航空遙感技術(shù)發(fā)展及其在國(guó)土資源調(diào)查中的典型應(yīng)用

董麗娜，佟晶

（中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京100083）

引言

航空遙感（aerial remotesensing）又稱機(jī)載遙感，是指利用各種飛機(jī)、飛艇、氣球等作為傳感器運(yùn)載工具在空中進(jìn)行的遙感技術(shù)，是由航空攝影偵察發(fā)展而來的一種多功能綜合性探測(cè)技術(shù)。在國(guó)土、測(cè)繪、海洋、生態(tài)與環(huán)境調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、礦產(chǎn)資源調(diào)查中廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了重要作用。

1 國(guó)內(nèi)外航空遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外航空遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

從1839年達(dá)蓋爾（Daguerre）發(fā)明了照相技術(shù)算起，攝影測(cè)量已有170多年的歷史。但將攝影技術(shù)真正用于測(cè)量的是法國(guó)的陸軍上校勞賽達(dá)（Laussedat），他用地面垂直攝影進(jìn)行交互攝影測(cè)量，來測(cè)繪建筑物。

從空中拍攝地面的照片，最早是在1858年法國(guó)攝影師納達(dá)（Nadar）從氣球上獲得的。1858年他成功地從800米高的氣球中拍攝到了幾幅“鳥眼”照片，當(dāng)時(shí)風(fēng)很大。他用一些暗淡的正像制作出了一小幅地形圖，上面有一個(gè)農(nóng)場(chǎng)，三間農(nóng)舍和巴黎郊外的一個(gè)小酒館。

隨后，1860年—1899年間，美國(guó)人、俄羅斯人利用氣球、風(fēng)箏與相機(jī)連接在一起，拍攝了一些航空照片。1906年4月18日，G.R.Lawerence在舊金山大地震后進(jìn)行了一次空中攝影。他把17個(gè)氣球風(fēng)箏連接在一起，攜帶1025磅重的巨型照相機(jī)，在600米的高度拍攝了一張1.35米×2.5米的照片，記錄了舊金山遭受地震破壞之后的非常真實(shí)而宏觀的畫面。

1903年，一個(gè)德國(guó)攝影師設(shè)計(jì)了一種非常小巧的鴿子相機(jī)，相機(jī)的重量只70克，并且可以每30秒自動(dòng)曝光，拍攝一個(gè)“38毫米方形畫格”的像片。將這些“航空相機(jī)”安裝在鴿子的胸部，經(jīng)過訓(xùn)練，待鴿子起飛后即可自動(dòng)獲取航空相片。同年懷特兄弟發(fā)明了飛機(jī)，使航空攝影測(cè)量成為可能。

直到1909年4月24日，一位意大利乘客在Wilbur的飛機(jī)上拍攝了意大利羅馬的Centocelli軍事基地，這是迄今為止所知道的世界上第一次從飛機(jī)上拍攝的航空照片，攝影師用的是電影膠片。航空攝影最早廣泛應(yīng)用于軍事偵察方面。1915年，美國(guó)海軍通過航空攝影獲取了航空偵察圖片，這是第一個(gè)有正式記錄的正規(guī)航空攝影偵察活動(dòng)。但航空攝影真正在森林調(diào)查和地圖測(cè)繪等民用方面的應(yīng)用，則是在10年之后。

隨后，攝影測(cè)量飛速發(fā)展，經(jīng)歷了模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量三個(gè)階段的飛速發(fā)展。

在20世紀(jì)30年代的模擬攝影測(cè)量，模擬攝影測(cè)量?jī)x器用兩根精密的空間導(dǎo)桿模擬前方交會(huì)，從像點(diǎn)坐標(biāo)直接解算，給出其模型坐標(biāo)，有效解決了傳統(tǒng)野外測(cè)量中前方交會(huì)、后方交會(huì)的計(jì)算問題。攝影測(cè)量和計(jì)算機(jī)的有機(jī)聯(lián)系，不需要人工的計(jì)算，實(shí)行了當(dāng)時(shí)所謂“自動(dòng)計(jì)算”。

