Unit 15 译文

Unit 15-1

第一部分：遥感技术综述

在150多年前，现代遥感技术伴随着照相机的发明应运而生。尽管一开始，很早期的照片是地面的静态图片，19世纪40年代，为了绘制地形图，当照相机被放在系留气球上来拍摄照片，俯视地球表面的想法和实践开始了。19世纪末最新的平台也许是在欧洲作为新奇事物的著名的鸽子群。到了第一次世界大战，安装在飞机上的照相机能够提供相当大表面区域的俯视图，这在军事侦察方面是价值无量的。从那时到20世纪60年代早期，航空照片是从垂直或倾斜角度描绘地球表面的唯一标准工具。

人造卫星遥感技术可以追溯到太空时代早期，实际上，它最初是在太空飞船上使用多种传感器对表面成像的方法。20世纪60年代，随着太空计划出现，环球轨道宇航员很像旅行者通过太空船的窗口进行拍照。

现在“遥感”这个词被普遍用来描述在不与目标直接接触的情况下，对目标进行识别、观察和测量的科学技术。这一过程包含检测和测量从远处目标反射回来或发射出来的不同波长的辐射，由这些辐射，可按种类、物质、空间分布对目标进行识别和分类。 辐射

除非是绝对零度（273C），物体总是以一种特殊的方式反射、吸收和放射能量。这种能量，被称为电磁辐射，它以波的形式发射，其能量能够从一个地方传输到另一个地方。例如，树，空气，太阳，地球和所有的恒星和行星都一直反射和放射大范围的电磁波。这些波是由亿万个振动的电子、原子、分子发出的，它们以独特的波长组合发出和吸收电磁辐射。一个物体发射电磁波的量主要依赖于它的温度。物体温度越高，电子振动就越快，发射出的电磁波峰值波长就越小。 电磁波谱

电磁现象的基本单元是光子，它是某一波长的电磁波能量可能的最小量。独个光子能以波的形式运动，速度可达光速300,000 km/sec，就像波浪在海洋中传播一样。一个光子的能量决定该光的频率。光子的能量越大，该光的频率就越大，反之亦然。

完整的电磁波排列组成电磁波谱。之所以称其为电磁波是因为它们包含了当带电粒子（电子）加速时产生的组合的电波和磁波。电磁波谱划分成几个区域并分别命名。在高频端是γ射线和x射线。在紫外线区域的电磁波的波长范围大约从1纳米到0.36微米。可以很方便地用以下两个单位度量频谱的中频段：微米，它的长度相当于一米的百万分之一，或者是纳米，它的长度相当于一米的十亿分之一。可见光区域的范围从0.4微米到0.7微米。红外波段的范围为0.7微米到100微米。红外线在其较短波长上（接近0.7微米）可以用特殊的薄膜探测，而在其较长的波长上感觉是热量。

以毫米到米为单位来测量较大波长区域。微波区域从1毫米到1米，它包含了用于雷达系统的所有波段，雷达系统是自己主动产生辐射，发射到感兴趣目标并从感兴趣目标反射回来。频率最低的区域，波长大于1米，称为无线电波。

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吸收带和大气窗口

有几种电磁辐射很容易地穿过大气层，而其他的则不能。大气层允许辐射穿越的能力随辐射波的波长或类型而变化。构成大气层的气体吸收某些特定波长的辐射而允许另一些波长的辐射通过大气层。

能够被水蒸汽，二氧化碳和臭氧等大气层气体吸收的电磁波谱区域称为吸收带。吸收带传输量很低，对应于特定的波长范围。

对比于吸收带，有些电磁波谱的区域，大气对于特定的波长是透明的。这些波段称为大气窗口，因为它们能让辐射很容易穿过大气到达地面。

大多数装在飞机或太空平台上的遥感仪器工作在一个或多个这样的“窗口”范围里，这是通过将其检测装置调谐在能穿透大气层的特定频率（波长）上而实现的。当遥感仪器的视距覆盖到正在反射太阳光或放射热量的物体时，这种装置就收集和记录辐射的能量。然而大部分的遥感系统都被设计用来收集反射能量，某些传感器，特别是那些气象卫星上的传感器，直接测量吸收现象。大气对部分中红外和所有的远红外波段的电磁波辐射几乎是不透明的。相比之下，在微波段的大部分辐射不受阻碍，因此雷达波能到达地面。 像素，比特和颜色

