第1章 農業遙感概論
1.1 遙感概述
1.1.1 遙感概念
遙感是20世紀60年代初在現代物理學（包括光學技術、紅外技術、微波雷達技術、激光技術和信息技術等），電子計算機技術，數學方法和地球科學理論的基礎上發展起來的一門新興的、綜合性的邊緣學科。遙感源自航空攝影技術，開始為航空遙感，1972年美國發射了第一顆陸地衛星標志著航天遙感時代的開始。經過幾十年的迅速發展，目前遙感技術已廣泛應用于農業、地理、地質、海洋、水文、氣象及環境監測，地球資源勘探和軍事偵察等領域，成為一門實用的、先進的空間探測技術。
遙感是指在遠離目標和非接觸目標物體條件下運用傳感器/遙感器探測目標地物，獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息，并根據其特性對物體的性質、特征和狀態進行分析的理論、方法和應用的科學技術。也就是利用地面上空的飛機、飛船和衛星等飛行物上的遙感器收集地面數據資料，并從中獲取信息，經記錄、傳送、分析和判讀來識別地物，是目前空間科學的最好數據源。
廣義定義：遙遠的感知，泛指一切無接觸的遠距離探測，包括對電磁場、力場和機械波（聲波和地震波）等的探測。自然現象中的遙感：蝙蝠、響尾蛇、人眼人耳……狹義定義：應用探測儀器，不與探測目標相接觸，從遠處把目標的電磁波特性記錄下來，通過分析揭示出物體的特征性質及其變化的綜合性探測技術。目前，遙感的含義為狹義的定義。
1.1.2 遙感的類型
遙感技術可以從以下五個方面進行類型劃分。
根據工作平臺層面區分：地面遙感、航空遙感、航天遙感。地面遙感，即把傳感器設置在地面平臺上，如車載、船載、手提、固定或活動高架平臺等；航空遙感，即把傳感器設置在航空器上，如氣球、航模、飛機及其他航空器等；航天遙感，即把傳感器設置在航天器上，如人造衛星、宇宙飛船、空間實驗室和火箭等。
根據工作波段層面區分：紫外遙感、可見光遙感、紅外遙感、微波遙感、多波段遙感。紫外遙感，其探測波段在0.3～0.38mm；可見光遙感，其探測波段在0.38～0.76mm；紅外遙感，其探測波段在0.76～14mm；微波遙感，其探測波段在1～1000mm。
根據傳感器類型層面區分：主動式遙感（微波雷達）、被動式遙感（航空航天、衛星）。主動式遙感，即由傳感器主動地向被探測的目標物發射一定波長的電磁波，然后接收并記錄從目標物反射回來的電磁波；被動式遙感，即傳感器不向被探測的目標物發射電磁波，而是直接接收并記錄目標物反射太陽輻射或目標物自身發射的電磁波。
根據記錄方式層面區分：成像遙感、非成像遙感。
根據應用領域區分：環境遙感、大氣遙感、資源遙感、海洋遙感、地質遙感、農業遙感、林業遙感等。
1.1.3 遙感系統的組成
遙感是一門對地觀測綜合性技術，它的實現既需要一整套的技術裝備，又需要多種學科的參與和配合，因此實施遙感是一項復雜的系統工程。根據遙感的定義，遙感系統主要由以下五大部分組成。
（1）被測目標的信息特征
任何目標物都具有反射、吸收、透射及輻射電磁波的特性，當目標物與電磁波發生相互作用時會形成目標物的電磁波特性，這就為遙感探測提供了獲取信息的依據。
（2）信息獲取
信息獲取是運用遙感技術裝備接收、記錄目標物電磁波特性的探測過程。信息獲取所采用的遙感技術裝備主要包括遙感平臺和傳感器。其中，遙感平臺是用來搭載傳感器的運載工具，常用的有氣球、飛機和人造衛星等；傳感器是用來探測目標物電磁波特性的儀器設備，常用的有照相機、攝像機、掃描儀、輻射計和成像雷達等。
（3）信息傳輸和記錄
傳感器接收到目標地物的電磁波信息，記錄在數字磁介質或膠片上。膠片是由人或回收艙送至地面回收，而數字磁介質上記錄的信息則可通過衛星上的微波天線傳輸給地面的衛星接收站。
（4）信息處理
信息處理是運用光學儀器和計算機設備對所獲取的遙感信息進行校正、分析和解譯處理的技術過程。信息處理的作用是對遙感信息的信息恢復、輻射校正、衛星姿態校正和投影變換等進行處理，有時地面站或用戶還可根據需要進行精校正處理，掌握或清除遙感原始信息的誤差，梳理、歸納出被探測目標物的影像特征，然后從遙感信息中識別并提取所需的專題信息。
（5）信息應用
