淺談遙感與測繪領(lǐng)域的物理知識

張祥和

摘 要：遙感與測繪技術(shù)是指應用遙感衛(wèi)星等工具對于地球表面觀察的技術(shù)。本文列舉了遙感與測繪技術(shù)的基本信息及其在航空、地球探測等各方面應用。同時，本文還深入解釋了這項技術(shù)的物理原理，如二體問題，衛(wèi)星軌道，電磁波，光電技術(shù)等，并進行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：遙感;測繪;物理知識

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0197-02

0 引言

遙感與測繪技術(shù)是地理信息技術(shù)中的一門重要學科，其包含了多種現(xiàn)代高新科技技術(shù)，如空間測繪技術(shù)、數(shù)據(jù)運算技術(shù)、信息處理技術(shù)等。近年來，隨著“數(shù)字地球”等科學概念的提出和“信息高速公路”的飛速發(fā)展，遙感與測繪技術(shù)也不斷向前發(fā)展著。

在當今時代，基于信息技術(shù)的科技進步速度大大加快，科技成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力的速度越來越快。尤其是在1998年誕生的GIS技術(shù)，成功將各種高新科學技術(shù)的相關(guān)概念與網(wǎng)絡虛擬技術(shù)相結(jié)合，從而構(gòu)建了一種能夠通過數(shù)字技術(shù)來處理和運算各種社會活動與自然活動問題的新型計算方法，有效提高了各種資源的利用效率，使人們能夠在網(wǎng)絡上便捷的查詢各種地球信息，從全新的視角更加深入的認識地球。GIS技術(shù)地球、地球上的活動及整個地球環(huán)境的時空變化數(shù)字化為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，將各種網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在人們的日常生活中得到運用，全面提高日常服務質(zhì)量，提高人們的生活效率，并使其成為人類的生存之源。本文將針對遙感與測繪技術(shù)在物理領(lǐng)域的應用進行討論。

1 遙感與測繪技術(shù)綜述

1.1 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)作為20世紀以來最具應用價值的航空領(lǐng)域技術(shù)之一，在地球探測和研究中起到了至關(guān)重要的作用。這一技術(shù)應用到電磁學中的很多理論。例如，在利用傳感類儀器判斷距離時，可以通過電磁波的釋放和接收來確定所需的距離信息。這一過程是通過電磁波的輻射和反射產(chǎn)生的信號實現(xiàn)的。遙感技術(shù)不僅要運用電磁波技術(shù)，還要對數(shù)據(jù)進行進一步的處理。在這一過程后，可以實現(xiàn)對地球表面各種地形地貌和景物的識別和成像。遙感技術(shù)應用方面廣泛，小到每個地區(qū)的天氣、環(huán)境、資源狀況，大到對一個國家建設(shè)、國防等方面的評估，而且對全球氣候變化的預估也大有裨益。

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感技術(shù)日益成熟，從1909年，第一張航空相片的誕生，再到1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星，然后，現(xiàn)代遙感技術(shù)進入1m高分辨率和立體觀測，在眾多領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。遙感技術(shù)在我國同樣發(fā)展迅速，在航空遙感方面，我國正在開展對地觀測系統(tǒng)的研制，無人機遙感系統(tǒng)的研制，其中在軍用及民用方面均獲得了較大的成就。同時，可查詢到高分辨率遙感影像[1]。

1.2 測繪技術(shù)

在現(xiàn)代科學領(lǐng)域中，測繪學科具有十分重要的地位。其主要是通過對各種地球資源信息、物理信息、活動信息的測量、采集、整理、運算、處理、描述和應用。它的研究涵蓋廣泛的主題，包括：研究與描述形狀、大小、重力場以及地球表面與內(nèi)部物質(zhì)的變化規(guī)律;構(gòu)建人造物體的三維坐標系，從而掌握各種物體在空間位置上的特征;構(gòu)建人工基礎(chǔ)設(shè)施，繪制各種位置坐標圖形，構(gòu)建預制相關(guān)的信息管理系統(tǒng)。測繪學涉及到的學科內(nèi)容較多，發(fā)展歷程較長，在較早時期主要被用于地圖繪制、水利工程測繪、農(nóng)業(yè)建設(shè)等方面。古代的尼羅河在每年的雨季都會發(fā)生洪澇災害，肆虐的洪水在每年都會吞噬陸地的邊界，當水位退去后陸地的邊界會發(fā)生較大變化，從而需要人們對邊界區(qū)域進行新的劃分，測量工作逐漸深入。隨著人類認識的逐漸深入，人們需要去研究地球的形狀，需要準確地測量地球的大小，從而促進了測量的發(fā)展。以圖形的繪制來測量地形的尺寸參數(shù)是非常有必要的，地理圖形制作方法的演變?yōu)闇y繪科學的發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)，測繪學對技術(shù)的要求非常苛刻，測量工具與測量儀器的緊密度對測繪的準確性具有決定性影響。

