中國海監(jiān)航空遙感設(shè)備的應(yīng)用前景分析

羅志清，蔣博文，張曼祺，徐 科，章 悅

（1.中國海監(jiān)總隊 北京 100860；2.中國海監(jiān)東海航空支隊 上海 200137）

中國海監(jiān)航空遙感設(shè)備的應(yīng)用前景分析

羅志清1，蔣博文2，張曼祺2，徐 科2，章 悅2

（1.中國海監(jiān)總隊 北京 100860；2.中國海監(jiān)東海航空支隊 上海 200137）

我國海洋面積遼闊、海島眾多、海岸線漫長，海島海岸帶地貌類型復(fù)雜多樣，為了摸清海島海岸帶環(huán)境資源的現(xiàn)狀和潛力，為海洋開發(fā)利用、生態(tài)與環(huán)境保護、防災(zāi)減災(zāi)等海洋綜合管理和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)，作為擔負我國管轄海域巡視監(jiān)察的中國海監(jiān)總隊自2005年以來，引進了機載激光雷達、機載航空攝影測量系統(tǒng)、高光譜及機載雙譜掃描儀等航空遙感設(shè)備。文章主要就中國海監(jiān)總隊航空遙感設(shè)備應(yīng)用前景進行分析。

機載激光雷達；航空數(shù)碼相機；機載成像光譜儀；機載雙譜掃描儀

我國海洋面積遼闊、海島眾多、海岸線漫長、海島海岸帶地貌類型復(fù)雜多樣，有城市、港口、森林、濕地和海洋等。中國海監(jiān)總隊的主要職能是依照有關(guān)法律和規(guī)定，對我國管轄海域（包括海岸帶）實施巡航監(jiān)視，查處侵犯海洋權(quán)益、違法使用海域、損害海洋環(huán)境與資源、破壞海上設(shè)施以及擾亂海上秩序等違法違規(guī)行為，并根據(jù)委托或授權(quán)進行其他海上執(zhí)法工作。為了摸清海島海岸帶環(huán)境資源的現(xiàn)狀和潛力，為海洋開發(fā)利用、生態(tài)與環(huán)境保護、防災(zāi)減災(zāi)等海洋綜合管理和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)，作為擔負我國管轄海域巡視監(jiān)視的中國海監(jiān)總隊自2005年以來，引進了機載激光雷達、機載航空攝影測量系統(tǒng)、高光譜及機載雙譜掃描儀等航空遙感設(shè)備，開展了大量的航空遙感調(diào)查工作。

由于機載設(shè)備的性能指標僅關(guān)系到數(shù)據(jù)獲取的效率與質(zhì)量，本研究主要就中國海監(jiān)總隊航空遙感設(shè)備的原理及應(yīng)用前景進行分析。

1 機載激光雷達ALS50

用激光作為遙感設(shè)備可追溯到40多年以前，但機載激光雷達測量技術(shù)直到最近20年才取得重大進展。ALS50是Leica Geosystems公司生產(chǎn)的機載激光掃描集成系統(tǒng)，內(nèi)置高分辨率量測級數(shù)碼相機，具有自動數(shù)據(jù)標志功能，在飛行過程中可同時記錄激光的距離信息、GPS定位信息、慣性定向信息、最多4次回波記錄信息。

1.1 ALS50的工作原理

ALS50的工作原理是將激光脈沖測距儀放置在飛行器上，通過記錄激光脈沖從發(fā)射到經(jīng)地面目標物反射后的時間延遲，然后再乘以光速c，來確定發(fā)射點到地面反射點的斜距。與此同時慣性測量系統(tǒng)（IMU）測定飛行器在空間的姿態(tài)參數(shù)（側(cè)滾角、仰俯角和航向角），GPS提供飛行器精確的位置信息。在后處理過程中，聯(lián)合IMU確定的姿態(tài)信息、GPS測定的飛機航跡信息以及激光脈沖測定的傾斜距離，可求出每個激光焦點精確的三維空間直角坐標。通過掃描，就可獲得具有一定帶寬的大量地面點的三維坐標［1］。

ALS50數(shù)據(jù)最主要的作用是提取DEM。利用ALS50系統(tǒng)進行測高作業(yè)，根據(jù)不同的航高，其平面精度可以達到0.15～1m，高程可達到10cm以內(nèi)，地面分辨率甚至可達到厘米級，能為測繪工程、數(shù)字地圖和GIS應(yīng)用提供精確的空間坐標信息和三維模型。ALS50數(shù)據(jù)另一個作用就是可以對地物進行分類。ALS50可記錄4個脈沖回波，因而不但能區(qū)分森林頂部的樹冠和森林下面的地面，還可區(qū)分森林間的構(gòu)造和地面到樹冠間的狀況。

