地理信息數(shù)據(jù)獲取與處理關(guān)鍵技術(shù)——航空航天遙感技術(shù)

航空航天遙感技術(shù)概述

航空航天遙感具有無需接觸目標本身而對目標進行量測和解譯的特點，為快速獲取地理信息、物體能量光譜提供了最主要的技術(shù)手段，其獲取的數(shù)據(jù)不僅是測繪基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的重要數(shù)據(jù)源，也是我們利用應(yīng)對城市“人口、環(huán)境、資源、災(zāi)害”四大問題的重要決策信息源，在城市測繪、農(nóng)林資源調(diào)查、全球變化、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測和評估等各領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用（李幸麗等，2006）。由于航空航天遙感數(shù)據(jù)具備真實、高效反映客觀物體或目標，信息豐富逼真，可量測等特點，人們可以從中獲取所研究物體的大量幾何信息和光譜信息。因此航空航天遙感數(shù)據(jù)成為北京市更新基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的重要資料源，近年來，隨著數(shù)碼航空攝影、無人機航空攝影、高分辨率航天遙感技術(shù)、雷達成像技術(shù)、海量遙感影像并行處理技術(shù)的飛速發(fā)展，航空航天遙感數(shù)據(jù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣。

航空航天技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢

近十年，隨著多種新型傳感器和遙感平臺的出現(xiàn)與成熟，航空航天遙感數(shù)據(jù)的獲取能力得以顯著增強，也為遙感數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，航空航天遙感正向高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率、多極化、多角度的方向迅猛發(fā)展。

1 對地觀測體系日益完善

包括美國航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）、加拿大太空局（CSA，Canadian Space Agency）、歐空局（ESA，European Space Agency）、日本航空航天探索局（JAXA，JapanAerospaceExploration Agency）等國家機構(gòu)已經(jīng)陸續(xù)建成各國航空航天對地觀測體系，我國目前也已初步建成全國衛(wèi)星遙感信息接收、處理、分發(fā)體系和衛(wèi)星對地觀測應(yīng)用體系和航空航天遙感數(shù)據(jù)獲取體系。我國已啟動“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”等重大專項，用于飛行平臺制造、傳感器研制、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品生成和分發(fā)等較完整的航天遙感系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

2 航空遙感獲取技術(shù)飛速發(fā)展
（1）數(shù)碼相機取代傳統(tǒng)模擬相機成為攝影測量數(shù)據(jù)獲取的重要手段

隨著CCD傳感器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字航空攝影已呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢，航空數(shù)碼相機的出現(xiàn)給我們在數(shù)據(jù)源獲取方面帶來了新的機遇。在2000年國際攝影測量與遙感學會（ISPRS）阿姆斯特丹大會上，航空數(shù)碼相機開始出現(xiàn)，與光學相機相比，數(shù)碼相機性價比高（省材料費），此后航空數(shù)碼相機的發(fā)展成為一個熱點。航空數(shù)碼相機主要以兩種方式發(fā)展：一種是基于線陣（Linear Array）的傳感器方式，代表產(chǎn)品有ADS40（ADS80、ADS100）；另一種是基于面陣（Plane Array）的傳感器方式，代表產(chǎn)品有DMC、UCD（UCX）等，此外還有步進式分幅成像的A3相機。國外產(chǎn)品問世的同時，我國大幅面航空數(shù)碼相機的研制也已初見端倪，國產(chǎn)SWDC-4型大幅面航空數(shù)碼相機的整體技術(shù)指標達到國際先進水平。

（2）IMU（Inertial Measurement Unit）/DGPS輔助航攝技術(shù)取得新發(fā)展

IMU/DGPS輔助航攝處理技術(shù)，使得數(shù)字化航空遙感集成獲取技術(shù)成為可能，即以IMU/DGPS和數(shù)碼航攝儀作為基礎(chǔ)平臺，根據(jù)其應(yīng)用目標來獲取全色、多光譜、彩色、彩紅外、DEM等合適的遙感數(shù)據(jù)，通過獲得測圖所需的每張像片高精度外方位元素，快速而正確的恢復影像獲取時的空間方位。長期以來，這一目標的實現(xiàn)是通過空中三角測量并借助大量地面控制點來間接實現(xiàn)的，隨著IMU/DGPS輔助空中三角測量技術(shù)發(fā)展，攝影測量幾何定位方法取得新突破，正朝著完全擺脫地面控制點束縛的方向大步邁進，給極端困難地區(qū)不用布測地面控制點帶來了可能。
3）輕小型低空遙感平臺日趨成熟

小型低空遙感平臺，尤其是無人機的發(fā)展歷史較短，最早應(yīng)用與軍方，但由于具有體積小巧、機動靈活、經(jīng)濟便捷、不需專用跑道起降、受天氣和空域管制的影響較小等優(yōu)勢，逐步轉(zhuǎn)到民用，并廣泛應(yīng)用于小范圍局部高分辨率遙感影像的快速、實時獲取，成為衛(wèi)星遙感、傳統(tǒng)航空攝影的有效補充，可以提高遙感技術(shù)在小范圍、局部區(qū)域的獲取水平和能力。無人小飛機航測系統(tǒng)已成為航空攝影中一只新生力量，為應(yīng)急測繪保障、國土資源遙感監(jiān)測、帶狀地形圖測繪、新農(nóng)村建設(shè)等多個方面提供新的技術(shù)手段。

