航空遙感技術(shù)及其在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

金鼎堅(jiān)，王建超，吳 芳，高子弘，韓亞超，李 奇,3

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100101；3.自然資源部航空地球物理與遙感地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

0 引言

航空遙感作為地質(zhì)調(diào)查的重要手段之一，在“遙感”這一術(shù)語產(chǎn)生之前，“航空地質(zhì)調(diào)查”工作就已廣泛開展[1]。長期以來，航空遙感數(shù)據(jù)一直是地質(zhì)調(diào)查工作中的主要遙感數(shù)據(jù)源。近年來，航空遙感技術(shù)在飛行平臺、傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面都有了巨大進(jìn)步。無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)遙感平臺蓬勃發(fā)展，航空遙感傳感器波譜覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，數(shù)據(jù)處理效率和自動化水平不斷提升，使航空遙感數(shù)據(jù)獲取與處理方法都發(fā)生了質(zhì)的飛躍，并在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和礦山監(jiān)測等諸多應(yīng)用領(lǐng)域取得了明顯的地質(zhì)效果，進(jìn)一步提高了航空遙感技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用廣度與深度。

本文通過闡述航空遙感技術(shù)的概念，回顧了航空遙感技術(shù)的發(fā)展歷程，總結(jié)了航空遙感飛行平臺、傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了航空遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查、海岸帶地質(zhì)調(diào)查、礦山監(jiān)測和航空物探遙感綜合勘查等工作中的典型應(yīng)用，以期為航空遙感地質(zhì)調(diào)查工作提供技術(shù)參考。

1 航空遙感概念

遙感，從字面理解即遙遠(yuǎn)感知的意思，是一種不接觸被測地物，使用傳感器接收、記錄物體反射或發(fā)射的電磁波信息；通過對信息的處理分析與解譯，獲得地物幾何特性與物理屬性信息的一門科學(xué)和技術(shù)。在遙感數(shù)據(jù)獲取過程中，遙感傳感器可搭載在不同高度的遙感平臺上(如地面三角架、氣球、飛機(jī)、衛(wèi)星和宇宙飛船等)。根據(jù)平臺的高度不同，可將遙感技術(shù)分為地面遙感、航空遙感與航天遙感(或衛(wèi)星遙感)，三者共同構(gòu)成完整的遙感對地觀測體系。

航空遙感，即以飛機(jī)、UAV、飛艇和氣球等航空飛行器作為搭載平臺的遙感技術(shù)。航空遙感傳感器主要有光學(xué)相機(jī)、高光譜成像儀、合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture Radar，SAR)和激光雷達(dá)(light detection and ranging，LiDAR)等。航空遙感按航空飛行平臺的不同，可分為有人機(jī)航空遙感和UAV遙感；按傳感器所使用的電磁波譜段不同，又可分為航空攝影、航空多光譜遙感、航空高光譜遙感、機(jī)載SAR遙感和機(jī)載LiDAR遙感等。

航空遙感是遙感的一個(gè)重要分支，其本身具有廣泛應(yīng)用和不可替代的作用，同時(shí)又是衛(wèi)星遙感發(fā)展的基礎(chǔ)和補(bǔ)充。與衛(wèi)星遙感技術(shù)相比，航空遙感具有精度高和機(jī)動靈活等特點(diǎn)。航空遙感通過探測物體與電磁波的相互作用識別地物，有別于探測地球物理場(重力、電磁、放射性和能譜)及彈性波等特性的地球物理方法[2]。

2 航空遙感技術(shù)發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

2.1 航空遙感技術(shù)發(fā)展歷程

“遙感”作為一個(gè)專業(yè)術(shù)語由美國海軍科學(xué)局普魯依特在20世紀(jì)50年代中期提出[3]，并在1962年美國召開的“環(huán)境遙感討論會”上被正式采用。雖然“遙感”概念的使用至今不到60 a，但作為現(xiàn)代遙感技術(shù)起源的航空遙感卻有著悠久的發(fā)展歷史。

