术等地球物理探测技术及地球化学探测技术去深入地认识、分析和研究。

我们知道,遥感是利用地物对电磁波的反射和辐射特性来研究地物的性质和运动状态的,而地球物理是利用地下物体的密度、磁性、放射性等物理性质,来反演地下物体的性质。两者的关系如图1所示。显然,两者的结合,可以利用地球物理的特点来弥补遥感研究地球深部信息的缺陷[14]。

同时,完整的/数字地球0,不仅要对地球表面进行数字化,还要对地球深部进行数字化。这也需要遥感与地球物理相结合,组成一个从空中到地表,再到地下的一个相对完整的对地观测系统,使建立起来的数字地球不仅是三维的,而且是透明的[14]。

2006年

第11期

郑学芬,周春艳:浅谈21世纪遥感对地观测技术的前沿发展

图1 遥感与地球物理的关系

再者,地物的波谱特征是利用遥感技术来反演和识别地物的

物理基础,而地物的波谱特征主要是由地物的化学成分决定的[14]

,如OH -、CO 2-3

、Fe 3+

等都由不同的波谱曲线特征。遥感正是基于这种差别来区分不同的化学成分,从而区别不同的地物类型。遥感与地球化学的关系如图2

所示。

图2 遥感与地球化学的关系

美国于1999年12月发射了ACRIM SAT 对地观测系统卫星,其搭载的M OPI TT(Measur e of Pollut ion in the Tr opospher e )传感器能直接测量大气中的化学成分,如CO 、CH 4的含量。同时,美国于2004年1月和4月连续发射了Auva 和CALIPSO 两颗大气化学卫星,来更好的帮助人类进行大气化学和动力学的研究。21世纪随着更多地球化学卫星和多功能综合卫星的发射和应用成功,人类将开拓从利用遥感卫星来确定地球的宏观特征,到利用遥感卫星来确定地球的微观特征的新时代[14]。

6 结束语

21世纪作为知识经济时代和信息时代,为/数字地球0的构想与/可持续发展战略0的实施,提供了千载难逢的机遇。在20世纪航空航天信息获取和对地观测技术成就的基础上,本世纪世界各国都在构建天地一体化的对地观测体系,以便实时、动态、全球、全天时、全天候地获取粗中高分辨率的时空数据。数字地球和可持续发展,把遥感对地观测技术、计算机技术、多维虚拟现实技术、通信技术、多媒体技术、生物技术以及与地球信息有关的人口、资源、环境、生态、灾害、气候、地理、水文等方面的理论紧密联系在一起,将会使多学科走向学科的交叉,从而大大提高遥感对地观测技术的水平和能力。

虽然发展的过程中,机遇与挑战并存,但科学的发展道路本没有平坦的大道。值得庆幸地是,国内外众多的地球科学专家,正以非凡的卓识和远见,预测着遥感对地观测技术的未来,撒播希望的种子,铺垫科学的基石。毋庸质疑:伴随着航空航天技术

的飞速发展,21世纪的遥感与对地观测技术,功能会不断完善、能力会不断增强、应用领域会不断扩大,不但可以使人类更好地研究和观测地球,还可以使人类插上科技的翅膀,飞出地球,去探索更广阔的宇宙空间的奥秘。

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Short Discussion on the Foreland Development of Remote

Sens ing Ear th Ob s ervation in 21th Cen tury ZH ENG Xue 2fen 1,ZH OU Ch un 2yan 2

(1.Shand ong Univer sity of Science and T echnology ,Tai 'an Shan dong 271019,China;2.Sh andong Univer sity of Science and T echn olog y ,Qing d ao Shand ong 266510,China)

Abstract:In this paper,dependin g on the need of digital earth and sustain 2able development in the world for remote sensin g earth observation tech 2nique,the forelan d d evelopm ent of this earth observation technique in 21th century is expounded from five asp ects.It h as been demonstrated from different sides that r emote sensing earth observation technology will play a more and m ore important role in ob taining the space 2time informa 2tion in th e earth surface an d its d epth,and it will create the indis pens able con dition for hum an beings com preh ensively,systematically,in 2depth s tudyin g the earth on which we rely for ex isten ce.

Key words:rem ote sen sing;earth observation;"3S"integration;sky 2earth integration;space 2based s ynthetic information network;geoph ys 2ics ;geochemistry

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西部探矿工程

Nov.2006No.11