1873年，Listin通過對地球橢球形狀偏差問題的研究，明確了地球表面水平面上的地理形狀特征。蘇聯(lián)科學家在1945年提出了一種能夠?qū)Φ厍虮砻孀匀晃镔|(zhì)形狀進行測量的理論，這位高低落差環(huán)境下的重力減少問題找到了最佳的解答方式。人類對地球形狀的理解和測量已經(jīng)過了球-橢球-地球水平的三個階段。隨著對地球形狀和大小測量準確性的提高，在地圖繪制工作中精確計算出地面坐標和地面高程。漸漸地，一個可靠的科學基礎(chǔ)豐富了測繪理論。測繪這一門蓬勃發(fā)展的科學也在中國取得了迅猛的發(fā)展。自1950年以來，中國在本土范圍建設(shè)了大量網(wǎng)絡點位，其中包含了多個國家級的大小重力網(wǎng)絡和衛(wèi)星測繪網(wǎng)絡，完成了對全國陸地數(shù)據(jù)測量的升級和改造。在攝影測量技術(shù)中，電子計算機已被廣泛用于分析空中三角測量，并且正在開發(fā)分析圖和正投影儀。人們正在研究自動測繪系統(tǒng)和空間遙感數(shù)據(jù)在測繪中的應用，這也進一步推動了中國的測繪業(yè)務的發(fā)展。

2 物理知識

2.1 二體問題

在經(jīng)典力學領(lǐng)域，二體問題始終是人們關(guān)注的焦點。所謂的二體問題實際上就是兩個不同物體在萬有引力的作用下會按照特定的規(guī)律發(fā)生相互運動。事實上，很多天體的關(guān)系都可以被近似看作二體問題。例如：在行星相鄰衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)現(xiàn)象解讀方面，雖然衛(wèi)星和行星的形狀都不是規(guī)則的，但它們的距離遠遠大于各自的直徑，因而可被近似看作二體問題;在行星繞恒星公轉(zhuǎn)、雙星系統(tǒng)和雙行星等問題中，這一情形也是類似的。除此之外，彗星的大部分質(zhì)量高度集中在慧核，因此彗星公轉(zhuǎn)也可以看作兩個質(zhì)點之間的二體運動。將行星與太陽的質(zhì)量進行對比后可以發(fā)現(xiàn)，已知最大行星的質(zhì)量僅為太陽的千分之一。

2.2 衛(wèi)星軌道

衛(wèi)星軌道問題是研究空間定位與導航的一個重要問題。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星軌道的應用領(lǐng)域愈發(fā)廣泛，主要針對于在軌空間目標，深空探測等領(lǐng)域。在軌空間目標如衛(wèi)星的研制與發(fā)射，其中包含衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導航以及測繪學和軍事學等領(lǐng)域的應用[2]。

衛(wèi)星軌道技術(shù)的應用迅速發(fā)展，尤其是自世界上第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射升空后，世界各國相繼向太空發(fā)射了19000個繞地球運轉(zhuǎn)的微型。中國在1970年成功發(fā)射了東方紅1號衛(wèi)星，以它為核心的工作衛(wèi)星數(shù)量眾多，在全世界上僅少于美國。在衛(wèi)星導航方面，GPS，GLONASS等系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)可用，而中國的BDS系統(tǒng)，即北斗導航系統(tǒng)，也發(fā)揮著重要作用。在探測方面，美國于上世紀便完成了阿波羅登月計劃，旅行者一號已經(jīng)在深空中飛行，中國的嫦娥工程也取得了重大成就。而如今的航天領(lǐng)域也有了商業(yè)化的趨勢，各種民營化的火箭生產(chǎn)機構(gòu)相繼涌入市場，例如：美國spaceX公司基于商業(yè)化發(fā)展理念提出了火星移民計劃，這個公司也從初期不被看好到火箭成功回收的實現(xiàn)、火箭成本的不斷降低以及循環(huán)使用技術(shù)的逐步發(fā)展都給這類企業(yè)增添了活力，同時也推動了空間應用技術(shù)進一步發(fā)展。

2.3 電磁波

電磁波是由多種電磁信號集合后形成的電磁輻射波段，電場與地球磁場發(fā)生接觸后推動電磁波在特定的空間區(qū)域中以波紋的形式逐漸向前傳播，其傳播的路徑與電磁場的延伸路徑相同，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種動能和勢能的傳輸[3]。隨著人們研究的深入，電磁頻譜誕生，依據(jù)電磁波由低至高的傳輸頻率，可以將其劃分為多種類型的頻譜成分，如：無線電波、強紫外線、弱紫外線、X光、伽馬射線等。