1826年，法國人尼埃普斯成功拍攝了世界上第一張相片[4]。1839年，法國畫家達(dá)蓋爾發(fā)明了銀版攝影法，為航空攝影相機(jī)的誕生奠定了基礎(chǔ)。1855年，法國人納達(dá)爾提出了利用航空影像進(jìn)行測繪的想法，并于1858年利用熱氣球進(jìn)行了世界上首次航空攝影；不幸的是，納達(dá)爾的早期相片并沒有留存下來，現(xiàn)存最早的航空相片是美國人布萊克于1860年在熱氣球上拍攝的波斯頓航空影像。19世紀(jì)末，攝影技術(shù)取得快速發(fā)展，膠卷和各種輕便型的照相機(jī)開始出現(xiàn)，將照相機(jī)帶上天空逐漸變得可行和容易。除熱氣球外，很多人還使用風(fēng)箏、鴿子及火箭等攜帶照相機(jī)開展航空攝影。

1903年，萊特兄弟發(fā)明了飛機(jī)，這是航空遙感發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。自此以后，利用飛機(jī)開展航空遙感成為可能。1909年，威布爾·萊特第一次從飛機(jī)上拍攝了航空相片。在第一次世界大戰(zhàn)中，由于軍事偵察的需要，航空攝影技術(shù)得到迅速發(fā)展。美國人費(fèi)爾柴爾德發(fā)明了世界上第一臺真正意義上專門用于飛機(jī)上的航空攝影儀，使航空影像質(zhì)量得到了大幅度提升，并成為之后幾十a(chǎn)中航攝儀的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，航攝儀開始轉(zhuǎn)向非軍事用途。1921年，費(fèi)爾柴爾德將設(shè)計(jì)的航攝儀用于地理測圖，使用超過100張具有足夠重疊的航空相片，生成了紐約市曼哈頓島的鑲嵌圖。在其他國家，航空攝影也被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、林業(yè)和農(nóng)業(yè)等民用領(lǐng)域。在第二次世界大戰(zhàn)中，航空遙感技術(shù)再次取得巨大進(jìn)步，彩色攝影、多光譜攝影和雷達(dá)探測等技術(shù)得到快速發(fā)展，出現(xiàn)了工作在近紅外和無線電波等非可見光電磁波譜段的傳感器，飛行平臺及影像判讀、成圖設(shè)備都有了較大發(fā)展。

20世紀(jì)50年代以來，隨著材料技術(shù)、電子技術(shù)、探測器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了各種新型傳感器，進(jìn)一步拓寬了航空遙感覆蓋的電磁波譜段。1960年，世界上第一部SAR問世[5]。1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的博伊爾和史密斯發(fā)明了一種被稱作電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)的元件，為數(shù)碼相機(jī)的誕生奠定了基礎(chǔ)。1983年，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)成功研制世界上第一臺成像光譜儀[6]，使航空遙感技術(shù)在經(jīng)歷黑白攝影、彩色攝影和多光譜掃描成像之后，進(jìn)入了高光譜遙感階段。20世紀(jì)60年代起，人類就開始開展LiDAR測距技術(shù)實(shí)驗(yàn)，并在20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)了商用的機(jī)載LiDAR系統(tǒng)[7]。2000年ISPRS阿姆斯特丹大會上，航空數(shù)碼相機(jī)開始出現(xiàn)，至今航空數(shù)碼相機(jī)已完全取代傳統(tǒng)膠片式航空相機(jī)。同時(shí)，陀螺穩(wěn)定平臺及高精度定位定向系統(tǒng)(position orientation system，POS)也取得了巨大進(jìn)步。有人機(jī)航空遙感的傳感器基本上都配備有三軸自動穩(wěn)定平臺(如GSM 4000和PAV100等)，以保障傳感器在獲取數(shù)據(jù)時(shí)俯仰、翻滾和偏航等姿態(tài)角盡可能小。航空傳感器也集成了POS系統(tǒng)，同步獲取航空影像的外方位元素，減少了對地面控制點(diǎn)的需求，以便于航空影像數(shù)據(jù)處理與制圖。