利用无线电波，从地球轨道卫星得到的数据能以一种常规的方式发送到具有适当装备的地面基站。当接收到这些数据后，它们被转换为能够在电脑屏幕上显示的数字图像。卫星图像由许多小方块组成，每一个方块拥有不同的灰度或颜色。这些方块称为像素，表示那部分图像记录的相对的反射光能量。

每一个像素描述图像上的一个正方形区域，它是传感器分辨不同尺寸对象的能力的度量。比如，在Landsat卫星7上的增强型专题制图仪拥有最大为15米的分辨率，因此每个像素描述的区域为15米*15米，或者225m2。较高的分辨率意味着传感器能辨别更小的对象。通过合计一幅图像的像素数目，能够计算某个场景的范围。例如，如果你能计算在人造彩色图像中的绿色的像素点数目，你就能计算整个植物带的覆盖范围。

太空船使用8位二进制数字，它的范围为00000000 到 11111111（即十进制中的0到255）。用8比特的数据，我们将图像中最暗的点赋值为0，最亮的点赋值为255。这就在黑和白之间产生256个灰度值。正是这些二进制数字使得太空船可以发回各行各列的像素，而通过电脑能明白每个像素数值。

大多数遥感图像的另外一个重要因素是颜色。虽然变化的黑白图像具有较大的信息量，但人眼能区分的不同灰度色调局限在大约20到30级。另一方面，人眼能区分20000或更多的色彩，这使得目标物体内小的但往往是重要的变化会被辨别出来。

因为不同的频带（或波长）拥有不同的对比度，计算机能从黑白遥感数据中产生彩色图像。计算机屏幕能使用蓝光，绿光和红光显示三种不同的图像。结合这三种光波长将产生我们眼睛能看见的彩色图像。这是通过显示黑白卫星图像完成的，它与蓝，绿，红光的不同波段相对应来实现波段间的相对对比度。最终，当这三种颜色结合在一起，一幅彩色图像，称为伪彩色图像，就产生了。 遥感方法

有两种遥感仪器——被动的和主动的。

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被动仪器检测从观测场景反射或发出的自然能量。被动仪器只感知被观测对象发出的辐射或来自某个源而不是仪器的被对象反射的辐射。反射太阳光是被动仪器最常检测的外部辐射源。科学家们常使用各种各样的被动遥感仪器。

1.辐射计：一种在频谱某些波段上定量测量电磁辐射强度的仪器。辐射计通常又按其覆盖的频谱范围来区分，例如可见光、红外、微波。

2.图像辐射计：一种具有扫描能力，能提供用以生成图像的像素二维阵列的辐射计，称为图像辐射计。扫描可以机械实现或用探测器阵列电子实现。

3.分光计：一种设计来检测，测量和分析入射电磁辐射光谱成分的仪器，称为分光计。通常，图像分光计用光栅或棱镜分散辐射来分辨光谱。

4.分光辐射计：一种能测量在多重波长段中辐射强度的辐射计。这些频带经常具有高分辨率，是为特定参数的遥感而设计的，如海面温度、云地特性、植被、大气层的微量化学成分等。

主动仪器自己提供能量（电磁辐射）来照射要观察的对象或场景。它们从传感器向目标对象发送一个脉冲能量然后接收被对象的反射或反向散射的辐射。科学家们使用许多不同种类的主动遥感仪器。

1.雷达（无线电探测和搜索）：雷达用一个工作在射频或微波频率的发射机来发出电磁辐射，用一个方向性天线或接收器来测量从远处目标反射或反向散射回来的辐射脉冲的到达时间。由于电磁波以光速传播，到达对象的距离就能被确定。

2.散射仪：散射仪是一种高频微波雷达，专门设计用来测量反向散射辐射的。海平面上在微波频谱区域对反向散射辐射的测量能够获得海平面风速和风向图。

3.激光雷达（光检测和搜索）：激光雷达利用激光发射机发射光脉冲，带有敏感检测器的接收机来测量反向散射或反射光。到达对象的距离通过记录在发射的和反向散射的脉冲之间的时间决定，并用光速来计算传输的距离。激光雷达能测定气体中的悬浮微粒，云层和大气的其他成分的大气概图。

4. 激光测高计：激光测高计利用激光雷达测量仪器平台离开表面的高度。通过独立地获取平台相对于平均地球表面的高度，就能确定地表面的地形图。

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第二部分：使用遥感技术监控全球变化

为了适当地反应自然和人为因素对湿地的影响，资源管理者必须考虑他们的方法和评价，遥感技术是一种重要工具来监控湿地对于全球气候变化和海平面上升造成的在水文情势和水质方面的变化的反应。

