第1章 地质遥感基础
　　1.1 基本概念
　　遥感（remote sensing，RS）：不与目标接触，从远处用探测仪器接收来自目标物的电磁波信息，通过对信息的处理和分析研究，确定目标物的属性与目标物相互间的关系（田淑芳和詹骞，2013）。遥感技术：把从不同遥感平台上使用遥感传感器收集到的地物电磁波信息传输到地面加以处理，从而达到对地物的识别和监测的全过程。遥感信息（RS information）：利用安装在遥感平台上的各种电子和光学遥感器，在高空或远距离处接收到的来自地面或地面以下一定深度的地物反射或发射的电磁波信息。
　　遥感地质学：在地质与成矿理论指导下，研究如何应用遥感技术进行地质与矿产资源调查研究的学科，是遥感技术与地球科学相结合的一门交叉学科（田淑芳和詹骞，2013）。
　　遥感的基本出发点：根据遥感器所接收到的电磁波特征的差异识别不同的物体。遥感的物理基础：电磁辐射与地物相互作用机理（反射、吸收、透射、发射）。
　　1.2 遥感工作系统
　　遥感工作系统分为星载分系统和地面分系统两大部分。
　　1.2.1 星载分系统
　　星载分系统由遥感平台和传感器组成，负责从高空收集地物的电磁辐射信息，是遥感工作系统的核心。
　　1.遥感平台
　　遥感平台主要包括地面平台、航空平台和航天平台三部分。
　　1）地面平台
　　三角架、遥感塔、遥感车和遥感船等与地面接触的平台称为地面平台或近地面平台。
　　它通过地物光谱仪或传感器来对地面进行近距离遥感，完成测定各种地物波谱特性及影像的实验研究。
　　（1）三角架：0.75～2.0 m，用于测定各种地物的波谱特性和进行地面摄影。
　　（2）遥感塔：固定地面平台，用于测定固定目标和进行动态监测，高度在6 m 左右。
　　（3）遥感车、船：高度变化，用于测定地物波谱特性、取得地面图像。遥感船除了从空中对水面进行遥感，还可以对海底进行遥感。
　　2）航空平台
　　航空平台包括飞机和气球。飞机按高度可以分为低空平台、中空平台和高空平台。
　　（1）低空平台：2 000 m 以内，位于对流层下层中。
　　（2）中空平台：2 000～6 000 m ，位于对流层中层。
　　（3）高空平台：12 000 m 左右，位于对流层以上。气球按高度可分为低空气球和高空气球。
　　（1）低空气球：凡是发放到对流层中的气球称为低空气球。
　　（2）高空气球：凡是发放到平流层中的气球称为高空气球。可上升到12～40 km 的高空。填补了高空飞机升不到、低轨卫星降不到的空中平台的空白。
　　3）航天平台
　　航天平台包括卫星、火箭、航天飞机、宇宙飞船。
　　2.传感器
　　传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。它的性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量大小和可靠程度。按照数据记录方式的不同，传感器主要分为成像方式传感器和非成像方式传感器。成像传感器是目前*常见的传感器类型，其分类如图1-1 所示。
　　1.2.2 地面分系统
　　地面分系统由遥感测试系统和地面控制处理系统两部分组成。前者负责地物波谱测试研究和地面实况调查，后者负责对星载（机载）分系统的控制、遥感数据接收和处理等具体工作。
　　遥感测试系统的主要任务是对地物进行波谱测试研究工作，内容如下。
　　（1）测试地物对太阳辐射的反射特性。
　　（2）测试地物自身的发射特性。
　　（3）测试地物的微波辐射特性。
　　图1-1 成像传感器分类
　　1.3 遥感分类
　　1.3.1 根据电磁辐射源分类
　　遥感器探测、记录的地物电磁辐射能量来源主要有自然辐射源和人工辐射源。根据电磁辐射源的不同，遥感分为被动遥感和主动遥感。
　　被动遥感（passive RS）：利用太阳等自然辐射源。遥感器探测、记录地物反射或自身发射的电磁波信息以识别地物特征的遥感方式，如摄影。
　　主动遥感（active RS）：利用人工辐射源。由遥感器主动地向目标物发射一定能量和一定波长的电磁波，然后再由遥感器探测、记录从目标物反射回来的一部分电磁波，以这种回波信息识别目标物的遥感方式，如雷达。
　　1.3.2 根据电磁波段分类
　　根据电磁波段的不同，遥感分为紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多光谱（多波段）遥感和高光谱（超多波段）遥感。
　　1.紫外遥感紫外遥感波谱范围为近紫外，如摄影。　　
　　2.可见光遥感地物反射的、太阳辐射的可见光（0.38～0.76 μm），如目测、摄影、扫描。