在解析攝影測(cè)量階段，共線方程取代了模擬攝影測(cè)量階段的空間機(jī)械導(dǎo)桿，簡(jiǎn)化了儀器結(jié)構(gòu)，通過觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)典韋的上下視察，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相對(duì)定向元素的自動(dòng)解算。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，使得攝影測(cè)量嚴(yán)密解算成為可能。在此解算，學(xué)者們深入開展空中三角測(cè)量的嚴(yán)密解算、區(qū)域網(wǎng)平差模型建立、粗差檢測(cè)、可靠性理論研究等，實(shí)為測(cè)量界的一次大的革命和重大突破。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化識(shí)別技術(shù)的飛速發(fā)展，加快了解析攝影測(cè)量邁向數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的步法。在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段，計(jì)算機(jī)代替人工進(jìn)行大量的計(jì)算，代替人眼識(shí)別同名點(diǎn)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化攝影測(cè)量的概念。

1.2 國(guó)內(nèi)航空遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)的航空攝影測(cè)量始于1931年，浙江省水利局航測(cè)隊(duì)與德國(guó)測(cè)量公司合作進(jìn)行首次航空攝影，攝取了錢塘江支流浦陽(yáng)江1:20000比例尺的航片，并制作了像片平面圖。同年，國(guó)民黨政府在參謀本部陸地測(cè)量總局正式成立航測(cè)隊(duì)，并在隨后幾年里主要測(cè)制了中國(guó)局部地區(qū)1:10000萬、1:25000萬軍事要塞圖。

1949年，隨著大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)急需地圖資料，航空攝影得到飛速發(fā)展。國(guó)家測(cè)繪局、地質(zhì)、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、鐵道、石油、水利等部門都積極開展了航空攝影。1950年軍委測(cè)繪局建立第一個(gè)航測(cè)隊(duì)時(shí)就設(shè)立了航攝組，為航測(cè)成圖提供航攝資料。為了加強(qiáng)民用航空攝影業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理，民航總局于1958年組建了民航航測(cè)大隊(duì)，將政府各部門的航攝技術(shù)力量和飛機(jī)等設(shè)備全部移交民航總局接管。各部門的航攝任務(wù)每年向國(guó)家測(cè)繪總局報(bào)送計(jì)劃，由國(guó)家測(cè)繪總局匯總平衡后交由民航總局安排其組建的專業(yè)航攝大隊(duì)實(shí)施。1966年民航航測(cè)大隊(duì)擴(kuò)建為中國(guó)民航第二飛行總隊(duì)，1983年更名為中國(guó)民航工業(yè)航空服務(wù)公司，1989年又改為中國(guó)通用航空公司。直至1992年一直是我國(guó)惟一的民用航空攝影單位，幾乎承擔(dān)了全國(guó)所有的民用航空攝影業(yè)務(wù)。當(dāng)時(shí)主要以黑白航空攝影為主，80年代后期少量的彩紅外航攝任務(wù)，其目的是測(cè)制國(guó)家基本地形圖和大型工程測(cè)圖。

隨著高精度膠片航攝儀、數(shù)碼攝影儀的相繼面世和飛速發(fā)展，“數(shù)字地球”概念孕育而生。航空攝影技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了大比例尺航測(cè)制圖的迅速發(fā)展，數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖、數(shù)字線劃圖、三維仿真系統(tǒng)、三維電子地圖等系列產(chǎn)品，成為了構(gòu)建“數(shù)字中國(guó)”和“數(shù)字城市”的重要支撐數(shù)據(jù)。

中國(guó)科學(xué)院資深院士王之卓教授（1909－2002）是中國(guó)攝影測(cè)量與遙感學(xué)科的奠基人。他40年代發(fā)表了《航測(cè)垂直攝影光束仿射性變換》，對(duì)當(dāng)時(shí)立體測(cè)圖技術(shù)有重要價(jià)值。50年代，針對(duì)外國(guó)專家的山區(qū)相對(duì)定向公式不足之處，提出了精度更高的公式。從理論上對(duì)航測(cè)成圖方法和空中三角測(cè)量的誤差進(jìn)行了分析，推演出各種方法的精度估算公式，為生產(chǎn)提供了理論根據(jù)。60年代初，第一次在中國(guó)提出了解析法空中三角測(cè)量加密理論與方案。80年代，指導(dǎo)完成了國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目《全數(shù)字化測(cè)圖系統(tǒng)》，推動(dòng)了中國(guó)攝影測(cè)量技術(shù)的變革與發(fā)展。

