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随着地球系统科学、全球变化研究与可持续发展议程的推进，遥感作为连接“观测-理解-决策”的技术纽带，其基础认知的重要性愈加凸显。厘清遥感的本质与边界，不仅有助于深化技术应用的根基，也为跨学科协同与未来发展奠定认知共识。
本篇（第１～3章）作为全书的起点，系统阐述了卫星遥感的科学本质、历史起源及其服务于地球系统观测的根本使命。开篇从“遥感为何而生”的哲学命题入手，追溯遥感科学诞生之初的学术背景与发展脉络，特别是1964年“环境遥感”概念*次在密歇根大学提出的历史节点，并追溯至Remote Sensing of Environment等标志性刊物与IGARSS等重要国际会议的建立，强调遥感作为服务地球科学的观测手段，在学科融合中成长与演进。
本篇内容涵盖遥感的定义、核心特征及其在地球观测体系中的*特地位。作者提出“地球表层系统”“自然全息谱”“土地覆盖”等关键概念，通过严谨的理论推导和通俗易懂的语言，为读者构建起对遥感本体论层面的理解框架。另外，还特别区分了遥感与摄影测量、天文观测等相关领域的边界，明确遥感数据在空间连续性、能量观测和物理建模等方面的*特优势。
此外，本篇强调遥感观测是实现全球动态监测与认知地球系统结构与演变过程的基础，指出从“图像记录”到“知识认知”的转化路径，需要在科学认识、技术体系与数据产品三个层面持续推进。通过本篇的学习，读者不仅能够理解遥感的学科定位，更能够把握遥感技术发展的历史动力与未来趋势。
第1章卫星遥感的科学使命
遥感一词很难用一句话给出准确的定义。本章*先从遥感的目标、用途和本质几个方面入手，引领读者对遥感有一个感性的认识。然后，回顾遥感技术发展历程，深入认识遥感科学的本质，了解遥感应用目标。*后，重点介绍了陆地遥感与地球科学之间的关系，激发读者对遥感与地理学的研究灵感，促进遥感与地理学共同发展进步。
1.1遥感的基本特征与定义
对一些科学术语，不是用一句话就能给出准确的定义的，遥感一词就是其中之一。为了对遥感有一个全方位的了解，要从以下三个方面去说明什么是遥感，然后再考虑如何给遥感下一个确切的定义。
1.1.1遥感的宗旨
说起遥感，人们不应忘却1964年在密歇根大学举行的*次环境遥感学术研讨会。正是在这一次会议上，遥感这个科学词汇被**次在学术会议上提出，并且一开始就叫环境遥感。环境，就是指那些围绕着人类社会的外部自然条件，在一定意义上讲，即是自然地理学的研究对象。随后则有相应的学术刊物的创刊，如1969年创刊的Remote Sensing of Environment。接踵而来的是规模大且影响深远的专业性学术年会“国际地球科学与遥感大会”（International Geo-Science and Remote Sensing Symposium，IGARSS）年复一年地举办，并相应地出版了年会集刊IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing（从1980年开始）。这一盛会一直把增进或不断加深人类对地球的了解作为大会的宗旨。应该认为，这正是遥感研究的历史任务。以前人类对自己居住的地球表层的了解是通过点状测量或者片段的、局部的野外调查实现的，因而对地球环境及其变化的认识，只能是静态的，不可能做到全方位地对地动态测量。要想对地球上的事物有真正深入的了解，必须跳出地球，才能克服自身认识上的局限性。卫星遥感的出现，真正实现了对地球表面的全方位面状测量，彻底地改变了以前对地球表层数据在时间和空间上不连续的测量方式（如各种野外调查、气象和水文观测等）。这就从科学上给出了遥感的地球科学属性定位。
1.1.2遥感的用途
