摘要：

随着高分卫星的陆续发射,高分遥感数据在自然资源调查中的应用价值越显突出。在介绍高分(高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率以及高辐射分辨率)遥感数据的基础上,综述了高分遥感数据在土地利用调查、矿产资源开发与环境监测、基础地质及资源能源调查、生态环境调查、地质灾害监测与应急调查等领域的应用,并分析了高分遥感数据的应用发展趋势,指出未来多源多尺度高分遥感数据协同应用将在自然资源调查中发挥越来越重要的作用。

关键词 ： 高分遥感数据 ; 自然资源调查 ; 应用 ; 发展趋势

引言

随着经济建设和卫星技术的发展,研制、发射和运行高分对地观测卫星的国家和高分卫星数量都日益增多。可以说,人类对地观测已进入高分时代。

遥感探测器分辨率的提高,使得探测地物的精细特征成为可能,同时使得遥感数据的应用从单纯的定性向定量方向发展[1,2]。遥感对地物的探测主要包含3方面的内容: 地物的几何特征、物质组成及演化特征。对这些特征的精细探测需要依靠高空间分辨率遥感、高时间分辨率遥感、高光谱分辨率遥感以及高辐射分辨率遥感(统称高分遥感)数据。

高分遥感数据以其独特的优势在自然资源调查、精细农业和城市管理等领域发挥着重要的作用[3,4,5,6,7]。在自然资源调查领域,高分遥感数据可大力支撑土地利用调查、矿产资源开发与环境监测、基础地质与资源能源调查、生态环境调查、地质灾害监测与应急调查等重点领域的应用需求,同时也储备了大量基础性、战略性资源,推动了空间信息产业的发展。本文在详细介绍各类光学高分遥感数据特点的基础上,综述了高分遥感数据在自然资源调查中的应用和发展趋势,为在全国范围内广泛应用高分数据积累经验,并可为自然资源战略决策提供科学依据。

高分遥感数据概况

本文所指的高分数据包括高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率以及高辐射分辨率遥感数据,但由于目前高辐射分辨率数据在自然资源调查中应用的报道较少,大多数还停留在对数据的分析处理等研究层面。因此,本文重点综述高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率遥感数据在自然资源调查中的应用。

空间分辨率(spatial resolution)是遥感影像单个像素所能描述的最小地物尺寸,反映的是卫星分辨目标的能力。一般而言,空间分辨率优于1 m的光学成像卫星所获取的数据称为高空间分辨率遥感数据。卫星遥感数据空间分辨率的不断提高,使地物的大小、形状、空间特征及与其他地物的空间关系等在遥感图像上一览无余,可以和航空摄影相媲美。

时间分辨率(temporal resolution)是指重复观测同一地区所需要的时间,是评价遥感系统动态监测能力的重要指标。依据观测对象自然历史演变和社会生产过程的周期可分为5种类型: ①超短期的,如台风、地震、滑坡等,以分钟、小时计; ②短期的,如洪水、旱涝、森林火灾、作物长势等,以日计; ③中期的,如土地利用、作物估产等,一般以月或季度计; ④长期的,如自然保护、海岸变迁、沙化与绿化等,以年计; ⑤超长期的,如新构造运动、火山喷发等地质现象,可长达数10 a以上。在实际应用中,需根据研究对象采用不同时间分辨率遥感数据。随着遥感动态监测时间分辨率的提高,遥感变化监测将突破对地物空间特征变化的研究而发展到对事物或现象演化过程的动态研究。目前中国发射的高分四号卫星时间分辨率可达min级,使获取目标区域的动态变化过程数据成为可能。

光谱分辨率(spectral resolution)是指传感器可以检测到的最小波段间隔,间隔越小,波段越多,光谱分辨率就越高。随着光谱分辨率的提高,地物的快速和精细识别越来越依赖高光谱信息,且由传统的图像分析转变为依赖高光谱信息对地物波谱进行定量分析和理解。目前高光谱遥感能够在可见光/近红外/短波红外波谱内(350~2 500 nm)获取数百幅电磁波段非常狭窄的遥感影像,因此高光谱遥感影像能够提供每个像元的完整且连续的光谱曲线,是在二维遥感基础上增加光谱维的独特三维遥感。通过对地物光谱特征的分析,可快速准确区分地物种类,并对地表物质成分进行定量分析,从而识别出更丰富、更精细的信息。高光谱技术的最大特点和优势是可以获得和重建像元光谱,从而依据光谱特征直接识别地物类型、成分及组成,反演地物物理和化学参量。目前应用效果较好的有澳大利亚HyMap、加拿大CASI等机载成像光谱仪,其光谱分辨率最高可达5 nm。