我國(guó)現(xiàn)在航空遙感在863計(jì)劃等國(guó)家科技計(jì)劃的支持下，研發(fā)了可見光、紅外、激光、合成孔徑雷達(dá)等航空遙感傳感器，擺脫了一味依靠國(guó)外航空遙感傳感器的缺點(diǎn)，突破了技術(shù)壟斷；尤其針對(duì)我國(guó)地勢(shì)地貌、地理國(guó)情等特點(diǎn)，有針對(duì)性地開發(fā)了航空遙感數(shù)據(jù)后處理軟件，達(dá)到了國(guó)家先進(jìn)水平，在測(cè)繪、國(guó)土、環(huán)保、水利、防災(zāi)減災(zāi)以及重大工程建設(shè)中發(fā)揮了極其重要作用。

近年來，輕小型低空航空遙感技術(shù)發(fā)展迅猛。中小型無人機(jī)飛行平臺(tái)依靠其成本低、操作方便、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，在航空攝影中得到了廣泛應(yīng)用，搭載的傳感器由輕型可見光數(shù)字相機(jī)逐步發(fā)展到輕型寬幅數(shù)字相機(jī)、輕小型LIDAR、高光譜、熱紅外等傳感器，數(shù)據(jù)源日趨豐富，輔以高精度小型化POS系統(tǒng)、陀螺平臺(tái)以及差分GPS接收機(jī)等，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、大比例尺測(cè)圖，是有人機(jī)航空遙感的有效補(bǔ)充，在城市規(guī)劃、突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中充當(dāng)了“先鋒”作用。

高效能航空SAR遙感應(yīng)用系統(tǒng)重點(diǎn)突破了系統(tǒng)總體與系統(tǒng)集成、X波段干涉SAR、P波段極化SAR、地形測(cè)圖處理等關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)指標(biāo)滿足1:1萬、1:5萬測(cè)圖精度要求，形成了技術(shù)流程與標(biāo)準(zhǔn)，打破了國(guó)外技術(shù)封鎖，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，使我國(guó)成為世界上第三個(gè)擁有先進(jìn)航空SAR遙感系統(tǒng)的國(guó)家。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于“西部測(cè)圖”國(guó)家重大工程，促進(jìn)了航空SAR遙感產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

隨著航空數(shù)碼相機(jī)、機(jī)載激光雷達(dá)等新型傳感器的迅猛發(fā)展，攝影測(cè)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)。為有效解決海量遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)的瓶頸問題，武漢大學(xué)和中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院等單位創(chuàng)造性地將計(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(cè)量與遙感技術(shù)結(jié)合起來，研制出新一代數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù)據(jù)處理平臺(tái)DPGrid和PixelGrid，為我們解決空間數(shù)據(jù)源的快速處理、DSM、DEM、DOM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。

2 航空遙感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

縱觀國(guó)內(nèi)外航空遙感現(xiàn)狀，航空遙感發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：

（1）公益化突出發(fā)展。公益性遙感以提高空間對(duì)地球的觀測(cè)和認(rèn)知能力，發(fā)展和提高地球科學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)水平，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)對(duì)自然災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力為目標(biāo)，大比例尺地理國(guó)情普查將極大依托航空遙感手段。同時(shí)，航空遙感與軍事遙感的結(jié)合，將為維護(hù)國(guó)家主權(quán)、保障國(guó)家安全提供重要技術(shù)支撐。

（2）輕小型、高精度、集成化應(yīng)用。由于輕小型航空器成本低，靈活性強(qiáng)，輕小型飛行平臺(tái)逐步成為遙感飛行主力；同時(shí)，航空數(shù)碼相機(jī)、機(jī)載LiDAR等傳感器的數(shù)字化與輕小型化，以滿足輕小型航空器平臺(tái)載荷的要求；高精度定位定向系統(tǒng)與慣性穩(wěn)定平臺(tái)等集成應(yīng)用，提高了航空遙感精度與效率。

（3）服務(wù)規(guī)?；?、集群化、產(chǎn)業(yè)化。航空遙感應(yīng)用從原來主要輔助政府宏觀決策，擴(kuò)展深入到經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域；注重高空間分辨率、高光譜分辨率和高時(shí)間分辨率多源影像融合、信息加工與服務(wù)，形成了較完整的遙感信息產(chǎn)業(yè)鏈；經(jīng)營(yíng)航空遙感技術(shù)及其數(shù)據(jù)供應(yīng)的企業(yè)在歐美國(guó)家快速興起，使得以商業(yè)利益為標(biāo)志的航空遙感規(guī)模化、集群化和產(chǎn)業(yè)化，特別是在這些國(guó)家政府和軍方的引導(dǎo)和扶植下大為發(fā)展。