大片的湿地，沼泽和红树林覆盖美国大部分的海岸线。海岸湿地除了作为营养物的重要来源以外，它还是鱼类和虾类的繁衍地以及许多鸟类，毛皮动物的栖息地。它们对沿海休闲也是重要的，并且能保持水质，成为防止海岸侵蚀的屏障。

在美国，湿地萎缩是由沼泽的填充，开挖水渠、河道，河流淤泥向海面转移造成的。土壤保持的实践和防洪结构，比如说大坝和防洪堤，都防止沉淀物到达湿地。夹杂着这些人类因素的作用，

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海平面的上升更是对海岸湿地会造成严重的影响。值得关注的是，海平面在全球以每年1mm到2mm的速度上升。然而，预测这种上升的速度还在继续增长并且到2100年海平面将升高50cm。这些问题特别切合于海岸湿地，在那里横跨内陆每一公里的海拔高度上升可能只有10厘米。 如果温室效应被证实是全球气候变化的部分原因，还要超出这些（上升的）水平。

海岸水文地理学受控于表面形貌学，地表水系，土壤特征和本地潮汐动态学。随着海平面上升速度的加快，潮汐动态会对低的海岸湿地的水文变化起主导作用。对这些湿地的影响将导致土壤盐分水平，洪水持续时间和频率以及海水质量也发生变化。因此预测这些变化会对目前和未来湿地动植物种类分布造成怎样的影响是必要的。为了做这些预测，首先确定沼泽地类型和水文地理学的关系是必要的。美国地理调查局科学家们所进行的遥感研究集中于将地面和卫星测量结合起来，开发测量和监视对确定这些联系极为重要的工具。他们也开发了一些技术以形成海岸地形来模拟基于无覆盖连接和海平面上升的假设造成的未来湿地变化。 湿地类型

结合从Landsat TM卫星、彩色红外照片、ERS-1卫星雷达上获取的数据，构建了沼泽和森林体系的累进分类，改进了分类精度，导致佛罗里达州几乎单一黑色的沼泽地中有差异地区的细致区分。在植物特征和水文地理学间的关系能准确描述之前，这类对海岸地形区分的改进是必要的。 植被量

与生物数量有关的植被指数是由被动的微波数据和Landsat TM卫星数据产生。基于红光和近红外光波长的光学TM植被指数主要是与单位面积的绿色物体数量变化相关联。基于测量在6cm 和21cm微波波长发射的能量的微波植被指数，主要是反映植被水含量。图像是非常的相似。如果微波仪器被证实是能够合理评估这些湿地中生物数量的仪器，就能根据这全天候天气和昼夜工作的传感器来开发一个监控项目。 监测洪涝

卫星雷达用于绘制潮汐流地图，这是对海岸植被分布重要的控制。雷达图像直接将沼泽地洪涝与低落的雷达回波联系起来，这些图像是在几乎连续不断的一段时间里对地面水文学测量的记录。结合洪水和表面地形的各点测量，全天候的，昼夜工作的仪器允许动态地监测洪水状态和洪水深度水面的生成。 水面微地形学

用三个洪水范围向量和两个海拔高度等高线构建了低矮海岸沼泽的地形学表面模型，洪水范围向量由卫星图像数字化得到，等高线由美国地理调查局的地形四边形得到。除了突变的边界和超出给定等高线范围的地形高地和低地，747点的测量结果和建模的海拔高度平均约14厘米，但更常见的是平均约8厘米。这个地形精度比当前用于这片区域的150cm地形学方案改善了5/9。 土壤湿度和深度

通过测量微波区域内发射的能量，海岸沼泽和森林系统中地下水层的深度和土壤湿度能被绘图。然而这些结果是初步的，水文地理参数的空间图案是与海岸湿地系统的知识一致的。如果可以证明它是用来测量土壤湿度和地下水深度的可靠评估器，这种技术就能使我们了解这些因素是如何与保持湿地功能相关联的。

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通过遥感，就能够动态收集湿地特征状况的信息，这些信息使我们能快速地并反复地评估大片区域的变化。通过提供高速的、低成本的、更新的数据，遥感技术就能提供重要信息来管理由于自然或人为因素影响造成变化的海岸湿地。

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