信息應用是專業人員按不同的目的將遙感信息應用于各業務領域的使用過程。遙感的應用領域十分廣泛，最主要的應用有：軍事、地質礦產勘探、自然資源調查、自然災害監測與預報、地圖測繪、作物長勢分析及估產、環境監測以及城市建設和管理等。
1.1.4 遙感技術的特點
（1）大面積的同步觀測
遙感探測能在較短的時間內，從空中乃至宇宙空間對大范圍地區進行對地觀測，并從中獲取有價值的遙感數據。這些數據拓展了人們的視覺空間，使宏觀地掌握地面事物的狀況成為可能，同時也為宏觀地研究自然現象和規律提供了寶貴的第一手資料。這種先進的技術手段與傳統的手工作業相比是不可替代的。遙感用航攝飛機飛行高度為10km左右，陸地衛星的衛星軌道高度達910km左右，可及時獲取大范圍的信息。例如，一幅陸地衛星圖像，其覆蓋面積可達3萬多平方千米。這種展示宏觀景象的圖像，對地球資源和環境分析極為重要。
（2）時效性強
遙感探測獲取信息的速度快，周期短。衛星圍繞地球運轉，從而能及時獲取所經地區的各種自然現象的最新資料，以便更新原有資料，或根據新舊資料變化進行動態監測，這是人工實地測量和航空攝影測量無法比擬的。例如，陸地衛星每16～18天可覆蓋地球一遍，美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanicand Atmospheric Administration，NOAA）氣象衛星每天能收到兩次圖像。Me唱teosat每30min獲得同一地區的圖像。遙感探測能周期性、重復地對同一地區進行對地觀測，人們通過所獲取的遙感數據，發現并動態地跟蹤地球上許多事物的變化。同時，研究自然界的變化規律，尤其是在監測天氣狀況、自然災害、環境污染甚至軍事目標等方面，遙感的運用就顯得格外重要。
（3）數據的綜合性與可比性
遙感探測所獲取的是同一時段、覆蓋大范圍地區的遙感數據，這些數據綜合地展現了地球上許多自然與人文現象，宏觀地反映了地球上各種事物的形態與分布，真實地體現了地質、地貌、土壤、植被、水文和人工構筑物等地物的特征，全面地揭示了地理事物間的關聯性。
獲取信息的手段多，信息量大。根據不同的任務，遙感技術可選用不同波段和遙感儀器來獲取信息。例如，可采用可見光探測物體，也可采用紫外線、紅外線和微波探測物體。利用特定波段對物體具有的穿透性，還可獲取地物內部信息。例如，地面深層、水的下層、冰層下的水體和沙漠下面的地物特性等。微波波段還可以全天候地工作。
（4）較高的經濟與社會效益
獲取信息受條件限制少。在地球上有很多地方自然條件極為惡劣，人類難以到達，如沙漠、沼澤和高山峻嶺等。采用不受地面條件限制的遙感技術，特別是航天遙感，可方便及時地獲取各種寶貴資料。
1.1.5 遙感技術的應用
當前遙感形成了從地面到空中乃至空間，從信息數據收集、處理到判讀分析和應用，對全球進行探測和監測的多層次、多視角、多領域的觀測體系，成為獲取地球資源與環境信息的重要手段。
目前，遙感技術已廣泛應用于農業、林業、地質、海洋、氣象、水文、軍事和環保等領域。在未來的十年中，預計遙感技術將步入一個能快速、及時提供多種對地觀測數據的新階段。遙感圖像的空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率都會有極大的提高。其應用領域隨著空間技術發展，尤其是地理信息系統和全球定位系統技術的發展及相互滲透，會越來越廣泛。
遙感技術系統是個完整的統一體。它是建筑在空間技術、電子技術、計算機技術以及生物學、地學等現代科學技術的基礎上，是完成遙感過程的有力技術保證。
（1）獲取基礎地理數據的重要手段
遙感影像是地球表面的“相片”，真實地展現了地球表面物體的形狀、大小、顏色等信息。這比傳統的地圖更容易被大眾接受，影像地圖已經成為重要的地圖種類之一。
（2）獲取地球資源信息的最佳手段
遙感影像具有豐富的信息，多光譜數據的波譜分辨率越來越高，可以獲取紅光波段、黃光波段等。高光譜傳感器也發展迅速，我國的環境小衛星也搭載了高光譜傳感器。從遙感影像上可以獲取包括植被信息、土壤墑情、水質參數、地表溫度和海水溫度等豐富的信息。這些地球資源信息能在農業、林業、水利、海洋和生態環境等領域發揮重要作用。