对那些直接影响人类生存和生产活动的突发事件，如地震及地震引起的海啸、台风和风暴潮、洪水泛滥、大型山体滑坡和泥石流、森林火灾等，需要随时掌握灾情、评估损失，进而提出抢险救灾措施；而对大范围的作物估产，则要求及时了解作物的长势和物候期等关键参数，这些都只能依靠卫星轨道高度上的观测才能实现。遥感中的“遥”，多远才算呢？答案是近圆形、太阳同步卫星飞行轨道高度。只有达到这个高度，才能获得周而复始、全球覆盖的并以图像形式展现的技术性能一致和连续的可比数据。这种数据更适于对地球环境变化中的长程事件进行跟踪研究，以找出事件发生的因果关系；也可用于各种空间尺度的资源与环境清查与制图（如土地覆盖类型）。在卫星轨道高度获取地面目标信息的技术是一种非常复杂而综合的高新技术系统，只有到了空间探测和信息化时代才可能实现，这就是卫星轨道飞行器出现之后才产生遥感这一科学术语的实际科学技术和应用背景方面的原因。
1.1.3遥感信息的本质
Simonnet（1983）在其主编的《遥感手册（**卷）》中用“多”来说明地物的遥感信息蕴藏在诸如多光谱（multi-意味着谱段数N≥3）、多尺度（分辨率）谱、多时相谱、多偏振（极化）谱、多方向（角度）谱的变化之中，由这些谱合起来就构成地球表层的自然全息谱。地表不同地物在各种谱的不同谱段会产生强度各异的信号，而信号的差异及差异的强弱即为地物相互区别的根据。没有差异就没有信息。这些谱都已经有相应的成像谱仪（传感器），由这些成像谱仪对地表进行观测，所获得的各种卫星遥感图像数据就构成了多维数据集合，简称为地表自然全息。
如果采用上述的三个方面去理解遥感的含义，我们就掌握了一把科学的标尺，可以区分或说明哪些是遥感，哪些又不能称之为遥感。如用射电望远镜探测宇宙太空这样的研究，完全符合*后两个概念，但他不符合**条，只能称作天文观测。遥感结论是否正确是可以通过实地检验的，而对天文学观测的解释则是一种推测或推断，已故的王大珩院士将其戏称为“遥猜”。又如航空摄影测量，它是一门很成熟的工程学科，比遥感出现得还早，用单波段传感器在两个方向对同一地区成像便可提取高低起伏地面的几何信息，进而生成精准的地形图。而遥感实行的是对地面目标的反射、发射或偏振等的测量，获取的是目标的物理信息，这一点也是严格区别于摄影测量的。显然，更不能将环境遥感视为航空摄影测量的简单延伸。用三个波段以上这一多波段标准来衡量，单波段的摄影测量也不会与遥感相混淆。*初的卫星传感器设置4个探测波段，其目的是可以模拟出天然彩色和标准假彩色（红外彩色），以供视觉判读之用。
这样，遥感的定义可确切地表述为：在卫星轨道高度用一组传感器对地球表层进行地物成像测量以获取地表的自然全息图像数据，来实现对地球表层及其变化的跟踪监测，逐步达到增进对地球理解的科学目标。
为了以后叙述的需要，下面定义几个新的术语。
1）地球表层:指太阳辐射能的影响可到达的地表以下*大深度范围内所有固、液、气三相物质组成的圈层；当地球表面为水体覆盖时，则是指水面以下*大影响深度；对大气而言，指从地面起到大气层顶的大气层厚度，它是个物质概念。
2）地球表层系统:是个物理概念，指系统中的物质和能量以及它们的运动方式的总称。
3）土地覆盖:意为附着于陆地固态表面（层）的天然的（也含一些人工的）不同种类和类型的生物的或非生物的异质性物理表层；当没有或缺失这种附着表层时，那原始的陆地固态表层也应视为一种土地覆盖类型。这样定义下的土地覆盖类型和气象学里讲的下垫面（层）类型几乎一致。冰、雪虽然都是固态的物质，但它和下覆的岩石或岩石风化物是异质性的，因而冰、雪也是一种覆盖类型；显然，像城市建筑、道路等也是一种覆盖类型。大范围分布的裸岩（包括固定的沙漠）也应视为一种土地覆盖类型，其厚度按气候准则确定。不同的覆盖类型，它的反射率是不一样的，在对太阳辐射的分配中起着不同的作用。在强调一块土地的自然属性时，土地覆盖类型和人们常用的景观类型的概念可以互相套用而不至于引起误会。当对一块土地考虑其经济价值和使用方式时，就成为土地利用的问题了。同一块土地（即同一个对象），当从不同的角度考虑时，会有不同的称呼，或称为土地利用，或叫做土地覆盖，前者侧重它在经济上的利用价值，后者侧重它的自然属性及它在太阳能再次分配中的作用。