1.2 ALS50的應(yīng)用

ALS50在許多領(lǐng)域得到普遍使用。除了用于獲取三維地形表面模型外，ALS50已經(jīng)成功應(yīng)用于公路設(shè)計、管線、水利、洪水、城市三維模型的構(gòu)建、高壓線監(jiān)測、地面和大壩的變形測量、森林和樹木高度的測量。

1.2.1 海岸帶工程建設(shè)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國海岸帶已處于三度空間的立體化開發(fā)狀態(tài)，沿海地區(qū)大量興建港口、碼頭、鋼鐵廠和核電站等。ALS50可為這些工程建設(shè)提供高精度地面高程模型（DEM），以方便設(shè)計和施工土方量的精確計算。

1.2.2 林業(yè)調(diào)查

ALS50的最早商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域之一即為林業(yè)，森林和國土管理部門需要森林及樹冠下面準確的地形數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)技術(shù)下，樹高與樹的密度是很難獲取的信息。ALS50在勘測樹冠下地形的同時，還可以測量樹的高度。在數(shù)據(jù)后處理中，獨立的激光返回值可分為植被返回值和地面返回值，由此可計算出許多與林業(yè)相關(guān)的信息，如樹高、樹冠覆蓋、材質(zhì)和生態(tài)環(huán)境等，這些是常規(guī)航空攝影測量或地面測量技術(shù)難以獲取的信息。

1.2.3 水利監(jiān)測

ALS50對于河流監(jiān)控和治理有著極其重要的意義，利用ALS50產(chǎn)生的三角網(wǎng)高程值可以用某一顏色賦值渲染，水利部門可直觀預(yù)測洪水的范圍，可測算出水位淹沒區(qū)域面積以及其危害程度，制訂防災(zāi)減災(zāi)方案及補救措施，進行有效的水利工程設(shè)計。

1.2.4 電力輸送方面

在進行電力線路設(shè)計時，通過ALS50可以了解整個線路設(shè)計區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素情況。尤其在樹木密集處，可以估算出需要砍伐樹木的面積和木材量。在進行電力搶修的維護時，根據(jù)電力線路上的ALS50數(shù)據(jù)點和相應(yīng)的地面裸露點，可以測算出任意一處線路距離地面的高度，極大地方便電網(wǎng)布設(shè)、搶修和維護管理。

1.2.5 數(shù)字城市方面

ALS50系統(tǒng)在城市中更能體現(xiàn)其不受航高、陰影遮擋等限制的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)處理更具特色，廣泛用于城市規(guī)劃中的大比例尺地形數(shù)據(jù)獲取［2］。利用ALS50數(shù)字地面模型DEM與GIS系統(tǒng)有機的結(jié)合，可以建立和完善“數(shù)字城市”系統(tǒng)，并可對數(shù)據(jù)進行實時更新。

2 航空攝影數(shù)碼相機ADS80

ADS80采用線陣CCD推掃式數(shù)字成像技術(shù)，集成了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和高精度慣性測量系統(tǒng)（IMU），其成果可以直接用于測繪生產(chǎn)作業(yè)，和其他數(shù)碼相機相比，最顯著的優(yōu)點就是能夠最大限度地減少了外業(yè)控制測量工作，提高了攝影測量的工作效率和成果質(zhì)量。此外，ADS80采用CCD傳感器設(shè)計的專業(yè)鏡頭，并采用層疊光束分離技術(shù)和干涉濾光技術(shù)，具有更好的光譜分離能力，保證了多光譜影像具有更準確的光譜信息，更好地滿足了影像分類的要求。ADS80一次飛行就可同時獲取100%重疊的3個全色波段、2個彩色波段、2個紅外波段的相同分辨率的立體影像。

ADS80高分辨率航空遙感影像的分辨率達到0.05～0.2m左右，能監(jiān)測出地面2m2左右的變化，具有廣泛的應(yīng)用價值，它可以應(yīng)用于城市規(guī)劃、建設(shè)和管理以及大型工程選址、房地產(chǎn)管理和水利等許多領(lǐng)域。

