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(biāo)本身而對目標(biāo)進(jìn)行量測和解譯的特點(diǎn)，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(shí)、高效反映客觀物體或目標(biāo)，信息豐富逼真，可量測等特點(diǎn)，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(jī)航空攝影、高分辨率航天遙感技術(shù)、雷達(dá)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(tái)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(qiáng)，也為遙感數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用帶來了新的機(jī)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(shí)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(jī)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(dòng)“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”等重大專項(xiàng)，用于飛行平臺(tái)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(jī)取代傳統(tǒng)模擬相機(jī)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(jī)的出現(xiàn)給我們在數(shù)據(jù)源獲取方面帶來了新的機(jī)遇。在2000年國際攝影測量與遙感學(xué)會(huì)（ISPRS）阿姆斯特丹大會(huì)上，航空數(shù)碼相機(jī)開始出現(xiàn)，與光學(xué)相機(jī)相比，數(shù)碼相機(jī)性價(jià)比高（省材料費(fèi)），此后航空數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展成為一個(gè)熱點(diǎn)。航空數(shù)碼相機(jī)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(jìn)式分幅成像的A3相機(jī)。國外產(chǎn)品問世的同時(shí)，我國大幅面航空數(shù)碼相機(jī)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(jī)的整體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)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(tái)，根據(jù)其應(yīng)用目標(biāo)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(fù)影像獲取時(shí)的空間方位。長期以來，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是通過空中三角測量并借助大量地面控制點(diǎn)來間接實(shí)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(diǎn)束縛的方向大步邁進(jìn)，給極端困難地區(qū)不用布測地面控制點(diǎn)帶來了可能。
3）輕小型低空遙感平臺(tái)日趨成熟

小型低空遙感平臺(tái)，尤其是無人機(jī)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(jī)動(dòng)靈活、經(jīng)濟(jì)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(shí)時(shí)獲取，成為衛(wèi)星遙感、傳統(tǒng)航空攝影的有效補(bǔ)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(jī)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(gè)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(rèn)識地球、研究地球的深入，人類逐漸將視點(diǎn)從地面、低空擴(kuò)展到太空，對地球的觀測從航空遙感擴(kuò)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(yuǎn)鏡系統(tǒng)、數(shù)字成像系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)成像技術(shù)、實(shí)時(shí)圖像傳輸技術(shù)等，分辨率可達(dá)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(dá)0.61m、0.46m和0.41m，2014年中期預(yù)計(jì)發(fā)射WorldView-3，分辨率有望達(dá)到0.31m，法國軍民兩用光學(xué)成像遙感衛(wèi)星“昴宿星（Pléiades）”的分辨率達(dá)0.7m，以色列EROS-B號光學(xué)成像遙感衛(wèi)星分辨率達(dá)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(dá)到1m。

（2）合成孔徑雷達(dá)影像技術(shù)的發(fā)展

雷達(dá)遙感技術(shù)自20世紀(jì)50年代問世以來，由于雷達(dá)成像具有全天時(shí)、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(dá)遙感技術(shù)首先在海洋軍事動(dòng)態(tài)監(jiān)測、飛機(jī)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(dá)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(dá)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(dá)0.3m，德國的軍用衛(wèi)星“合成孔徑雷達(dá)-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(dá)到0.5m和1m。此外，分辨率達(dá)1m的還有日本現(xiàn)役的第二代雷達(dá)成像“情報(bào)收集衛(wèi)星”、以色列的“技術(shù)合成孔徑雷達(dá)”衛(wèi)星、印度軍民兩用的雷達(dá)成像衛(wèi)星1號、2號等。主要的民用星載雷達(dá)包括德國的TerraSAR-X、意大利的Cosmo-SkyMed、加拿大的Radarsat-2等，機(jī)載雷達(dá)方面，2000年2月11日，美國發(fā)射的“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)上搭載SRTM系統(tǒng)，共計(jì)進(jìn)行了222小時(shí)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(dá)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(xué)研究院與中科院電子所聯(lián)合研發(fā)的機(jī)載合成孔徑雷達(dá)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(biāo)志著我國自主研發(fā)的合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)和基于合成孔徑雷達(dá)影像測圖技術(shù)已走出實(shí)驗(yàn)室而進(jìn)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(jī)，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(shí)也給空間數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)管理技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)，新一代數(shù)字?jǐn)z影測量處理平臺(tái)進(jìn)入實(shí)用化階段。隨著快速、自動(dòng)化處理的流程和算法、并行計(jì)算技術(shù)、任務(wù)調(diào)度和負(fù)載平衡技術(shù)逐步成熟，數(shù)字?jǐn)z影測量工作站由單機(jī)模式向集群模式發(fā)展，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、高性能計(jì)算技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字?jǐn)z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(diǎn)具有不同的處理能力，形成一個(gè)異構(gòu)的并行環(huán)境，通過合理調(diào)度不同的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的負(fù)載平衡，達(dá)到計(jì)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(xué)新一代數(shù)字?jǐn)z影測量數(shù)據(jù)處理平臺(tái)DPGrid、中國測繪科學(xué)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(zhǔn)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(shí)時(shí)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(gè)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(dòng)數(shù)字城市建設(shè)的進(jìn)程。

2 城市土地利用現(xiàn)狀調(diào)查

當(dāng)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(shí)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(zhǔn)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(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)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(gè)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(dāng)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(shí)期的遙感影像數(shù)據(jù)，可以從宏觀上把握城市動(dòng)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(jìn)行目標(biāo)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(jià)。典型案例是利用高分辨率遙感影像，進(jìn)行城市規(guī)劃違章建筑監(jiān)測（于靜等，2007）。