辐射分辨率(radiometric resolution)是指遥感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分辨别能力,是各波段传感器接收辐射数据的动态范围,即最暗至最亮灰度值之间的分级数目——量化比特数,一般用位深表示。按照编码方式的不同,一般将位深≥10 bit的遥感影像定义为高辐射分辨率影像。高辐射分辨率遥感影像能更精细地获得各类地物细节结构和光谱信息,增强影像的解译能力和可靠性,提高遥感分析的准确度。

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高空间分辨率遥感数据

常用的高空间分辨率、高时间分辨率和高辐射分辨率遥感数据见表1,其中高分二号(GF-2)和WorldView-2是目前应用较广的国内外高空间分辨率遥感数据的代表。高分二号是2014年8月19日在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射的我国自主研制的首颗空间分辨率优于1 m的民用光学遥感卫星,幅宽达到45 km,在亚米级分辨率国际卫星中幅宽达到国际先进水平,具备快速机动侧摆能力和较高的定位精度。WorldView-2是2009年10月16日由美国数字地球公司发射的,可提供0.5 m空间分辨率的全色影像和8波段多光谱影像,在矿产探测、海岸/海洋监测等方面拥有广阔的应用前景。目前空间分辨率最高的商业对地观测卫星是美国数字地球公司的WorldView-4卫星,其全色波段空间分辨率达到0.3 m。

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高时间分辨率遥感数据

高时间分辨率传感器具备大区域、高频次的快速监测能力。其强实时性的特点使遥感科学者可以借鉴视频图像处理技术,精确提取目标变化信息,实现高频次遥感时间序列分析应用。由表1可知,在自然资源调查应用中,目前应用较多的,且时间分辨率最高的当属我国发射的能够对目标区域长期“凝视”的距离地面约3.6万km的地球同步卫星,即高分四号卫星。

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高光谱分辨率遥感数据

高光谱成像仪分为机载和星载高光谱仪(表2)。机载高光谱成像仪是高光谱遥感的起步,第一台机载成像仪是20世纪80年代美国研制的AIS-1,其在矿物填图、植被生化特征信息提取等方面取得了应用。经过20世纪90年代的发展,在国际上陆续有机载高光谱成像光谱仪研制成功并获得广泛的应用。到20世纪90年代后期,高光谱遥感在解决了诸如高光谱成像信息的定标和定量问题、图像-光谱变换和光谱信息提取、光谱匹配和光谱识别等一系列基本问题后,逐渐转向于机载和星载高光谱遥感系统相结合的阶段。目前能够获取的民用星载高光谱数据不是很多,我国用得较多的有Hyperion,CHRIS、环境一号A(HJ-1A)及天宫一号数据等。需要指出的是我国2018年5月9日发射的世界首颗对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星——高分五号,其波段覆盖可见光—短波红外,光谱分辨率高达0.5 nm,可实现对内陆水体、陆表生态环境、蚀变矿物和岩矿类别的高质量探测。

高分遥感数据在自然资源调查中的应用

高分遥感数据在自然资源调查中的应用不胜枚举,本文主要从土地利用调查、矿产资源开发与环境监测、基础地质与资源能源调查、生态环境调查以及地质灾害监测与应急调查5个方面进行阐述。

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土地利用调查

利用遥感数据进行土地利用调查由来已久,随着遥感技术的发展,高分遥感数据在其中扮演着越来越重要的作用,并且已被证明是一种最直接有效的方法。该项工作主要以遥感技术为依托,将同一空间不同时相的土地利用数据进行叠加对比分析,以发现地球表面变化,从时间、空间、数量及质量方面分析土地利用动态变化特征和未来发展趋势[8]。利用遥感技术主要开展土地利用现状调查、土地利用更新调查、土地利用动态遥感监测和土地质量调查等工作。

目前在土地利用调查方面,高空间、时间分辨率遥感数据应用较多,高光谱遥感数据次之。高空间分辨率遥感数据的利用大大提高了土地动态监测的准确度和精度; 高时间分辨率遥感数据能够提高监测的时效性; 高光谱遥感数据主要用于对土地质量信息的挖掘。