3 機載成像光譜儀AISA＋

高光譜遙感是20世紀80年代發(fā)展起來的一種具有重大突破性的遙感技術(shù)，與僅紀錄幾個相對較寬波段的多光譜遙感相比，它是在電磁波譜的可見光、近紅外區(qū)域，獲取許多波段非常窄且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)技術(shù)。由于高光譜成像系統(tǒng)獲得的連續(xù)波段寬度一般在10nm以內(nèi)，因此高光譜影像數(shù)據(jù)能以足夠的光譜分辨率識別那些具有診斷性光譜特征的地標物質(zhì)。多光譜遙感技術(shù)是無法探測到這些信息的，因為它們的波段寬度一般在幾十個納米，且在光譜上不連續(xù)。高光譜為遙感信息的定量化分析與應(yīng)用提供了一種有效的手段，已在地質(zhì)、生態(tài)、水文和海洋等領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用。

3.1 AISA＋系統(tǒng)

AISA＋是由芬蘭Specim公司制造的推掃系統(tǒng)，包括一個高光譜掃描頭、一臺微型GPS/INS傳感器和一臺PC數(shù)據(jù)獲取單元。它是一臺航空成像光譜儀，是既能對地面目標成像又可以測量目標光譜特性的光學探測器。AISA＋機載高光譜成像儀獲取數(shù)據(jù)的光譜范圍為400～970nm之間，最小波長間隔為2.3 nm。一次最多可獲取244個波段的影像數(shù)據(jù)。一方面可以獲取影像信息；另一方面又可以獲取地物的光譜信息。傳感器的視場角為39.7°，飛行1 000m處獲得數(shù)據(jù)的地面分辨率為1.41 m，空間分辨率比較高。但每次掃描空間象元數(shù)只有512個，飛行獲取數(shù)據(jù)幅寬較窄［3］。

3.2 AISA＋的用途

3.2.1 大氣環(huán)境研究領(lǐng)域

可應(yīng)用于大氣水汽含量與分布估算、氣溶膠光學厚度估計以及大氣光學特性評價等，尤其是氣溶膠光學厚度估算邊界層大氣環(huán)境質(zhì)量，為城市大氣環(huán)境的研究提供了新的手段。

3.2.2 城市環(huán)境領(lǐng)域

航空高光譜遙感的顯著特點使得其對于解決復(fù)雜的城市下墊面分類等問題獨具優(yōu)勢，并已取得良好效果。

3.2.3 生物量估算等領(lǐng)域

航空高光譜遙感在植被參數(shù)估算與分析、植被長勢監(jiān)測與估產(chǎn)及生物量估算等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是近年來與逐步興起的多角度遙感結(jié)合，建立與完善了雙向反射模型，可以更精確地反演植被參數(shù)。

3.2.4 地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域

地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域研究是機載高光譜遙感較為成功的一個應(yīng)用領(lǐng)域，其成果主要表現(xiàn)在兩個方面：利用SAM等分類方法進行樣式識別與分類，制作基礎(chǔ)地質(zhì)圖；利用定量遙感模型，確定巖礦分布，反演礦物的豐度分布［4］。

3.2.5 海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域

在海洋及內(nèi)陸水環(huán)境的研究中，機載高光譜遙感應(yīng)用涉及的內(nèi)容是反演水體的特征，包括懸浮物含量、葉綠素富集度和水體深度等［4］。高光譜遙感以特有的高光譜分辨率，對水體泥沙含量和污染濃度能有效識別，對調(diào)查和監(jiān)測水環(huán)境具有獨到的效果，可以反映水體的特征，包括懸浮物含量、葉綠素富集度和水體深度等。成像光譜數(shù)據(jù)精細的光譜特征和連續(xù)的譜段信息，可以排除大氣干擾，分離水體近表層的后向散射輻射，區(qū)分和探測特定的藻類色素，還可對赤潮優(yōu)勢物種進行識別。

3.2.6 地表含水量和質(zhì)地探測

高光譜影像對地表含水量的變化敏感，通過分析光譜特性的微小變化，可以探測到不同含水量地表的細微差別，土壤水分含量等特性的細微差異，在高光譜影像上都可以反映。借助高光譜影像連續(xù)光譜的特點，可以探測不同的土壤和巖石的質(zhì)地［5］。

3.2.7 土壤荒漠化、鹽漬化的定量探測

土壤鹽漬化在一定程度上是一種嚴重的環(huán)境災(zāi)害，它造成了資源的破壞、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大損失，對生物圈和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。通過對土壤鹽分含量高光譜定量反演技術(shù)方法的研究，可以實現(xiàn)土壤鹽漬化定量分析。及時探測土壤鹽漬化信息，評價鹽漬化程度，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境保護至關(guān)重要［5］。