3 航天遙感獲取技術(shù)飛速發(fā)展

隨著認識地球、研究地球的深入，人類逐漸將視點從地面、低空擴展到太空，對地球的觀測從航空遙感擴大到航天遙感，對后者在連續(xù)性、快速性、精確性等方面也提出了更高要求。對地觀測衛(wèi)星使人類更全面、清楚、深刻地了解地表及其周圍環(huán)境，成為人類在太空安裝的高效“千里眼”。目前對地觀測衛(wèi)星通常劃分為軍用和民用兩類用途，而且二者都有廣闊的應(yīng)用市場。

（1）高分辨率可見光和近紅外衛(wèi)星傳感器獲取能力提高

在高分辨率近紅外衛(wèi)星傳感器研制和應(yīng)用方面，軍用遙感衛(wèi)星和民用遙感衛(wèi)星在原理上并無二致，主要區(qū)別體現(xiàn)在衛(wèi)星地面分辨率上，民用遙感衛(wèi)星分辨率高低差異參差不齊，但其總體水平普遍在軍用衛(wèi)星之下。在軍用高分辨率近紅外遙感衛(wèi)星領(lǐng)域，美國鎖眼衛(wèi)星最為突出。它采用了大面陣探測器、大型反射望遠鏡系統(tǒng)、數(shù)字成像系統(tǒng)、自適應(yīng)光學成像技術(shù)、實時圖像傳輸技術(shù)等，分辨率可達0.1m。民用衛(wèi)星方面，亞米級衛(wèi)星傳感器成為VIR傳感器的主要發(fā)展方向，美國Digital Globe公司提供的QuickBird、WorldView-2和GeoEye-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分辨率分別可達0.61m、0.46m和0.41m，2014年中期預(yù)計發(fā)射WorldView-3，分辨率有望達到0.31m，法國軍民兩用光學成像遙感衛(wèi)星“昴宿星（Pléiades）”的分辨率達0.7m，以色列EROS-B號光學成像遙感衛(wèi)星分辨率達0.7m。我國民用高分辨率近紅外衛(wèi)星，包括高分一號分辨率已為2m，高分二號分辨率有望達到1m。

（2）合成孔徑雷達影像技術(shù)的發(fā)展

雷達遙感技術(shù)自20世紀50年代問世以來，由于雷達成像具有全天時、全天候、對地表有一定的穿透能力等對地觀測優(yōu)勢，得到迅速發(fā)展。雷達遙感技術(shù)首先在海洋軍事動態(tài)監(jiān)測、飛機偵查等軍事領(lǐng)域得到了應(yīng)用，之后才在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、水資源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外已成功將雷達圖像用于鑒別農(nóng)作物、研究農(nóng)作物生長狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，研究海洋變遷、海冰分布、海洋污染情況及海藻的生長等。在軍用高分辨率雷達成像遙感衛(wèi)星領(lǐng)域，美國“長曲棍球”衛(wèi)星堪稱“老大”，其分辨率達0.3m，德國的軍用衛(wèi)星“合成孔徑雷達-放大鏡”和意大利的軍民兩用衛(wèi)星“宇宙-地中海”，分辨率分別能達到0.5m和1m。此外，分辨率達1m的還有日本現(xiàn)役的第二代雷達成像“情報收集衛(wèi)星”、以色列的“技術(shù)合成孔徑雷達”衛(wèi)星、印度軍民兩用的雷達成像衛(wèi)星1號、2號等。主要的民用星載雷達包括德國的TerraSAR-X、意大利的Cosmo-SkyMed、加拿大的Radarsat-2等，機載雷達方面，2000年2月11日，美國發(fā)射的“奮進”號航天飛機上搭載SRTM系統(tǒng)，共計進行了222小時23分鐘的數(shù)據(jù)采集工作，獲取北緯60度至南緯60度之間總面積超過1.19億平方公里的雷達影像數(shù)據(jù)，覆蓋地球80%以上的陸地表面，制作成30m和90m格網(wǎng)的DEM。在我國，中國測繪科學研究院與中科院電子所聯(lián)合研發(fā)的機載合成孔徑雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)在基礎(chǔ)測繪領(lǐng)域取得新突破，研究成果在“國家西部1：5萬無圖區(qū)測圖工程”初步應(yīng)用，標志著我國自主研發(fā)的合成孔徑雷達遙感技術(shù)、合成孔徑雷達成像技術(shù)和基于合成孔徑雷達影像測圖技術(shù)已走出實驗室而進入了成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用完善階段。

