卫星遥感很大程度上是围绕着“电磁波—信号—数据—信息”的数字化转换过程来展开的（如图1所示），具体过程可以概述如下：自然界电磁辐射源（如太阳光）或卫星主动发射电磁波A，透过其传输的媒介B，与目标C发生相互作用，遥感卫星对电磁波进行采集与记录，形成数据D，通过数据传输分系统或者中继卫星把载有数据的调制信号E发送到地面，地面系统接收、解调和处理之后，输出得到不同级别的数据产品F，经过应用系统的反演和解译G，提取得到遥感应用信息产品H，从而理解并揭示人类社会活动和地球环境的相互作用规律，为人们生产和生活中的决策活动提供支持与帮助。

图1　从目标信号、数据获取到信息应用的转化过程

以上卫星遥感过程是由卫星遥感系统完成的，一般由数据获取系统和应用系统组成，可以分为正演过程和反演过程（如图2所示），其中正演是指通过电磁波与物体的相互作用，获取、测量、处理获得相关数据（通过数据获取系统得到），即通过前向模型R=f{a，b，c，d，e}，由{a}，{b}，{c}，{d}，{e}获得{R}的过程；而反演则是提取数据载有的信息（通过应用系统得到），即通过逆向模型a=g{R，b，c，d，e}，由{R}，{b}，{c}，{d}，{e}获得{a}的过程。以植被遥感为例，植被{a}：包括植被组分（叶、茎等）的光学参数（反射、透射等）、结构参数（几何形状、植株密度等）及环境参数（温度、湿度等）；地面{b}：包括反射、吸收、粗糙度、含水量等；辐射源{c}：包括阳光照射的谱密度、方向等；大气{d}：包括大气组分及特性、大气透过率、背景辐射等；遥感数据获取系统{e}：包括与植被的几何关系、响应、噪声等；{}表示特征及参数集合。

图2　遥感的正演和反演过程示意图

卫星遥感的数据获取正演过程和信息提取反演过程非常复杂，不同类型的遥感器也存在较大的差别。为了较好地说明这两个过程，举一个多光谱遥感用于树木生长状态情况监测的例子。

首先说一下卫星遥感的数据获取过程，多光谱相机作为一种光学遥感器，既可以对物体成像，又可以测量物体的光谱特征。不同的树木，如松树、柳树、榕树、梧桐，等等，在可见近红外谱段有着不同的光谱反射特征，同时它们在不同生长状态的光谱特征也有所不同（如图3所示）。当照射在这些树木上的太阳光被反射时，其反射光中就包含了它们的光谱特征。装载在卫星平台上的多光谱相机可以接收到来自不同树木的反射光、散射光，生成含有图像和光谱信息的遥感数据，并将遥感数据通过信号调制发回地面。地面系统接收信号，加工处理后将图像数据传送给遥感应用系统。以上过程可以称为卫星遥感的数据获取正演过程。以上图像数据获取过程，受到多个成像环节各种要素的影响。太阳光下行穿过大气，树木等目标反射其光照，再上行穿过大气，到达多光谱相机入瞳处，经过光学镜头聚光收集、探测器光电转换、电子学放大量化等生成数字信号，经过压缩和调制之后由数传传送到地面。在这个过程中，会受到大气的吸收散射和湍流、光学镜头畸变、调制传递函数（MTF）、噪声、杂光、误码等多种要素的影响。地面系统接收数据后，经过信号解调、数据解压缩、相对辐射校正、大气校正、图像复原、几何校正等步骤，在得到单个谱段图像数据的基础上，通过对多个谱段的图像进行融合，得到最终图像数据产品。

图3　植被不同生长状态的光谱特征不同

为了从多光谱融合的图像数据中提取信息，需要在对多光谱图像数据产品进行绝对辐射定标的基础上，根据不同树木的光谱反射特征库，经过遥感应用系统的反演，提取不同时间的树木生长状态信息（如图4所示），从而获得树木分布情况和不同生长状态等信息产品，由此完成卫星遥感的信息提取反演过程。从多光谱图像中提取树木信息的过程也非常复杂，通常需要多个步骤来完成。第一步，需要结合多光谱相机的光谱响应特性曲线和绝对辐射定标数据，反推出在探测器上的辐亮度；第二步，需要结合相机光学部分的特性和探测器的光电转换特性参数，反推出相机入瞳处的辐射率；第三步，由卫星姿态等外方位元素和相机内方位元素等几何定标参数，将各像元定位到地表的不同位置，用以确定树木的具体位置；第四步，结合大气状况和大气辐射传输特性，反推地面的光谱出射度；第五步，结合成像时刻太阳、地表和卫星的位置关系，反推树木的光谱反射率；最后，根据不同树木的光谱反射率曲线，提取树木分布以及生长状态等信息。以上过程可以称为卫星遥感的信息提取反演过程。

图4　根据不同光谱特征反演树木的分布和生长状态

值得一提的是，无论是遥感数据获取的正演过程，还是从遥感数据中提取目标信息的反演过程，均需要深入地理解其物理规律，对由电磁波到数据的生成过程理解得越透彻，信息反演的应用模型越精确，得到的有用信息就越多。