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地形图研制之初，必须为其获取野外数据。这是一个缓慢而乏味的过程，包括通过测量地表上一个点与其他点的距离、该点方向与高程，把这个点和其他点联系起来。20世纪30年代以来航空摄影技术的进展，使得加速地图制作与增大地形图所表现的土地面积成为可能。航空摄影只不过是现在采用的许多遥感技术之一。
遥感 （remote sensing）是一个比较新的术语，但是它描述信息的过程——探测一个物体的形状而不直接与其接触——已被采用了100多年。照相机问世后不久，人们就从气球和风筝上拍摄过照片。甚至用信鸽携带微型照相机，设定每隔一定时间自动曝光来拍摄巴黎的航空相片。20世纪30年代首次使用飞机为照相机和摄影师提供制图平台，这样就可以从计划好的位置拍摄相片。
尽管现在有了各种传感器，但是使用照相机返回底片的航空摄影仍然是被广泛采用的遥感技术。空中制图优于地面测量的最明显之处，就是制图师得到的鸟瞰图。制图师利用立体镜装置，就能确定各种地貌（如山地、河流和海岸线）的准确坡度和大小。用其他方法难以测量的地区——例如高山和荒漠——从空中就很容易被绘制成地图。而且，几百万平方千米的地区可以在很短的时间内被测量。当然，利用航空摄影制图之前，必须对所记录的物体的大小、形状、色调和颜色等线索进行判读。以航空摄影为基础，能迅速绘制地图且很容易对其进行修订，从而能不断更新地图。利用航空摄影，对地球的制图能比过去更精确、更完整、更迅速。
1975年，美国内政部创立了“国家制图计划”（National Mapping Program）以改善地图数据的收集与分析，改善地图的编制，这对处理资源与环境问题的决策者有所帮助。该项目的首要目标是用正色摄影影像完全覆盖全国未经1:24,000比例尺制图的地区。
正射影像地图 （orthophotomap）是一种多彩色、不失真的航空摄影影像，上面添加了某些增补的信息（如地名、位置网格、界线、等高线等符号）。这个英语单词使用前缀“ortho”（源自希腊语orthos，意为“正确”），是因为航空摄影经过矫正或校正，可消除因地形高度和照相机倾斜造成的误差。正射影像地图兼备照片的影像特性和地图的几何特性。请注意图2.20不同于传统地图之处，是以影像作为表述信息的主要手段。正射影像地图有着多种用途，包括森林管理、土壤侵蚀评估、洪灾与污染研究，以及城市规划等。
（a）
（b）
图 2.20 （a）佐治亚州东南部不伦瑞克（Brunswick）西部图方的地形图；
资料来源： U.S. Geological Survey.
标准照相胶片检测到电磁波谱可见光部分所反射的能量（图2.21）。虽然近红外线波长是不可见的，但是能被特别感光的红外胶片所记录。红外胶片能辨识和记录人眼看不见的物体，因此对植被和水文特征的分类特别有用。彩红外照片产生所谓的 假彩色图像 （false-color image），所谓“假”，是因为胶片产生的影像不是自然界的原样。例如，健康植被的叶子对 红外线 （infrared）的反射比很高，在彩红外胶片上记录为红色，而不健康或休眠期的植被则呈现蓝色、绿色或灰色。清水呈现黑色，但含大量泥沙的水可能呈浅蓝色。
图 2.21 以微米表示的电磁波谱的波长。
对于电磁波谱上大于1.2微米（1微米就是1/1,000,000米）的波长，必须使用照相胶片以外的传感器。传感器可能是被动的，记录来自地球反射的辐射，也可能是主动的，自行发射能量。照相机是被动的，而雷达工具自己产生能量，并记录从地面向它反射回来能量的数量。尽管地面景象被记录为数字形式，但是打印成照片后即可传播。
传感器的类型
能感知地球上物体发射能量的 热扫描仪 （thermal scanner），被用以产生热辐射影像（图2.22）。就是说，热扫描仪记录水体、云、植被以及建筑物或其他构筑物所发射的长波辐射（长波辐射与物体的表面温度成正比）。与传统摄影不同，热传感既能用于夜间也能用于白天的特点，使其能应用在军事上。它被广泛使用于研究水资源的各方面，如洋流、水污染、地表热平衡和安排灌溉等。
图 2.22 2001年纽约市世贸中心的热辐射影像。
资料来源： The New York State Office of Cyber Security and Critical Infrastructure Coordination （ CSCIC ）© 2001
雷达 （radar，radio detecting and ranging的缩写）系统运行在电磁波谱的不同波段，能在白天或晚上使用。此类传感器传输射向物体的能量脉冲，同时感测返回的能量。所得数据被用以创建如图2.23所示的影像——这是安装在飞机上的雷达设备拍摄的。由于雷达能够穿透云层、植被以及黑暗，因此特别适用于监测飞机、船只和暴风雨系统的位置，用于像亚马孙流域那样总是烟雾弥漫或云雾覆盖的地方的制图。
图 2.23 加利福尼亚洛杉矶市的机载侧视雷达镶嵌图。
资料来源： U.S. Geological Survey.
