國(guó)家航空航天遙感影像獲取現(xiàn)狀及發(fā)展

李 明，趙俊霞，胡 芬

(1.國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京100830;2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心，北京100830)

一、引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)測(cè)繪地理信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)航空航天遙感影像的需求越來(lái)越多，新型遙感手段不斷呈現(xiàn)并廣泛應(yīng)用于測(cè)繪生產(chǎn)，使影像獲取能力及水平大幅提升，并在測(cè)繪工作及國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。

航空航天影像作為開展測(cè)繪地理信息工作的重要數(shù)據(jù)源，在國(guó)家與省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)建立及更新、西部測(cè)圖、927工程、數(shù)字省區(qū)、數(shù)字城市、天地圖，以及地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮了重要作用，為重大測(cè)繪地理信息工程提供了數(shù)據(jù)保障。

航空航天遙感影像還可以與地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、地球生物、軍事應(yīng)用等方面的信息進(jìn)行信息復(fù)合和綜合分析。在我國(guó)快速發(fā)展的新形勢(shì)下，各種地形、地貌、地物的變化日新月異，通過(guò)不同時(shí)段的航空航天影像可以及時(shí)地反映人文與自然要素的實(shí)際變化，更好地服務(wù)于政府部門的管理決策，在國(guó)土調(diào)查、環(huán)境資源、水利建設(shè)、交通規(guī)劃、城市建設(shè)、糧食估產(chǎn)、災(zāi)害評(píng)估、防災(zāi)減災(zāi)和國(guó)防安全等方面發(fā)揮積極作用。

為了更好地滿足各行業(yè)對(duì)影像資料的旺盛需求，國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心按照“著力服務(wù)基礎(chǔ)測(cè)繪，兼顧重大項(xiàng)目需求”的思路，常年來(lái)負(fù)責(zé)并開展國(guó)家航空航天遙感影像獲取工作，累積了海量的影像數(shù)據(jù)成果。本文將從影像獲取能力建設(shè)和影像成果應(yīng)用等方面出發(fā)，闡述近年來(lái)國(guó)家航空航天遙感影像獲取現(xiàn)狀，并對(duì)影像獲取的發(fā)展前景和趨勢(shì)進(jìn)行展望。

二、影像獲取發(fā)展現(xiàn)狀

隨著影像獲取技術(shù)手段、航攝隊(duì)伍、裝備能力的發(fā)展，影像獲取能力大幅提升，效率明顯提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空影像獲取2010年以來(lái)每年完成的面積均超過(guò)100萬(wàn)km2，2015年航空攝影已完成面積超過(guò)200萬(wàn)km2，航天影像獲取已實(shí)現(xiàn)2.5 m地面分辨率影像年度國(guó)土面積全覆蓋，優(yōu)于1 m高分辨影像重點(diǎn)區(qū)域年度覆蓋。目前，已形成多平臺(tái)、多傳感器、多分辨率基礎(chǔ)地理信息獲取體系，數(shù)據(jù)綜合獲取能力大幅提升。

1.航空影像獲取

航空影像獲取具有自主性強(qiáng)、精度高、效率高、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，是快速獲取高精度影像數(shù)據(jù)的有效手段。2006年，國(guó)家啟動(dòng)了“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)”，其中包括建立飛行平臺(tái)制造、傳感器研制、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品生成和分發(fā)等較完整的航空影像獲取系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)一步降低了航空影像獲取技術(shù)裝備門檻，促進(jìn)其向生產(chǎn)商品化階段轉(zhuǎn)化［1］。

1)數(shù)字航空攝影已完全取代膠片航攝，IMU/GPS輔助航空攝影、機(jī)載SAR、機(jī)載LiDAR、無(wú)人機(jī)航攝和傾斜攝影等影像獲取技術(shù)發(fā)展迅猛，在基礎(chǔ)測(cè)繪、應(yīng)急資料獲取等方面得到了廣泛應(yīng)用［2］。

基礎(chǔ)測(cè)繪航空攝影原計(jì)劃于2005年開始試驗(yàn)數(shù)字航攝儀，2008年正式應(yīng)用數(shù)字航攝，2012年全部轉(zhuǎn)為數(shù)字化［3］。目前，在地面控制困難區(qū)域采用了IMU/DGPS輔助航空攝影技術(shù)，大量減少了地面控制工作，實(shí)現(xiàn)了測(cè)區(qū)無(wú)地面控制的直接地理定位，提高了作業(yè)效率［4］;在海岸線、灘涂、湖泊、平坦地區(qū)開展了機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取項(xiàng)目，主要用于高精度DEM生產(chǎn)，充分發(fā)揮了其精度高、獲取快的特點(diǎn);在國(guó)家西部橫斷山脈等地區(qū)開展了機(jī)載SAR影像獲取工作，有效解決了惡劣氣候、復(fù)雜地形條件下的影像獲取;在部分城市地區(qū)開展傾斜攝影項(xiàng)目，為數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)提供了更加豐富的影像數(shù)據(jù)源［5］。