　　3.红外遥感
　　地物反射的近红外辐射，如摄影、扫描。地物反射的中红外、发射的远红外辐射，如扫描。
　　4.微波遥感
　　微波遥感主要分为主动遥感和被动遥感两类。主动遥感，如侧视雷达；被动遥感，如微波辐射测量。
　　5.多光谱（多波段）遥感
　　利用多通道遥感器对同一地进行多波段同步成像，遥感器每个通道探测、记录的电磁波波长不同（每个通道为一个波长范围的窄波谱带），这些不同的波段可以从可见光到红外到微波。
　　6.高光谱（超多波段）遥感
　　高光谱遥感（hyperspectral remote sensing ）是在电磁波谱的可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内，利用成像光谱仪获取许多非常窄的、光谱连续的影像数据的技术。高光谱遥感在光谱分辨率上具有巨大的优势，被称为遥感发展的里程碑。
　　1.3.3 根据遥感平台分类
　　根据遥感平台分类，遥感分为地面（车载）遥感、航空（机载）遥感和航天（星载）遥感。
　　1.地面（车载）遥感
　　遥感器安装在车、船或高塔等地面平台，或在地面上，由人工直接操作遥感器，对地面、地下或水下进行的遥感。
　　2.航空（机载）遥感遥感器安装在大气层内飞行的飞行器上，从空中对地面进行的遥感。
　　3.航天（星载）遥感
　　利用人造地球卫星、火箭、宇宙飞船、航天飞机等作为运载工具，从外层空间对地面进行的遥感。
　　1.4 传感器的性能
　　传感器的性能主要通过光谱分辨率（波谱分辨率）、空间分辨率、辐射分辨率和时间分辨率进行度量（田淑芳和詹骞，2013）。
　　1.4.1 光谱分辨率
　　光谱分辨率也叫波谱分辨率，是指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的*小波长间隔（范艺丹，2013）。间隔越小，分辨率越高。它由遥感探测仪器装置决定，一般分为全色光谱（黑白光谱）、多光谱和高光谱。多光谱一般只有几个、十几个光谱通道。高光谱有多达几十个甚至上百个光谱通道。一般地，光谱通道越多，其分辨物体的能力越强。传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值才能有好的效果。如感测人体选择8～12 μm 的波长，探测森林火灾应选择3～5 μm 的波长。
　　1.4.2 空间分辨率
　　空间分辨率是指遥感图像上能详细区分的*小单元的尺寸或大小，表示像元所代表地面范围的大小，即地面上多大的地物在图像上反映为一个像元点。反之，也可以说图像上的一个像元代表地面上多大的一块面积。对于摄影成像的图像来说，地面分辨率取决于胶片的分辨率和摄影镜头的分辨率所构成的系统分辨率，以及摄影机焦距和航高。
　　1.4.3 辐射分辨率
　　辐射分辨率是指传感器接收波谱信号时，能分辨的*小辐射度差，即传感器能分辨的目标反射或辐射的电磁辐射强度的*小变化量。辐射分辨率在遥感图像上表现为每一像元的辐射量化级。辐射分辨率是传感器灵敏度的标志。某个波段遥感图像的总信息量与空间分辨率、辐射分辨率有关。在多波遥感中，遥感图像总信息量还取决于波段数，在可见光、近红外波段用噪声等效反射率表示，在热红外波段用噪声等效温差、*小可探测温差和*小可分辨温差表示。
　　1.4.4 时间分辨率
　　时间分辨率是指相邻两次对同一目标进行重复探测的时间间隔，即地球上某一点卫星过境探测间距的时间，或者说多少时间可以重复获得一次新的信息。它对动态监测及分析地物动态变迁等起到重要的作用。例如，在农业遥感中，对作物长势动态、灾害等地表变化快的监测，应使用时间分辨率高的观测资料。
　　1.5 国内外经典地质遥感卫星参数
　　1.5.1 经典卫星光谱波段和分辨率
　　高分辨率的遥感数据，由于其分辨率高、信息丰富、获取影像周期短、现势性强的特点，在测量制图、土地资源动态监测、林业资源监测等方面得到广泛的应用。表1-1 是法国的SPOT5 、美国的QuikBird 和IKONOS 三种卫星的主要参数。
　　表1-1 SPOT5、QuikBird 和IKONOS 卫星光谱波段和分辨率

目录
第1章 地质遥感基础 1
1.1 基本概念 1
1.2 遥感工作系统 1
1.2.1 星载分系统 1
1.2.2 地面分系统 2
1.3 遥感分类 3
1.3.1 根据电磁辐射源分类 3
1.3.2 根据电磁波段分类 3
1.3.3 根据遥感平台分类 4
1.4 传感器的性能 5
1.4.1 光谱分辨率 5
1.4.2 空间分辨率 5
1.4.3 辐射分辨率 5
