量 子 遥 感 研 究

量子遥感研究

当今科学技术的发展和经济建设的迫切需求，对遥感科学技术提出了更高的要求。遥感应用领域的扩大，要求在新的层次上解决许多应用基础问题，如遥感信息、成像机理、电磁波辐射传输模型与地学影像特征规律等。新一代遥感仪器的遥感原理论证以及在遥感技术应用的理论和方法等方面都需要继续深入地开展研究。所以，根据遥感科技面临上述的挑战与困难，以及信息科学技术发展、量子信息技术、数字地球行星探测和国防安全的需要，我们对量子遥感进行了探索和研究，试图创建其理论和技术体系。

很长时间以来，遥感在基础理论、技术水平与应用研究的各种传感器、模型和计算误差一直有未解决的问题，其主要原因是遥感所探测的地球表面是一个复杂的巨系统。量子遥感的提出主要基于21世纪人类将全面进入信息时代，现代科学技术进一步向着综合集成和智能化的方向发展，它将有利于对复杂自然环境时空信息获取与融合处理的应用。

量子遥感概念

遥感一词来自英语Remote Sensing，即“遥远的感知”。广义的遥感泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）场等的探测。狭义的遥感是指应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析来揭示出物体的特性、性质及其变化的综合性探测技术。

量子遥感是反映遥感在量子层次上运动规律的理论与方法，即反映遥感微观微粒运动规律的理论，是以多时空、动态的地球表面系统为研究对象，以量子遥感信息、量子遥感技术、量子遥感通讯、量子遥感计算、量子遥感网络和计算机信息处理为主体的技术系统。随着量子遥感的出现，人们对于遥感信息机理、遥感计算、遥感技术及遥感的认识将会更加深入，从而能更深刻地掌握遥感的物理和化学信息及其规律，为利用这些规律服务于遥感理论、技术、应用和产业化开辟广阔的途径。

量子遥感与遥感的区别

遥感的基础理论是建立在经典物理学上的，主要是电磁波理论，它以电磁波传输方程为表达方式，对应的方程是麦克斯韦方程；而量子遥感以量子力学为基础理论，它主要以量子态为表达方式，对应的方程是薛定谔方程。两者在理论和方法上有着本质的不同。现代物理学研究的是由少数粒子构成的“小”体系。如果知道了支配这些粒子的基本定律，原则上就可以预言由大量粒子构成的宏观物理体系的行为，这也正是量子遥感的研究意义所在。量子遥感的研究会给遥感提供更有力的证据，对遥感中未解决的问题从深层次上进行分析和研究，从而找到根本的解决方法。

量子遥感与遥感在光谱尺度上不同，其波段划分级别从目前纳米级遥感的10-7～10-10米细化至10-10～10-15米。成像光谱仪能获得整个可见光、近红外、短波红外、热红外波段的多而很窄的连续光谱波段。波段数（或通道数）多至几十甚至数百个，波段间隔在纳米级内，一般为10～20纳米，个别达到2.5纳米，目前的最高光谱分辨率在1纳米左右，而量子遥感的光谱分辨率在0.1～10－4纳米。量子遥感的光谱波段间隔更小，这中间包含着在更深层次上分析研究地物的波谱特性与波段特征的可能性，也就存在提高对各种地物识别精度的现实性。

遥感器是遥感的信息源，基于上述理论和方法不同，量子遥感与遥感在遥感器的设计方面也不同，最重要的是各自收集的信号不同。因此在设计收集器时，它们的结构会有很大的不同。量子遥感器对硬件的要求要更高、更精密。