電磁波在我們的生活中應用廣泛，最常用的例子便是無線電波的傳輸了，在無線電廣播中，人們先將聲音信號統(tǒng)一收集，調(diào)制成一定頻率，發(fā)射信號，在接收端，可以通過調(diào)頻或者調(diào)幅等方式檢測到信息，在經(jīng)過頻率上的調(diào)整，還原信息。而電視的成像則是再接收信號之后，將其轉(zhuǎn)化為聲音信號和光信號。電磁波技術(shù)同樣在遙感側(cè)領(lǐng)域起到了至關(guān)重要的作用，測繪時對于未知物體的描繪， 使用光電技術(shù)對于深空領(lǐng)域的探測，無不用到了電磁波技術(shù)。1864年，英國科學家詹姆斯·麥克斯韋在研究電磁現(xiàn)象的過程中，結(jié)合前人的理論對電磁波的成分進行了分析，并提出了電磁波理論。他在研究中發(fā)現(xiàn)，電磁波的傳播特性與光的傳播特性高度一致。在1887年，德國科學家郝茲通過實驗證實了電磁波的存在，并提出了電磁波存在的依據(jù)。1898年，馬可尼在進行光學試驗的過程中發(fā)現(xiàn)光的本質(zhì)與電磁波完全相同，所有光纖中都含有多種形式的電磁波成分?；诖?，光與電磁波在本質(zhì)上的相同特性得到了認定，兩者之間的差異主要集中在電磁波的波長范圍與電磁波傳輸強度方面。

2.4 光電技術(shù)

光電技術(shù)是在探測可見光或不可見光的波段時才用的一種探測手段，其主要應用領(lǐng)域為信息的探測與獲取， 實現(xiàn)對深空儀器的智能控制主要依賴于信息技術(shù)和軍事應用技術(shù)[4]。光電技術(shù)主要側(cè)重于對深空領(lǐng)域的開發(fā)。光電技術(shù)在探測技術(shù)中擁有舉足輕重的地位，軍用技術(shù)的發(fā)展促進了光電設(shè)備的產(chǎn)生與升級[5]。其大致分類為偵查、抵御干擾和反偵察等，通常是接收其未知的頻率，利用光電對抗技術(shù)體系加以分析，以獲取信息。面對遙不可及的太空，人們難以觀察到他的全貌，但因人們對于太空的向往，使人們不斷加大對光電技術(shù)的研究力度，由此推動了宇宙生命研究、深空激光探測裝置、紅外線深空探測設(shè)備的發(fā)展，人們對太空的探索也更近了一步。

3 總結(jié)與展望

遙感與測繪技術(shù)涉及知識廣泛，同時也可以應用于多種專業(yè)，其中許多理論都在不斷發(fā)展，有一些已經(jīng)得到了較為完備的解答，有一些仍待解決。二體問題得到了較為合理的解釋，但更為復雜的三體乃至多體問題尤待解決。衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)已經(jīng)不是難題，但是想要突破高成本的發(fā)射問題，甚至實現(xiàn)回收利用等技術(shù)，還需要很多努力。同樣，在宇宙中飛行了長達41年之久的旅行者一號也即將在2025年徹底與地球失去聯(lián)系，成為一顆“流浪探測器”，而其發(fā)回的各種信息，有許多仍無法解釋。除此之外，使衛(wèi)星以更高速飛向更遙遠的地方的技術(shù)難題還未被攻克。

雖然有許多問題沒有得到充分的解決，但不可否認的是，遙感與測繪技術(shù)及其領(lǐng)域的發(fā)展前景是十分光明的。如今，遙感與測繪技術(shù)在地理信息技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮著愈發(fā)重要的地位。而從人類文明誕生伊始，人們對于太空航天的想象就沒有間斷，再加之各國對于航天及人才的重視，很大程度使相關(guān)領(lǐng)域更加受關(guān)注，也一定會使該領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。

參考文獻

[1] 李德仁.攝影測量與遙感的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].武漢測繪科技大學學報，2000（01）：1-6.

[2] 萬敏輝，朱慶生，薛華建.衛(wèi)星軌道跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2017，39（11）：22-27.

[3] 石文軒.遙感物理基礎(chǔ)教學內(nèi)容設(shè)計與教學方法探討[J].教育教學論壇，2018（38）：180-181.

[4] 鄒昀哲.中國的空間探測光電技術(shù)的發(fā)展與應用[J].科技經(jīng)濟導刊，2016（02）：85.

[5] 張海馨，張正龍.中國深空探測中光電技術(shù)的應用[J].信息記錄材料，2017，18（03）：36-37.