1.4.4 时间分辨率 6
1.5 国内外经典地质遥感卫星参数 6
1.5.1 经典卫星光谱波段和分辨率 6
1.5.2 常用商业卫星主要技术参数 7
1.5.3 常用遥感卫星应用范围 7
1.5.4 光学卫星传感器波段 8
第2章 地质应用对遥感卫星的需求 10
2.1 地质矿产主体业务需求 10
2.1.1 地质矿产资源调查 10
2.1.2 全球化战略 16
2.1.3 应急监测服务 18
2.1.4 地质观测卫星需求 18
2.2 高分辨率遥感卫星的行业应用 21
2.2.1 国土资源 21
2.2.2 测绘制图 22
2.2.3 地质监测 23
2.2.4 灾害监测 25
2.3 我国遥感卫星的地质应用 27
2.3.1 不同层次地质应用的空间分辨率需求 27
2.3.2 资源卫星地质应用需求的初步分析 28
2.3.3 地质应用对资源卫星后续星的需求分析 29
第3章 卫星任务规划基础 30
3.1 卫星任务规划概念 30
3.2 卫星任务规划调度模型 31
3.2.1 有向图模型 31
3.2.2 背包问题模型 33
3.2.3 整数规划模型 33
3.2.4 机器调度问题模型 34
3.2.5 约束满足模型 34
3.3 卫星任务规划算法 35
3.3.1 确定性算法 35
3.3.2 启发式算法 35
3.3.3 调度方案上下界分析法 37
3.4 卫星任务规划问题的复杂性 38
3.4.1 问题建模复杂度高 39
3.4.2 问题求解复杂度高 39
第4章 多星多任务协同规划 40
4.1 大规模组合优化问题规划技术 40
4.1.1 混合整数规划方法 40
4.1.2 分支定界法 41
4.1.3 割平面法 46
4.1.4 列生成法 47
4.2 点目标调度演化优化 49
4.2.1 智能优化规划方法 50
4.2.2 问题描述与分析 51
4.2.3 问题求解 52
4.2.4 算法实现流程 54
4.2.5 调度优化 55
4.3 区域目标调度活动选择 56
4.3.1 区域调度活动选择模型框架 56
4.3.2 求解框架 57
4.3.3 资源空闲时间窗口编排 63
4.4 调度方案可行解界限分析 65
4.4.1 求解步骤 65
4.4.2 调度方案生成分析 66
4.4.3 调度方案界限计算 66
第5章 基于冲突分解的数学规划方法 67
5.1 混合整数线性规划模型构建 67
5.1.1 符号描述 68
5.1.2 优化变量 69
5.1.3 优化目标 69
5.1.4 约束条件 69
5.2 资源有效子区间生成 73
5.3 改进的混合整数线性规划模型 74
5.4 数值仿真分析 76
5.4.1 测试实例 76
5.4.2 实例分析 77
5.4.3 调度预处理 78
5.4.4 优化结果 81
5.4.5 调度场景定量分析 94
5.4.6 性能分析 95
第6章 基于优先级和冲突避免的规划方法 96
6.1 多敏捷卫星联合调度规划问题分解 96
6.2 非线性约束满足优化模型构建 97
6.2.1 符号定义 98
6.2.2 复杂操作约束形式化描述 99
6.3 基于优先级和冲突避免的启发式策略 101
6.3.1 可见时间窗口特征 101
6.3.2 观测任务选择策略 104
6.3.3 观测时间窗口选择策略 105
6.4 智能优化调度规划方法 105
6.4.1 基于时间的贪婪算法 105
6.4.2 基于权重的贪婪算法 106
6.4.3 改进的差分进化算法 107
6.4.4 调度方案改进策略 111
6.5 数值仿真分析 112
6.5.1 测试实例 112
6.5.2 优化结果 113
6.5.3 算法求解效率 120
6.5.4 结果讨论 122
第7章 多星联合调度规划系统 123
7.1 系统开发环境 123
7.2 系统总体框架设计 124
7.2.1 多星联合调度规划系统总体框架 126
7.2.2 多星联合调度规划系统整体流程 127
7.3 系统实现 128
7.3.1 主控模块 128
7.3.2 想定管理模块 130
7.3.3 覆盖计算模块 133
7.3.4 调度规划模块 134
7.3.5 卫星星座性能评估模块 136
7.3.6 可视化展现模块 140
第8章 高分卫星地质应用规划结果性能分析 142
8.1 基本假定 142
8.2 资源及任务 142
8.2.1 资源及载荷 142
8.2.2 任务定义 143
8.3 高分地质规划性能分析 143
8.3.1 单星覆盖结果分析 143
8.3.2 多星覆盖结果分析 150
参考文献 152