3.2.8 林業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域

高光譜遙感技術(shù)具有豐富的光譜信息優(yōu)勢，在森林資源調(diào)查與分類，以及森林火災(zāi)監(jiān)測和評估、森林病蟲害監(jiān)測和森林資源變化等監(jiān)測方面提供了廣闊的應(yīng)用前景，為科學而實時地進行森林資源管理提供了新的技術(shù)手段。

4 機載雙譜掃描儀ABS

ABS機載雙譜掃描儀是由美國AgonST公司制造，具有紫外、熱紅外兩個通道的航空遙感設(shè)備。其中紫外通道波長0.32～0.38μm（UV）、熱紅外通道波長8.5～12.5μm（LWIR）。紫外通道只能是在白天并且具有良好的能見度情況下使用。熱紅外通道所探測到的是地面目標的熱輻射能量，并與地面溫度、強度相對應(yīng)，其地理信息相對較弱，可在白天或黑夜無人造光源的條件下實施，是一種全天候的遙感，其局限性是空間分辨率低、易受環(huán)境影響。

ABS機載雙譜掃描儀的應(yīng)用非常廣泛。①在監(jiān)測洪水時，熱紅外可分辨正常河河段、滲漏水河段及周圍干地。②監(jiān)測溢油及其他污染時，紫外UV探頭可探測溢油和周圍海水之間的不同反射率，但只能是在白天并且具有良好能見度的情況下使用。IR探頭可以探測溢油和海水的不同吸熱和輻射率，溢油的厚薄層度不同，其吸熱和輻射也不同，這樣可以提供溢油厚度信息。還可監(jiān)測港口和內(nèi)河污染。③監(jiān)測溫排水。水熱污染一直是環(huán)保工作中一個關(guān)注的焦點，在對水熱污染的日常環(huán)境監(jiān)測中，往往存在測量不方便、區(qū)域評估不準等問題。利用ABS熱紅外通道，可對電廠溫排水水域進行水溫反演，有效地對電廠溫排水強度、擴散范圍和環(huán)境影響進行評價。④監(jiān)測城市熱島效應(yīng)。熱島效應(yīng)是由于人們改變城市地表而引起小氣候變化的綜合現(xiàn)象，在冬季最為明顯，夜間也比白天明顯，是城市氣候最明顯的特征之一。熱紅外遙感能夠通過獲取城市地表熱輻射狀況，捕捉城市下墊面熱島強度的大小和空間分布，進而推測出城市氣溫熱島強度的大小和空間分布，并為熱島成因分析和治理辦法提供依據(jù)，是研究城市熱島效應(yīng)的有效手段之一。

ABS熱紅外通道還可用于調(diào)查地表一般的熱輻射特性，探測常溫下物體溫度分布、目標的溫度場從而進行熱制圖，包括地熱調(diào)查、土壤分類、水資源調(diào)查。此外，還對高溫目標物的識別敏感，常用于獲取高溫目標的信息?；馂?zāi)（如，森林起火、殘火、隱火）、旱災(zāi)、活火山和火箭發(fā)射等。

5 總結(jié)與建議

中國海監(jiān)總隊引進的高空間分辨率、高光譜分辨率、紫外、遠紅外遙感設(shè)備，標志著中國海監(jiān)航空遙感朝著精準化、定量化方向發(fā)展，有著廣闊的應(yīng)用前景。

高光譜的優(yōu)勢在于地物目標特性的精細提取和識別上，應(yīng)重視高光譜遙感面向應(yīng)用，建立針對典型地物的光譜特性、光譜模型與定量反演的方法。此外，高光譜遙感信息提取離不開相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)背景和對地物目標光譜特性的精確理解。

［1］ 全曉萍，宋志勇.LIDAR基本原理及其在電力勘測中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2007，32.

［2］ 鄭金水.LIDAR技術(shù)及其應(yīng)用［J］.科技信息，2007（6）.

［3］ 陳蕾，鄧孺孺，謝健.基于AISA＋機載高光譜的海上石油開發(fā)溢油監(jiān)測研究：以珠江口海域為例［J］.海洋湖沼通報，2009（1）.

［4］ 束炯，王強，孫娟.高光譜遙感的應(yīng)用研究［J］.華東師范大學學報：自然科學版，2006（4）：7.

［5］ 張利，戚浩平.高光譜遙感及其在青藏高原的應(yīng)用潛力分析［J］.測繪科學，2008，33（增刊）：240－242.