利用高空间分辨率遥感数据,采用像元间比较变化信息提取法、分类后比较法以及与新技术的集成法等方法,通过内业判读、外业核查获得土地利用变化信息,同时综合运用GIS和GPS数据,进行土地动态监测,建设基于“一张图”的土地动态监测系统,协同运用3S技术大幅度提高了土地利用动态监测和执法监察的效率、精度和有效性。随着土地资源的高效管理对土地生态环境提出的更高要求,利用高光谱进行土地质量调查应运而生。这一技术利用高光谱数据精细的光谱信息挖掘土地质量指标和相关信息,开展土地质量指标(如土壤有机质、含水量等)的定量反演,为进行全国土地质量调查提供了数据支持[9,10,11]。

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矿产资源开发与环境监测

矿产资源是重要的不可再生的自然资源,是社会发展的重要物质基础。但长期以来,我国矿产资源开发利用与管理相对粗放,在造成了资源严重的浪费的同时,还引发了一系列生态环境问题,制约了资源和生态环境的可持续发展。为快速准确获取客观基础数据,自2006年起,我国启动矿产资源开发遥感监测,维护矿产资源管理秩序,打击无证、越界采矿,保护依法、科学办矿,为矿政部门提供技术支持和决策依据,促进自然资源管理向规范化、现代化和信息化转变。

在矿产资源开发与矿山环境监测方面高空间、高时间、高光谱遥感数据均被广泛使用。高空间分辨率遥感数据可以大大提高矿产资源开发与环境监测的准确度和精度,高时间分辨率遥感数据主要用于提高监测的时效性,高光谱数据主要用于矿山环境监测。

杨金中等[12]指出,采用高空间分辨率遥感数据可以准确快速地查明我国矿山地质环境现状,从而为矿山地质环境管理和矿山复绿行动效果评估等提供基础数据和技术支撑。国产高分一号及GeoEye遥感数据被用于开展稀土矿山土地荒漠化动态监测,结果认为国产高空间分辨率遥感数据能够为开展矿山动态监测提供数据保障[13]。王燕波等[14]采用QuickBird高分遥感数据开展了磷矿区的矿山监测,通过分析矿山开发的标志地物并建立解译标志,对解译结果进行的野外调查验证表明,高分辨率遥感影像能快速、准确地监测出矿山开发的基本情况,对提高矿政部门决策管理效率和矿山管理成本的降低起着重要的作用。

矿山环境监测中,采用高光谱遥感数据一方面可以快速地对矿山环境要素进行识别,包括次生矿物识别、重金属浓度反演、pH值定量估算、污染植被信息提取以及矿山污染边界划分等; 另一方面可以进行矿山环境变化的分析,包括矿山开发不同阶段的环境监测、氧化及脱水状态过程分析以及矿山整治恢复的监测等,进而对矿山环境污染治理提出合理化建议。

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基础地质与资源能源调查

基础地质与资源能源调查是高分遥感数据在自然资源调查领域中的重要应用,已取得了大量的成果。基础地质及资源能源调查中主要用到的是高空间分辨率、高光谱分辨率以及高辐射分辨率数据。

利用高空间、高辐射分辨率遥感数据中能快速有效地判定各类地质体界线、空间展布、相互关系等基础地质特征信息,并从中分析成矿地质背景、成矿地质条件和成矿地质形迹等与成矿作用有关的成矿/控矿信息。需要说明的是高光谱分辨率和高空间分辨率遥感数据对于矿化蚀变信息提取和矿体识别有着特别重要的作用[17,18]。

高光谱遥感数据在基础地质方面主要用于矿物识别和区域矿物填图,并在详细分析区域矿产地质背景的基础上开展找矿预测工作,该方法已被证实是行之有效的[19,20]。其中矿物识别是高光谱地质应用的基础和核心,目前可以识别绿泥石、绿帘石、高铝白云母和低铝白云母等数十种矿物信息。另外,基于烃类微渗透原理,高光谱遥感数据在油气勘探中亦取得了较大的进展,证实了高光谱遥感数据应用于油气勘探的可行性和实用性。目前应用较成功的是AVIRIS,HyMap机载高光谱数据和Hyperion星载高光谱数据[21,22,23]。

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生态环境调查

生态环境是人类生存和发展的基本条件,是社会经济发展的基础。随着人类社会的飞速发展,环境污染、植被退化和水土流失等生态问题不断出现,遥感与GIS技术越来越成为生态环境调查的重要手段。在生态环境调查中用到的高分遥感数据主要有高空间、高光谱以及高时间分辨率遥感数据。