4 航空航天遙感數(shù)據(jù)處理性能提高

隨著三線陣、大幅面航空數(shù)碼相機，高分辨率CCD衛(wèi)星傳感器的迅猛發(fā)展，攝影測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取能力有了空前的提高，同時也給空間數(shù)據(jù)的處理與存儲管理技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)，新一代數(shù)字攝影測量處理平臺進入實用化階段。隨著快速、自動化處理的流程和算法、并行計算技術(shù)、任務(wù)調(diào)度和負載平衡技術(shù)逐步成熟，數(shù)字攝影測量工作站由單機模式向集群模式發(fā)展，將計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、高性能計算技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字攝影測量與遙感技術(shù)結(jié)合起來，形成海量遙感影像并行處理系統(tǒng)，利用集群系統(tǒng)中各處理節(jié)點具有不同的處理能力，形成一個異構(gòu)的并行環(huán)境，通過合理調(diào)度不同的任務(wù)，實現(xiàn)計算節(jié)點的負載平衡，達到計算效率的最大化。海量遙感影像并行處理系統(tǒng)的出現(xiàn)，有效解決了海量遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)的瓶頸問題。主要的海量影像并行處理系統(tǒng)包括法國的像素工廠（PF， Pixel Factory）、加拿大PCI的GeoImaging Accelerator （GXL）、武漢大學新一代數(shù)字攝影測量數(shù)據(jù)處理平臺DPGrid、中國測繪科學研究院研制的PixelGrid、吉威數(shù)源的GeoWay CIPS等，這些系統(tǒng)為我們解決空間數(shù)據(jù)源的快速處理、DEM、DOM、DSM、DTM快速生產(chǎn)與制作、基礎(chǔ)地理信息的快速生產(chǎn)與更新提供了技術(shù)手段。

航空航天遙感技術(shù)在數(shù)字城市中的應(yīng)用

航空航天遙感技術(shù)作為“數(shù)字城市”建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，可以快速、準確地獲取城市發(fā)展、建設(shè)的有關(guān)信息，既有城市宏觀的全貌和綜合數(shù)據(jù)，又有城市的建筑、橋梁等微觀圖像和數(shù)據(jù)，可以全面、高效、實時地了解城市的發(fā)展變化（魯欣宇等，2007）。正是由于這種優(yōu)勢，航空航天遙感技術(shù)在“數(shù)字城市”建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用，具體應(yīng)用包括以下幾個方面：

1 城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)獲取

數(shù)字城市建設(shè)需要大量的空間基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括正射影像圖、數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字專題圖等，內(nèi)容包括道路、建（構(gòu)）筑物、水體、植被等專題，利用遙感技術(shù)可制作不同種類、各種比例尺的專題圖或影像圖，以滿足不同使用者的需求，從而推動數(shù)字城市建設(shè)的進程。

2 城市土地利用現(xiàn)狀調(diào)查

當前，城市用地類型很多，根據(jù)《GB/T 21020/2007土地利用現(xiàn)狀分類》，一般分為十大類，分別是居住用地、公共設(shè)施用地、工業(yè)用地、倉庫用地、對外交通用地、道路廣場用地、市政公用設(shè)施用地、綠地、特殊用地、水域和其他用地。通過獲取相應(yīng)的航空航天遙感資料，利用多時相、多源遙感數(shù)據(jù)變化檢測技術(shù)，繪制出土地利用現(xiàn)狀圖和演變圖，并測算出各類型用地的面積、分布、變化情況并預(yù)判發(fā)展趨勢，除定性、定量體現(xiàn)城市各種土地利用現(xiàn)狀外，遙感數(shù)據(jù)還可直觀和準確地獲得城市的總建筑密度、住宅房屋密度等城市用地特征參數(shù)。通過這些資料，可以在數(shù)字城市應(yīng)用中判斷城市布局是否合理，為城市制訂相應(yīng)的規(guī)劃、建設(shè)和管理決策服務(wù)。

3 環(huán)境要素的實時監(jiān)測的實現(xiàn)

隨著北京市建設(shè)加快、人口增多，環(huán)境問題已成為北京目前面臨的主要問題。數(shù)字城市另一個有效應(yīng)用就是使人們能夠掌握城市的環(huán)境狀況，為分析、研究及治理服務(wù)。環(huán)境質(zhì)量是指城市各環(huán)境要素本身及其組合受到污染影響的程度。隨著環(huán)境遙感的興起，使得遙感技術(shù)在這方面發(fā)揮了很大的作用。當前，利用高分辨率航空航天遙感影像獲取、分析可以輔助獲取固定廢棄物污染、大氣污染、熱污染和水污染等信息。

4 面向城市規(guī)劃的應(yīng)用

通過對比不同時期的遙感影像數(shù)據(jù)，可以從宏觀上把握城市動態(tài)、發(fā)展趨勢，從而更好地解決城市規(guī)劃應(yīng)用領(lǐng)域所遇到的問題。如基于多源航空航天遙感數(shù)據(jù)進行目標快速識別和提取技術(shù)、空間地與邊界提取和分析技術(shù)、空間信息處理技術(shù)，建立空間要素監(jiān)測體系，開展對建筑物、道路、水題、植被等空間重要要素的識別、監(jiān)測與評價。典型案例是利用高分辨率遙感影像，進行城市規(guī)劃違章建筑監(jiān)測（于靜等，2007）。