遥感是一种远离目标，通过非直接截获进而判定、测量并分析目标性质的技术。从本质上说就是对地球表面的地学过程和现象进行非接触式的物质量测量，即通过远离地面的遥感器来收集、获取量化的信息，再通过光学和计算机的处理、反演和复原来分析和揭示自然现象和过程的规律，从空中和空间实现对地观测。可以认为，遥感信息是遥感的精髓，遥感的整个过程都是围绕遥感信息而展开的。量子遥感是以多时空、动态的地球表面系统为研究对象，以量子遥感技术、量子通信、量子计算网络和计算机信息处理为主体的技术系统。量子遥感的核心和目的是深入探索遥感信息机理、客观准确地计算模型方法和图像处理以及开创量子遥感信息技术产业。

量子遥感研究与实验

量子遥感包括基础理论与模型、量子遥感信息机理、量子遥感实验、量子遥感计算、量子遥感技术、量子遥感通讯、量子遥感网络和量子遥感应用等几部分。量子遥感提出以后，在基本概念、研究思路、基础理论和模型上进行了探索研究，目前还在不断完善中。在已有的研究内容基础上，我们对量子遥感的量子计算、量子网络传输等信息处理方面也进行了研究。

在实验研究方面，基于理论研究的成果我们进行了量子遥感中远红外实验研究。红外光是靠分子振动－转动跃迁辐射引起的，红外吸收透射带的位置、波峰数目以及谱带的强度都可以反映分子结构上的特点，可以用来鉴定物质的组成。红外光谱分析特征性强，因此对中远红外光谱的研究将会对研究遥感机理有很大的帮助，而且很有可能会帮助我们解决在遥感中出现的难题，并且在量子遥感光谱的精细结构分析中，中远红外的光谱分析也是一个非常重要的组成部分。

目前红外在物理化学中的应用已经非常广泛，但是其在遥感应用的范围还是很有局限的，远红外（即热红外）也主要还是用于热辐射。在此次的中远红外实验中，从另外一个角度透射来研究其光谱，这将为红外在量子遥感中的应用研究开辟一种新的思路。

不同波长的电磁波与物质的相互作用有很大差异。也就是物体在不同波段的光谱特征差异很大，所以光谱特征是遥感最基本的特征。因此，我们研制各种不同的探测器和设计多种不同的波谱通道来采集信息。对于遥感信息的多波段特性，我们多用光谱分辨率来描述。在本次实验中，我们每组样本都选用了9个不同的光谱分辨率的光谱曲线来进行比较。

为了更好地研究量子遥感的光谱，我们在做实验之前对全国的实验室进行了调研，并进行了仔细的研究，最后确定选用傅立叶变换光谱仪作为实验仪器，主要是因为傅立叶变换光谱仪具有多通道和高通量的优点，其光谱分辨率为0.09厘米-1。具体实验的流程可概括为：先选取好实验样本，然后用不同的分辨率对不同的样本分别进行光谱测量，最后导出数据进行处理并做出光谱图。实验中采用了两个实验样本，分别为3.0密耳(mil)的聚苯乙烯和1.5密耳(mil)的聚苯乙烯(其中1mil=0.001mm)。本次实验数据是用Origin软件来进行处理的。光源发出的辐射经干涉仪转变为干涉光再通过实验样本后，包含的光信息需要经过数学上的傅立叶变换解析成普通的光谱图，所以在实验结果中透射率既有大于100％的也有小于0的。

在多光谱遥感中，可见光波段对水体的透射能力最多可以达到30米（对清水）。中红外遥感的透射能力是很弱的。在热红外遥感中，我们通常会假设研究目标是不透明体，即透射率为0。但是在我们的实验中显然样本在这个波段内透射率还是很高的，这有可能会为我们在量子遥感的热红外波段研究提供很好的资料。红外吸收透射带的位置、波峰数目以及谱带的强度都可以反映分子结构上的特点，可以用来鉴定物质的组成。红外光谱分析特征性强，它在许多学科中已经得到了广泛的应用。