3 航空遙感在國(guó)土資源調(diào)查中的應(yīng)用

在國(guó)土資源部、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的領(lǐng)導(dǎo)下，航空遙感技術(shù)為滿足國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)（含能源）資源調(diào)查、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新等方面進(jìn)行規(guī)劃、管理、保護(hù)和合理利用的需要做出了重要貢獻(xiàn)。

（1）航空遙感測(cè)量為基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查以及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)提供了重要的基礎(chǔ)資料。

目前，已累計(jì)航空遙感攝影覆蓋面積430萬平方公里。其中，2003年6月1日，舉世矚目的三峽水庫(kù)按時(shí)蓄水，至2009年10月25日，三峽水庫(kù)壩前水位漲至170.39米，標(biāo)志著三峽工程轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行階段，全面發(fā)揮防洪、發(fā)電和通航等功能。伴隨著庫(kù)區(qū)水位的提高，水面以下的一切地物被永久淹沒，庫(kù)區(qū)環(huán)境發(fā)生滄桑巨變。在這兩個(gè)歷史時(shí)刻，國(guó)土資源部和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局克服重重困難，于2003年135米水位蓄水前夕和2009年三峽庫(kù)區(qū)蓄水達(dá)175米水位之際，部署中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心完成了兩期三峽庫(kù)區(qū)高精度航空遙感攝影工作，獲取了三峽庫(kù)區(qū)信息豐富、層次分明、影像清晰的4萬平方公里高精度航空遙感數(shù)據(jù)，并利用這兩期極其珍貴的遙感影像，開展了三峽流域地形地貌、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害和土地利用、城鎮(zhèn)布局、交通、工程建設(shè)狀況的調(diào)查與研究，成功地將歷史與現(xiàn)實(shí)的畫面和數(shù)據(jù)永久地保存在地質(zhì)工作的檔案里，為三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治、庫(kù)岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、工程建設(shè)、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展和國(guó)土資源規(guī)劃及管理工作提供了寶貴的歷史與現(xiàn)勢(shì)性基礎(chǔ)資料與決策支撐。

（2）航空遙感快速服務(wù)于突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查

航空遙感憑借其機(jī)動(dòng)靈活優(yōu)勢(shì)，快速獲取高分辨率遙感影像，為突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查提供了技術(shù)支撐，在伽師地震、汶川地震、玉樹地震、武隆滑坡、貴州關(guān)嶺滑坡等應(yīng)急調(diào)查中發(fā)揮了重要作用。尤其在汶川地震中，7架航空遙感飛機(jī)搭載7套航空傳感器開展了立體式航空遙感作業(yè)模式，屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。在災(zāi)后67小時(shí)第一時(shí)間獲取了重災(zāi)區(qū)航空遙感影像，共獲取了14個(gè)縣40000km2的高清晰度航空遙感圖像，為救災(zāi)工作部署提供了現(xiàn)時(shí)資料，提供國(guó)務(wù)院救災(zāi)指揮及前線各救災(zāi)單位使用。通過對(duì)遙感圖像的解譯，快速查清災(zāi)區(qū)房屋倒塌、道路損毀、滑坡、崩塌、泥石流、堵江、堰塞湖等災(zāi)情。開展災(zāi)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害解譯與評(píng)價(jià)，為地面地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與災(zāi)后重建提供依據(jù)。

4 結(jié)論

航空遙感系統(tǒng)、衛(wèi)星航天遙感系統(tǒng)兩者各有特點(diǎn)，互為補(bǔ)充。相較于衛(wèi)星航空遙感，航空遙感具有自主性強(qiáng)、精度高、效率高、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，是快速獲取高精度遙感數(shù)據(jù)、微地形微地貌的有效手段。尤其當(dāng)前發(fā)展迅猛的無人機(jī)低空遙感技術(shù)，其機(jī)動(dòng)、靈活、快速獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)盡顯無疑。結(jié)合遙感地質(zhì)工作特點(diǎn)，針對(duì)不同比例尺、不同地區(qū)，投入不同手段航空遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“空地一體化”立體式調(diào)查，提高遙感數(shù)據(jù)獲取、處理和應(yīng)用能力，提升遙感地質(zhì)調(diào)查精度。

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