激光雷达 （lidar，light detection and ranging的缩写）是一种比较新的遥感技术，利用机载雷达把光线传输到物体上。仪器对反射回来的光线进行分析，产生有关目标的信息。虽然激光雷达与雷达是基于相同的原理，但其发射的波长比雷达短1万—10万倍。现有若干种激光雷达。例如，差分吸收激光雷达（differential absorption lidar）用以测量大气层中的化学品——如臭氧或其他污染物——的浓度。激光雷达测距仪（range-finder lidar）是最直接应用于制图的仪器。由于激光雷达数据加工产生极其精密的地形高程以及经纬度坐标，因而对于任何需要精确描绘地表状况的制图都是最理想的选择（图2.26）。
卫星影像
30多年来，载人和无人航天飞机已经作为飞机的补充，成为地形成像的航天器。与此同时，还采用了很多自动制图的步骤，包括电子制图技术的使用、自动绘图仪和自动数据加工等。现在很多影像或来自在轨道上连续运行的卫星，如美国的地球资源卫星和法国的“SPOT”系列（Small Programmable Object Technology）观测卫星，或来自载人航天飞机，如“阿波罗”（ Apollo ）和“双子星”（ Gemini ）太空计划。卫星的优势之二就是其覆盖的速度快以及能获得广大区域的视野。
此外，由于此类航天器上的装备能记录人类视力范围以外的电磁波谱段的信息，并将其传回地球，因此这些卫星使我们能够对不可见的信息进行制图。美国、日本和俄罗斯许多机构发射了许多专门用以监测天气的卫星。卫星所获得的数据大大提高了对日常天气和大风暴预报的准确度，并在这个过程中挽救了无数的生命。卫星是每天电视和报纸上播发的天气图的来源之一。
制作地图只是遥感应用之一，遥感还被证明是进行资源调查和自然环境监测的有效方法。地质学家发现，遥感对荒漠和偏远地区的资源调查尤其有用。例如，有关植被和岩石褶皱类型的信息有助于帮助圈定矿产和石油勘探的可能地点。遥感影像已被用于监测各种环境现象，包括水污染、酸雨的影响和热带雨林的破坏。由于遥感影像能够用以计算蒸腾与光合作用速率之类的因素，所以在大气层与地表之间关系的建模中是非常有用的。
遥感影像的军事应用包括改善飞机导航、改进武器瞄准和加强战场管理与战术计划，这就提出了谁应该有权使用这些信息的问题（见“民用侦察卫星”专栏）。
也许最著名的遥感航天器是首次发射于1972年的 地球资源卫星 （Landsat satellite，又叫陆地卫星）。目前仍在运行的5号和7号地球资源卫星，轨道高度为705千米，大约每1小时40分钟绕地球一周。这些卫星携带电磁波能量范围内的传感器。例如，7号地球资源卫星获取光谱中可见光、近红外、短波红外和热红外等波段的数据。地球资源卫星把电子信号传输到地面接收站，那里的计算机将电子信号转变为能够校正为适合基本地图投影的图片影像。将各种波长信息进行综合，就能制成合成图像。
地球资源卫星有能力分辨相隔15米以上的目标。这种卫星在极地轨道上运行，这意味着它们从南向北飞行，地球在卫星下面自转，因此每条轨道就会覆盖上次轨道相邻地表的一个条带。卫星在相同地方时连续通过的时候会传输地面宽度185千米的条带，以16天的间隔重复连续的地面轨道的模式，并以此监测所发生的变化。