利用高分遥感数据可开展大型水体环境、宏观生态环境、重大环境污染事故、核安全和生物多样性等生态环境遥感监测业务[24]。腾明君等[25]曾研究了三峡库区生态环境变化,其采用的高分数据主要有2类: ①具有较高时间分辨率MODIS和SPOT数据,主要用于库区生态过程连续观测,为宏观生态结构、过程和连续监测评估提供数据支持; ②较高空间分辨率的QuickBird和GeoEye等遥感数据,主要用于对小流域或县域尺度开展地物类型的精细解译。此外采用高分遥感数据进行生态环境定量遥感研究,获取生态环境遥感参量(如植被覆盖度反演、土壤侵蚀评估等),在生态环境调查中也发挥了重要的作用[26,27]。

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地质灾害监测与应急调查

采用遥感技术进行地质灾害监测与应急调查可快速查明地质灾害数量及分布特征,为灾害监测治理提供依据,为防灾减灾快速应急响应工作提供技术服务,为灾后恢复重建及实施提出建议[28,29]。

目前在该项工作中主要用到的是高空间、高时间及高光谱分辨率遥感数据。高空间分辨率遥感数据用于快速查清地质灾害的数量和空间分布特征; 高时间分辨率遥感数据主要用于灾前和灾后变化信息检测,快速评估灾害损失,为灾后救援和重建提供依据; 高光谱遥感数据常用来进行区域孕灾环境如植被类型、岩性等的识别。2008年汶川特大地震和2010年玉树大地震的抗震救灾过程中高分遥感都发挥了重要的信息源作用 [30,31]。

发展趋势

随着计算机技术、遥感技术以及人工智能的飞速发展,海量遥感数据将在自然资源调查应用中大有作为。但机遇与挑战并存,高分遥感数据怎样更全面精准地服务于自然资源调查将面临更大的挑战。另外,由于卫星遥感技术宏观、高效、不受国界限制,高分遥感技术也能为全球资源、能源、环境等工作提供信息服务,甚至在外星探索中也具有无法替代的优势。还需要指出的是,高分遥感数据之间不是孤立的,需要协同应用,才能促进高分遥感的发展。

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高空间分辨率遥感

随着我国高分辨率对地观测系统重大专项的部署和实施,高分遥感技术将得到有力的持续推进,也将进一步夯实高分遥感数据在自然资源调查中的应用。但目前高空间分辨率卫星谱段的设置主要为蓝光、绿光、红光以及近红外波段,缺少可用于地质矿产等调查的短波红外波段。因此在提高遥感数据空间分辨率的同时,设计、发射和利用适合自然资源调查的多波段多光谱卫星非常重要。

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高时间分辨率遥感

随着遥感数据时间分辨率和空间分辨率的同步提升,遥感数据时空融合技术将大大发展,序列图像分析方法也将逐渐成为新的研究热点,为建立特定对象变化自动识别的模型提供基础资源,促进遥感技术人工智能的发展。

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高光谱分辨率遥感

目前高光谱数据处理及其在自然资源领域的应用方法日趋成熟,而数据获取难度和高成本是制约该技术广泛应用的主要瓶颈。从高光谱遥感技术的发展水平和应用现状来看,未来高光谱遥感一方面需要提高空间分辨率至m级水平; 另一方面,在扩大遥感传感器的光谱覆盖范围的同时需要注意提高信噪比。随着高光谱遥感地质应用的不断扩展和日益深入,基于高光谱数据的矿物精细识别、地质环境信息反演以及行星地质探测方面也将大有潜力。

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高辐射分辨率遥感

目前高辐射分辨率遥感数据的应用较局限,大多集中在数据分析处理等研究层面,以提高影像数据信息保真度等目标为主。随着遥感技术的进步及实际应用需求的提升,高辐射分辨率遥感影像和其他高分遥感数据协同应用,将在识别目标地物细节信息、动态监测重要目标等方面具有极其重要的应用价值。

结论

高分遥感数据包括“四高”,即高空间、高时间、高光谱及高辐射,在介绍各类高分遥感数据的基础上,本文综述了目前常用的高分遥感数据在土地利用调查、矿产资源开发与环境监测、基础地质与资源能源调查、生态环境调查以及地质灾害监测与应急调查中的应用。

1)随着遥感数据获取技术的不断发展与提高,高分遥感数据在自然资源调查中将发挥越来越重要的作用; 另一方面,随着卫星传感器的发展,遥感影像分辨率不断提高,卫星定位精度和测量功能也日益提高,可以为遥感提供及时、有效的数据信息。

2)多源多尺度高分遥感信息的复合协同应用的日益广泛,3S技术一体化集成技术发展以及人工智能、大数据集成分析能力的提高,将加快高分卫星遥感技术在自然资源调查应用中的纵深发展。

以上文章来源于测绘学术资讯 ，作者国土资源遥感