2)航空影像獲取裝備水平大幅提升，隊(duì)伍規(guī)模不斷壯大，形成了一支穩(wěn)定的、具備相當(dāng)能力的專業(yè)航空影像獲取隊(duì)伍。

隨著測(cè)繪地理信息事業(yè)的發(fā)展、國(guó)家投入的增加，航空影像獲取市場(chǎng)進(jìn)一步開放，尤其是地理國(guó)情普查監(jiān)測(cè)、農(nóng)村土地確權(quán)、不動(dòng)產(chǎn)登記等項(xiàng)目的開展，使民間資本信心增加，航空攝影裝備投入空前。據(jù)統(tǒng)計(jì)，具備航空攝影飛行能力的企業(yè)近千家，目前具有甲級(jí)資質(zhì)的航空攝影單位50余家，擁有中級(jí)職稱以上負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、攝影、沖洗、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)檢的人員千余名，航空攝影企業(yè)擁有國(guó)際一流的數(shù)字航攝儀近200臺(tái)，軍隊(duì)、通用航空擁有高空飛機(jī)20余架，中低空飛機(jī)180余架，形成了高、中、低空航空攝影裝備的全覆蓋，具有了很強(qiáng)的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，見?。

表1 現(xiàn)有數(shù)字航攝儀統(tǒng)計(jì)表

2.航天影像獲取

國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，航天遙感技術(shù)已成為獲取地理空間信息的重要手段。目前世界各國(guó)都在積極研發(fā)各類遙感衛(wèi)星，充分利用遙感手段可以快速獲取實(shí)時(shí)地面現(xiàn)狀的優(yōu)勢(shì)，監(jiān)測(cè)各種資源的變化和發(fā)展趨勢(shì)，用以維持本國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［1，6］。

1)商業(yè)高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星數(shù)量繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)，市場(chǎng)上可供選擇的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)日益增多，為大規(guī)模、快速采集地理空間信息提供了可靠的數(shù)據(jù)保障。

近年來(lái)，國(guó)際測(cè)繪與地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，世界上主要發(fā)達(dá)國(guó)家和部分發(fā)展中國(guó)家高度重視數(shù)據(jù)源建設(shè)，紛紛搶占國(guó)際制高點(diǎn)，積極發(fā)展各自的高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)，為本國(guó)的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和全球化戰(zhàn)略服務(wù)，從最初的 Landsat和SPOT兩大系列發(fā)展到今天以美國(guó)和法國(guó)為代表，中國(guó)、俄羅斯、印度、日本、巴西、加拿大等許多國(guó)家都擁有自己的資源遙感衛(wèi)星的格局，見表2。從21世紀(jì)初開始，高分辨率遙感影像已成為各國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)，國(guó)際上的商業(yè)光學(xué)遙感衛(wèi)星逐漸向著高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高機(jī)動(dòng)能力和高集成化等方向發(fā)展［7］?？臻g相機(jī)的地面像元分辨率(GSD)不斷提高，2014年8月發(fā)射的WorldView-3分辨率已達(dá)到0.31 m。在考慮季節(jié)因素和實(shí)現(xiàn)區(qū)域無(wú)云覆蓋等前提下，采取多顆高分辨率衛(wèi)星獲取的綜合協(xié)調(diào)、充分發(fā)揮各星獲取能力的方法，可基本實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1 m高分辨率衛(wèi)星影像對(duì)華北、華中、內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等地區(qū)的年度區(qū)域完整覆蓋。

表2 國(guó)外部分高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)

2)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像獲取手段日益豐富，數(shù)據(jù)覆蓋度與精確度逐漸與世界先進(jìn)水平持平，甚至某些領(lǐng)域領(lǐng)先于發(fā)達(dá)國(guó)家水平。