在农业耕种区，一块农业用地（农田），既是一种土地利用方式，也是一种土地覆盖类型，这就难怪在一些区域性的有关土地的制图上，常出现土地利用/土地覆盖分布图这种表现形式了；草原是一种土地覆盖类型，如将其用来放牧，就成了牧场，又变成为一种土地利用方式了。河流上游或两岸的阔叶林往往标为水源涵养林或薪炭林，它既是一种森林覆盖类型，也是一种土地利用类型。由于考虑问题的角度不同，同一块土地可从一种土地覆盖类型转变为相应的土地利用类型。土地利用与土地覆盖实在是难解难分，犹如一只手从上面看是手背，从下面看则是手心。这里要特别强调，从遥感研究角度看，关注的是土地覆盖问题，这是因为当太阳辐射穿透大气层达到地表时，太阳辐射能要受到再次分解。如果同一块土地若发生了覆盖类型上的变化，就意味着改变了这块土地的能量收支状况。这是因为，不同土地覆盖类型有着迥然不同的反射特性，覆盖类型一变，也就改变了反射率，地表的能量收支结构也随之改变，并成为引起环境变化的本质性因素。
4）地表自然全息及其辅集/扩展集：在卫星轨道高度，由多光谱或高光谱、多尺度谱、多极化谱、多角度谱等谱仪，对地球表面的同一地区地面同时进行观测，所获得的多种图像数据的集合，构成了地表自然全息数据集合。其中多光谱图像或高光谱图像所包含的信息*为丰富，习惯上就把它叫作地表自然全息数据集合，简称地表自然全息。空中飞行的飞机/无人机对地观测数据，可看作是地表自然全息的辅集/扩展集，甚至还可包括为验证理论研究结果所得到的地面波谱等测量数据以及野外调查数据。
5）地球表层系统的物质-能量流：地球大气，特别是水气是具有能量的，它通过相变吸收或放出能量。大气通过不同形式的运动（对流与环流）从而形成物质-能量流。这种物质-能量流的总的趋势是把热带地区的能量和水分向两极输送，使全球各地温度不至于相差过于悬殊，以维持现有的地表环境和生态系统的稳定。
1.2遥感科学与技术发展进程
1.2.1卫星遥感的历史回顾
陆地卫星（Landsat）系列的发展历史是遥感技术发展进程的*好见证。陆地卫星传感器从*初的多光谱扫描仪（MSS）（1972年7月23日）经专题制图仪（TM）（1982年7月16日），*后到搭载于Landsat-7上的增强的专题制图仪（ETM+），采用的都是光学机械扫描成像技术，传感器从技术上讲已做到了极致，没有发展的余地了。MSS设置有4个波段，主要是为了方便地模拟出真彩色和标准假彩色。此后，由于对细胞结构和光合色素研究的深入，发现通过适当降低波段带宽度可以提高对植被和作物监测的灵敏度，以及对岩石水热蚀变带研究的需要，应该调整和增加MSS的波段设置数。从而使1982年发射的Landsat-4上的TM波段设置数增加至8个，其中第7波段（2.08～2.35μm）正是应地质学家要求，于卫星发射前才匆忙决定加上的。而直到1999年4月15日发射的Landsat-7，才*终有了15m分辨率的全色波段探测能力。此时，环顾世界各国，特别是法国，早在1986年就采用电耦合器件（CCD）作为传感器的感光器件，采用推扫成像的方式，一举将图像像元空间分辨率提高到20m（分色波段）和10m(全色波段），并且还具备侧视功能，可以进行地形制图。迫于无奈，美国在Landsat-8（2013年2月11日发射）上，才以CCD器件取代光学机械扫描成像的机械部件，比法国整整落后了27年。Landsat-8的出现标志着遥感科学与技术发展进人了它的第二个发展阶段。这个阶段的传感器性能有了新的提高和特色，其可见光-近红外-短波红外波区传感器称为业务型陆地成像仪（OLI），设置了9个波段，新增了对海岸带与气溶胶的观测波段（波段1’0.435～0.451pm），以及对卷云监测用的波段9（1.363～1.389pm），
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