（3）為應急災害提供第一手資料
遙感技術具有在不接觸目標情況下獲取信息的能力。在遭遇災害的情況下，遙感影像是我們能夠立刻獲取的地理信息。在地圖缺乏的地區，遙感影像甚至是我們能夠獲取的唯一地理信息。在5?12汶川地震中，遙感影像在災情信息獲取、救災決策和災害重建中發揮了重要作用。海地發生強震后，有多家航天機構（20余顆衛星）參與了救援工作。
（4）成為GIS系統核心組成
遙感具有動態、多時相采集空間信息的能力，遙感信息已經成為GIS的主要信息源。
1.1.6 遙感技術的發展趨勢
（1）光譜域在擴展
隨著熱紅外成像、機載多極化合成孔徑雷達、高分辨率表層穿透雷達和星載合成孔徑雷達技術的日益成熟，遙感波譜域從最早的可見光向近紅外、短波紅外、熱紅外和微波方向發展，波譜域的擴展將進一步適應各種物質反射、輻射波譜的特征峰值波長的寬域分布。
（2）時間分辨率在提高
大、中、小衛星相互協同，高、中、低軌道相結合，在時間分辨率上從幾小時到18天不等，形成一個不同時間分辨率互補的系列。
（3）空間分辨率在提高
隨著高空間分辨率新型傳感器的應用，遙感圖像空間分辨率從1km、500m、250m、80m、30m、20m、10m、5m發展到1m，軍事偵察衛星傳感器可達到15cm或者更高的分辨率。空間分辨率的提高，有利于分類精度的提高，但也增加了計算機分類的難度。
（4）光譜分辨率在提高
高光譜遙感的發展，使得遙感波段寬度從早期的黑白攝影、多光譜掃描到成像光譜儀，遙感器波段寬度窄化，針對性更強，可以突出特定地物反射峰值波長的微小差異；同時，成像光譜儀等的應用，提高了地物光譜分辨率，有利于區別各類物質在不同波段的光譜響應特性。
（5）2D測量發展到3D測量
機載三維成像儀和干涉合成孔徑雷達的發展和應用，將地面目標由二維測量為主發展到三維測量。
（6）高效圖像處理技術
各種新型高效遙感圖像處理方法和算法將被用來解決海量遙感數據的處理、校正、融合和遙感信息可視化。
（7）遙感分析由定性到定量發展
遙感分析技術從“定性”向“定量”轉變，定量遙感成為遙感應用發展的熱點。
（8）智能化遙感信息提取技術
建立適用于遙感圖像自動解譯的專家系統，逐步實現遙感圖像專題信息提取自動化。①
1.2 遙感數據應用流程
遙感是利用傳感器獲取地表地物的電磁波信息，在計算機系統的支持下，通過數學或物理模型將獲取的遙感信息與所觀測的地表目標參量聯系起來，定量地反演或推算出某些地學、生物學及大氣科學等目標參量。遙感數據應用主要環節包括遙感器定標、大氣校正、幾何校正和定量遙感模型構建四部分。
1.2.1 遙感器定標
遙感器定標是指建立遙感器每個探測元件所輸出信號的數值與該探測器對應像元內的實際地物輻射亮度值之間的定量關系，將遙感器記錄的灰度值（DN值）轉換為遙感器入瞳處/大氣頂層（top of atmosphere，TOA）的輻射值。遙感器定標是遙感數據定量化處理中最基本的環節，其定標精度直接影響到遙感數據的可靠性，也直接關系到遙感應用產品的通用性。遙感器常用的定標技術包括實驗室定標、星上定標和場地定標等。
1.2.2 大氣校正
大氣校正是消除光譜信號在大氣輻射傳輸過程中由于大氣的干擾引起信號退化的一種圖像處理及光譜處理方法。由于遙感器在空中獲取地表信息時，受到大氣分子、氣溶膠、云粒子、水汽等大氣成分的吸收和散射的影響，而大氣中水汽和氣溶膠含量具有很大的時空變換特征，其結果是目標反射輻射能量被衰減，空間分布被改變，部分與目標物無關的大氣散射輻射進入遙感器視場。因此，對于已經經過絕對輻射標定的遙感影像，還必須經過大氣糾正才可以得到地表目標的真實信息。針對農業定量遙感，大氣校正的目的是為了消除氣溶膠、水汽等的影響，將星上/機載遙感器測量的入瞳處/大氣頂層（TOA）的輻射值轉換為農作物冠層頂部（top of canopy，TOC）的輻射/反射值。
1.2.3 幾何糾正
衛星成像時因傾斜掃描、地形起伏及傳感器姿態角的變化，往往會使遙感影像產生像點位移，造成影像變形。幾何糾正就是利用一系列控制點，根據計算模型對遙感影像數據與標準圖像或地形圖進行幾何配準的過程。其基本過程包括：地面控制點的選取、多項式糾正模型和重采樣模型的確定等。