我國(guó)自1970年第一顆衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，逐步建立和完善了衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)體系，隨著國(guó)家政策導(dǎo)向的指引，航天科學(xué)技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展。國(guó)產(chǎn)民用陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)由最初單一中巴地球資源衛(wèi)星影像獲取能力發(fā)展到現(xiàn)在中巴地球資源系列衛(wèi)星、環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星、測(cè)繪立體衛(wèi)星等綜合獲取能力;傳感器的研制從最初僅有光學(xué)的多光譜、低空間分辨率(幾十米)發(fā)展到目前的高空間分辨率(幾米)、高時(shí)間分辨率、高輻射分辨率、寬視場(chǎng)多角度、雷達(dá)等多種傳感器共存的格局，形成了傳感器種類較為齊全、滿足不同用途的衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)體系［8］。隨著測(cè)繪地理信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)遙感影像獲取能力逐年提升，特別是資源三號(hào)、天繪一號(hào)、高分一號(hào)、高分二號(hào)等國(guó)產(chǎn)中高分辨率遙感衛(wèi)星相繼投入使用，使得衛(wèi)星影像獲取能力大大增強(qiáng)，可基本實(shí)現(xiàn)優(yōu)于2.5 m影像國(guó)土面積年度全覆蓋，見表3。

表3 國(guó)內(nèi)部分高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)

3.影像獲取成果

目前國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心庫(kù)存的影像數(shù)據(jù)成果已達(dá)2.7 PB，并以每年約300 TB的速度增加。1994—2014年間，庫(kù)存衛(wèi)星影像近10萬(wàn)景，航空影像300萬(wàn)余片，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.2 m分辨率影像約400個(gè)全國(guó)重點(diǎn)城市的覆蓋，獲取的優(yōu)于0.5 m分辨率航空影像約607萬(wàn)km2，占國(guó)土陸地面積的63%，如圖1所示;獲取的優(yōu)于1 m分辨率的航空航天影像數(shù)據(jù)成果基本實(shí)現(xiàn)了整個(gè)國(guó)土面積的覆蓋;優(yōu)于2.5 m分辨率的航天影像實(shí)現(xiàn)了國(guó)土面積影像全覆蓋［9］。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十五”期間國(guó)家財(cái)政為影像數(shù)據(jù)成果獲取共投入經(jīng)費(fèi)約3.6億元，“十一五”期間投入經(jīng)費(fèi)約5億元，2011—2014年投入經(jīng)費(fèi)約6.5億元，見表4。

圖1 地面分辨率優(yōu)于0.5 m航空影像成果(1994—2014年)

表4 影像獲取經(jīng)費(fèi)投入及成果情況

從數(shù)據(jù)中可以看出，航空影像方面已完成了從常規(guī)膠片攝影向數(shù)字航空攝影的轉(zhuǎn)變，2011年后獲取的航空影像均為數(shù)字航空攝影;衛(wèi)星影像方面逐步從中低分辨率(優(yōu)于10 m)、中高分分辨率(優(yōu)于2.5 m)向高分辨率(優(yōu)于1 m)、多類型影像成果轉(zhuǎn)變，如圖2所示。

圖2 “十二五”期間亞米級(jí)分辨率影像獲取成果覆蓋圖

據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十一五”期間，國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心共向社會(huì)提供航攝底片704筒，航空攝影像片60萬(wàn)余片，數(shù)字影像29萬(wàn)余片，提供高分辨率影像數(shù)據(jù)近21.6萬(wàn)km2;2011—2014年累計(jì)提供438個(gè)攝區(qū)的航空影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量約560 TB，數(shù)字影像238萬(wàn)余片，提供高分辨率影像數(shù)據(jù)近1154萬(wàn)km2。

三、影像獲取前景展望

隨著我國(guó)工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)遙感信息服務(wù)提出了更高的需求，尤其是隨著數(shù)字城市建設(shè)、天地圖建設(shè)、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、西部測(cè)圖工程等重大專項(xiàng)和工程的開展，遙感技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了遙感產(chǎn)品需求旺盛期、遙感產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇期。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)，成為快速獲取高精度遙感數(shù)據(jù)的有效手段。因此，應(yīng)積極推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化，大力推廣航空遙感系統(tǒng)，提高遙感數(shù)據(jù)獲取、處理和應(yīng)用能力，促進(jìn)遙感產(chǎn)業(yè)發(fā)展。航空遙感技術(shù)的快速發(fā)展，使得遙感數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多源化、多時(shí)相、大數(shù)據(jù)量和多成果類型等發(fā)展特點(diǎn)，加速了國(guó)內(nèi)遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)的大踏步發(fā)展，但是距國(guó)外領(lǐng)先水平仍有一定差距，尤其是結(jié)合下一代互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)該大力推進(jìn)航空遙感數(shù)據(jù)處理軟件研發(fā)，特別是在高性能遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理等核心基礎(chǔ)軟件產(chǎn)業(yè)化方面實(shí)現(xiàn)突破，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平［10］。

隨著對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用的不斷深入，全球?qū)Φ赜^測(cè)衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃將持續(xù)發(fā)展。歐洲咨詢公司在《天基對(duì)地觀測(cè)，至2023年市場(chǎng)預(yù)測(cè)》報(bào)告中指出，未來(lái)10年，各國(guó)政府和商業(yè)公司將發(fā)射約353顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，是過(guò)去10年發(fā)射總數(shù)的2倍［11］。