我们通过对上述实验的结果分析得出以下三个结论。

第一，从实验的光谱曲线来看，分辨率越大图像的细节显示就越多，32纳米相当于多光谱的光谱分辨率。光谱曲线比较平滑，只能反映样本的光谱反映趋势，细节的特征比较难看出。对于样本的组成成分更是难以分析，从曲线上无法判别。从在高光谱分辨率范围之内的16纳米的光谱图上看，细节信息明显比32纳米的光谱曲线多，样本在红外波段的透射信息比较详细。在1500波数附近和3000波数附近，出现了32纳米没有的透射波谷。分辨率越大,采样间隔越小, 所以曲线的细节越多。从所有的光谱曲线上看，样本的大体透射规律为：在远红外波段的透射率远大于在中红外波段的透射率。但是在波数3000左右出现了实验中的透射最低谷，而透射最高峰却在中红外波数500左右。

第二，本次实验的样本是固体，实验显示的光谱曲线说明了中远红外对固体的透射能力是我们以前不曾注意的，这也使热红外遥感不仅仅应用于热辐射的研究中，并且为我们在量子遥感光谱的精细结构研究中提供了依据。

第三，本次实验的透射光谱曲线可以很好的反映物质的组成，这将会对遥感中的混和像元的分析研究提供一个新的研究方法。

[1] 毕思文.量子遥感的概念、框架与内涵探索研究．红外与毫米波学报，2003，22（增刊）：1

[2] 遥感研究会（日）.遥感精解.刘勇卫，贺雪鸿译.北京，测绘出版社，1993

[3] 赵英时等．遥感应用分析原理与方法.北京，科学出版社，2003

[4] 威切曼．量子物理学. 复旦大学物理系译.北京，科学出版社，1978

[5] 毕思文，韩力群. 量子遥感光谱的精细结构. 红外与毫米波学报，2003，22（增刊）：45

[6] 毕思文，韩力群. 量子遥感的光的发射与吸收机理. 红外与毫米波学报，2003，22（增刊）：29

[7] 李小文，汪骏发，王锦地等．多角度与热红外对地遥感．北京，科学出版社，2001

关键词：遥感  量子遥感  中远红外实验  光谱图
遥感与量子遥感比较

比较项目	遥感	量子遥感
目标物特性	任何目标物都有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感的信息源。目标物与电磁波的相互作用，构成了目标物的电磁波特性，它是遥感探测的依据。	微观粒子具有波动－粒子二象性，其运动状态的描述方式及其随时间演化的规律是用描述粒子状态的波函数和量子态来表示的。
信息获取	接受、记录目标物电磁波特征的仪器，称为传感器或遥感器。如：扫描仪、雷达、摄影机、摄像机、辐射计等。	接受、描述目标粒子状态特征的遥感器。
信息接收	传感器接收到目标地物的电磁波信息，记录在数字磁介质或胶片上。胶片是由人或回收舱送至地面回收，而数字介质上记录的信息则可以通过卫星上的微波天线传输给地面的卫星接收站。	量子通讯是量子遥感信息接收的基础。1993年，利用纠缠态远程传送量子态信息的实验成功更说明了这一点。
信息处理	地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息，记录在高密度的磁介质上，并进行一系列的处理，如信息恢复、辐射纠正、卫星姿态校正、投影变换等，再转换为用户可使用的通用数据格式，或转换成模拟信号（记录在胶片上），才能被用户使用。地面站或用户还可以根据需要进行精纠正处理和专题信息处理、分类等。	需要用量子计算、量子信息技术、量子计算机以及量子网络来进行处理。

（a）	（b）

实验样本的光谱图  图中（a）、（b）两图分别为3.0mil和1.5mil样本的所有分辨率曲线的叠加图。两图都列出了样本的9个不同分辨率（分别是0、125、0.25、0.5、1、16、2、32、4、8）的光谱图的叠加，波数范围约从500到3400，波段范围都大约在3～20微米。虽然两个样本只是厚度不同，但是它们的光谱曲线还是有很大的区别的。在波数为1500左右时也就是中远红外的分界处，两图曲线起伏都较大，这与仪器的结构原理以及样本的自身成分有很大关系。