地球资源卫星是美国航空航天局（NASA）的首个民用项目，供研究地球和地球环境变化之用。其主要目的是创造一套长期不间断校正的地球影像，以帮助研究人员研究地球系统所有组分——空气、水、陆地和动植物——的复杂的交互作用。1972年以来，这些卫星用图像向用户提供在数据获取格式、几何学、空间分辨率、校正、覆盖度和光谱特性等方面兼容的连续的数据集。
地球资源卫星影像在研究上有广泛的应用，包括：
有些地球资源卫星数据并非用于长期科学研究，而是用于对台风、洪水、地震、火山、林火和溢油等自然灾害与人为灾害进行监测、制图和做出反应（图2.24）。
图 2.24 2003年10月26日拍摄的加利福尼亚南部卫星照片。
资料来源：© Jacques Descloitres, MODIS Rapid Response Team, NASA / GSFC.
虽然遥感卫星已在地球轨道上运行了大约30年，但是1999年以后才有如本文所示的详细的卫星影像供公众使用。直到最近，从商用卫星所得的影像都比较模糊，而且也不如军用卫星那样详细。但现在的情况已不再是这样。1994年，联邦政府撤销了对私立公司的限制，允许他们建造新一代民用“间谍”卫星并向顾客出售图像。总部在科罗拉多州丹佛的空间成像公司（Space Imaging Corporation）于1999年首次发射了高分辨率商用卫星“伊科诺斯”1号（ Ikonos 1 ，以希腊文“影像”命名）。翌年又有另两家美国公司发射了类似的卫星。新的成像技术强大到能够检测和记录地面上宽度小到1米的目标：汽车、房屋，乃至热水浴缸。
军事规划人员正在发现商用卫星高分辨率图像不可估量的价值，这些图像足以提供最新的信息，其详细程度和精度水平高于常规地图。把多个数据图层叠加到影像上，例如将从地形图信息、当前天气状况与士兵在战场上的报告进行叠加，就能帮助制订军事任务计划。例如，在伊拉克的军队指挥官就曾利用此类图像查明有可能被狙击手利用的高层建筑，确定哪座桥梁已被摧毁，确定哪些小巷可能是伏兵的通道等。
新的影像同样受到地质学家、城市规划师和救灾官员的欢迎。非政府的公益团体把影像用于向政府施加压力以实践环境法和条约、追踪难民运动、探测非法废料堆，以及监视军控协议等方面的活动。与此同时，卫星影像清晰可见的细节和广泛的实用性增加了对国家安全的担忧。一位情报官员谈到：“每当引进一项强有力的新技术，就会引发一场关于把它用在何处的争斗。总而言之，这方面有益用途的潜力很高。但是，肯定也存在被滥用的可能——我们无疑会看到一些这样的情况。”
人们的主要关切之一是在军事侦察清晰度和精确度方面相互竞争的影像可能被威胁国家福祉的人员购买。例如，在战时，敌人可能将其用以攻击军队和军事装置的所在地。恐怖分子可能利用这种图像计划奇袭。美国空间司令部领导人理查德·B.迈尔斯（Richard B. Myers）将军警告说，政府必须决定武装冲突时要如何行事。“当你出售可能用以反对你的东西时，就会存在风险”。
不过，美国公司的操作受到许多安全限制。他们被禁止向若干国家的顾客出售图像，包括古巴和朝鲜。考虑到国家安全利益，政府可以划定任何禁区。例如，2001年9月11日之后不久，五角大楼就从空间成像公司购买了阿富汗和巴基斯坦所有卫星影像的专有权。
思考题
圣弗朗西斯科国际机场的卫星影像。
资料来源：©
2000 Space Imaging. All Rights Reserved.