2012年1月9日，我國(guó)首顆國(guó)產(chǎn)民用光學(xué)立體測(cè)繪衛(wèi)星資源三號(hào)01星成功發(fā)射，使我國(guó)具備了1∶5萬(wàn)～1∶2.5萬(wàn)比例尺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)自主獲取及更新的能力，打破了民用航天測(cè)繪業(yè)務(wù)長(zhǎng)期依賴國(guó)外商業(yè)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的局面。為保持測(cè)繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的連續(xù)、穩(wěn)定，在2011年出臺(tái)的《測(cè)繪部門航天發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中，提出在未來(lái)3個(gè)五年中，研制發(fā)射包括光學(xué)、雷達(dá)、激光、重力4種類型在內(nèi)的多顆測(cè)繪衛(wèi)星，形成種類齊全功能完整的測(cè)繪衛(wèi)星體系。該規(guī)劃在2012年與國(guó)土資源衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃一起，整合為陸海衛(wèi)星業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃，得到了國(guó)務(wù)院批復(fù)同意整體納入《國(guó)家空間基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展規(guī)劃2011—2025》，有望包含光學(xué)、雷達(dá)、重力3種類型并具有激光測(cè)繪的功能的7顆測(cè)繪衛(wèi)星，在未來(lái)10年內(nèi)形成我國(guó)的民用測(cè)繪衛(wèi)星系列。通過(guò)建設(shè)由高分辨率光學(xué)立體測(cè)圖衛(wèi)星、干涉雷達(dá)衛(wèi)星、激光測(cè)高衛(wèi)星、重力衛(wèi)星等不同衛(wèi)星有機(jī)組成的測(cè)繪衛(wèi)星系列，我國(guó)將逐步具備滿足全球1∶5萬(wàn)～1∶5000等比例尺制圖的數(shù)據(jù)獲取和立體成像能力［12］。通過(guò)實(shí)施《全國(guó)基礎(chǔ)測(cè)繪中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要(2015—2030年)》，以測(cè)繪衛(wèi)星為主體，以國(guó)家其他高分衛(wèi)星資源為輔助，以國(guó)內(nèi)商業(yè)遙感小衛(wèi)星資源為補(bǔ)充，發(fā)展全天時(shí)、全天候測(cè)繪衛(wèi)星觀測(cè)能力，構(gòu)建種類齊全、功能互補(bǔ)、尺度完整的對(duì)地觀測(cè)體系，全力滿足新型基礎(chǔ)測(cè)繪對(duì)天基數(shù)據(jù)獲取能力的需求，提高高分辨率遙感影像自給率。衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用與服務(wù)體系的建立與完善，將為國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供全面、持續(xù)穩(wěn)定、高質(zhì)量的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，促進(jìn)測(cè)繪地理信息產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，提高我國(guó)自主信息保障能力和獨(dú)立獲取空間信息的能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

測(cè)繪地理信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展給影像獲取帶來(lái)了機(jī)遇，同時(shí)也帶來(lái)了挑戰(zhàn)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在航空航天影像獲取裝備研制方面起步早，科技領(lǐng)先，成果比較多，市場(chǎng)占有率較高。我國(guó)在這一領(lǐng)域起步較晚，但我們?cè)跒樽汾s世界先進(jìn)科技進(jìn)行著有益的探索和創(chuàng)新，尤其是在新型影像獲取領(lǐng)域，如傾斜攝影，國(guó)產(chǎn)研制的相機(jī)系統(tǒng)達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外相機(jī)系統(tǒng)，提升了我國(guó)航空影像獲取技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。我們有理由相信，隨著國(guó)產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)相關(guān)技術(shù)的積累，國(guó)產(chǎn)影像獲取裝備在世界的舞臺(tái)將會(huì)扮演越來(lái)越重要的角色。

影像獲取企業(yè)在發(fā)展，裝備技術(shù)在發(fā)展，需求也在發(fā)展。2014年1月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》，明確要求進(jìn)一步提升遙感數(shù)據(jù)獲取和處理能力，推進(jìn)地理信息開發(fā)共享。影像獲取各部門應(yīng)強(qiáng)化項(xiàng)目管理，加大信息流通，疏通交換渠道，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各部門之間的數(shù)據(jù)需求，加強(qiáng)影像獲取統(tǒng)一監(jiān)管，建立影像獲取共享機(jī)制，真正做到節(jié)省財(cái)政資金，維護(hù)國(guó)家利益，為測(cè)繪地理信息的發(fā)展提供數(shù)據(jù)保障，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展保駕護(hù)航。

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