在傳感器技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，航空遙感平臺也在不斷進(jìn)步，飛機(jī)的性能不斷提升、種類不斷增多，國內(nèi)外適用于航空遙感的有人機(jī)平臺數(shù)不勝數(shù)[8]。近年來，UAV技術(shù)的迅猛發(fā)展，則為航空遙感提供了一種嶄新的平臺。UAV最早作為軍事上的靶機(jī)應(yīng)用，后來逐漸用于作戰(zhàn)、偵察飛行平臺。在20世紀(jì)70年代末，UAV系統(tǒng)開始被引入攝影測量與遙感領(lǐng)域，用來對考古區(qū)域進(jìn)行航空攝影[9]。其后的幾十a(chǎn)里，UAV平臺有了飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種形狀、大小和動力方式的UAV。UAV的快速、準(zhǔn)確、廉價(jià)等性能使其應(yīng)用越來越廣泛，而且安全性和可靠性也都得到了極大增強(qiáng)。與此同時(shí)，UAV遙感傳感器技術(shù)也得到快速發(fā)展[10]。

在硬件設(shè)備迅速發(fā)展的同時(shí)，航空遙感數(shù)據(jù)處理與信息提取技術(shù)也逐步發(fā)展成熟，針對高空間分辨率、高光譜分辨率、LiDAR以及SAR等航空遙感專題數(shù)據(jù)處理的算法在性能上得到了進(jìn)一步完善，數(shù)據(jù)處理的自動化和智能化水平不斷提高，進(jìn)而促進(jìn)了航空遙感技術(shù)在地質(zhì)、測繪、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、海洋、環(huán)境及災(zāi)害等領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷拓展與深化。

2.2 航空遙感技術(shù)現(xiàn)狀

2.2.1 航空遙感平臺

航空遙感平臺可分為有人機(jī)和UAV平臺。有人機(jī)航空遙感平臺主要是固定翼飛機(jī)，在我國以國產(chǎn)的運(yùn)系列飛機(jī)為主，引進(jìn)的飛機(jī)包括獎狀、大篷車、空中國王、大棕熊和PC-6等。目前，除8 000 m以上航高還主要使用獎狀、里爾、運(yùn)-8和呼喚等飛機(jī)外，中空普通航攝已普遍使用國產(chǎn)的運(yùn)-5、運(yùn)-11和運(yùn)-12等飛機(jī)。適應(yīng)小面積、低空高空間分辨率航攝的輕小型有人駕駛航攝飛機(jī)有蜜蜂、海鷗和海燕等。近年來，UAV遙感平臺發(fā)展迅速，種類很多。據(jù)國際UAV組織在UVS-INFO網(wǎng)站發(fā)布的數(shù)據(jù)，目前世界范圍內(nèi)正在生產(chǎn)的UAV平臺多達(dá)2 000余種。根據(jù)我國國家遙感中心建立的全國UAV遙感系統(tǒng)信息庫統(tǒng)計(jì)，在用的遙感UAV按動力分類，燃油動力多于電池動力；按氣動外形分類，多旋翼多于固定翼；按重量分類，30 kg 以下占絕大多數(shù)，也就是以輕小型UAV為主；按航時(shí)分類，大部分小于1 h；按起降方式分類，垂直起降和滑跑起降方式占據(jù)主流[11]。

2.2.2 航空遙感傳感器

在航空遙感傳感器中，數(shù)字航攝儀完全取代了傳統(tǒng)膠片式航攝儀，多角度傾斜航空攝影系統(tǒng)逐漸成為實(shí)景三維建模的重要數(shù)據(jù)采集裝備，機(jī)載LiDAR技術(shù)已成為地形測量和三維建模的重要手段，機(jī)載高光譜成像儀也已被廣泛應(yīng)用，各類UAV遙感傳感器譜系逐漸完備。

2.2.2.1 數(shù)字航攝儀

數(shù)字航攝儀是目前應(yīng)用最廣泛的一種航空遙感傳感器，主要工作在可見光和近紅外波段，采用CCD對地面進(jìn)行攝影，直接獲得數(shù)字影像。通過后期數(shù)據(jù)處理，可生成數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)、數(shù)字表面模型(digital surface model，DSM)、數(shù)字正射影像(digital orthophoto map，DOM)和數(shù)字線劃圖(digital line graphic，DLG)等產(chǎn)品。隨著CCD等光電感應(yīng)器件技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字航攝儀技術(shù)得到了快速發(fā)展，以幾何及輻射分辨率高、影像質(zhì)量佳、多光譜(如藍(lán)光、綠光、紅光和紅外波段)及直接數(shù)字化等優(yōu)勢，逐漸取代了傳統(tǒng)膠片航攝儀。

現(xiàn)代大像幅航攝儀按成像原理主要可歸納為3類：①面陣框幅式航攝儀。這類航攝儀成像方式類似于傳統(tǒng)膠片相機(jī)的框幅式成像，按組成面陣的方式又可以細(xì)分為2種，一種是依據(jù)中心投影原理將多幅小面陣相機(jī)的影像拼接成一幅大面陣影像，主要有DMC Ⅱ，ULTRACAM，DiMAC以及國產(chǎn)的SWDC等相機(jī)；另一種是使用單個(gè)大面陣的CCD直接成像，以最新的DMC Ⅲ相機(jī)為代表。②線陣推掃式航攝儀。依據(jù)三線立體掃描成像原理，3個(gè)CCD線陣分別排列在前視、下視和后視的相機(jī)焦平面上；在飛機(jī)飛行過程中，推掃成像，能夠同時(shí)獲取立體影像和彩色多光譜影像。以Leica公司的ADS系列相機(jī)為代表。我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)支持研制了首臺國產(chǎn)機(jī)載大視場三線陣CCD相機(jī)GFXJ[12]。③步進(jìn)分幅式航攝儀(又可稱為擺掃式航攝儀)。這類航攝儀在飛機(jī)飛行過程中，垂直于飛行方向擺動掃視成像，在一個(gè)掃視周期內(nèi)獲取多幀影像，以構(gòu)成較大的旁向視場角(如國外的A3相機(jī))。中國自然資源航空物探遙感中心(以下簡稱“航遙中心”)針對大比例尺航空物探遙感綜合調(diào)查的需求，定制研發(fā)了ASC1100航空擺掃相機(jī)系統(tǒng)。

2.2.2.2 傾斜航攝儀

傾斜航攝儀與傳統(tǒng)數(shù)字航攝儀垂直下視成像方式不同，相機(jī)鏡頭以一定的傾斜角度對地進(jìn)行攝影成像。一般由多臺數(shù)碼相機(jī)組成，分別朝不同方向拍攝，從而獲取地物多角度信息。通過后期數(shù)據(jù)處理，可生成精細(xì)實(shí)景三維模型、DSM和真DOM等產(chǎn)品。利用實(shí)景三維模型，可對地物進(jìn)行多角度解譯，大大地提高了遙感地質(zhì)解譯的精度。目前主流的傾斜航攝儀有：國產(chǎn)的AMC5100，SWDC-5，TOPDC-5以及國外的Leica RCD 30，UItraCam Osprey，IGI Quattro-DigiCAM和IDM1000等。

2.2.2.3 機(jī)載LiDAR

機(jī)載LiDAR是一種安裝在飛機(jī)上的激光探測與測距系統(tǒng)，主要采用紅外到紫外光譜波段。其工作原理是通過測量飛機(jī)的空間位置和姿態(tài)，以及飛機(jī)對地距離和掃描角度，獲得地面掃描點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)。飛機(jī)的空間位置由全球定位系統(tǒng)確定，姿態(tài)由慣性測量單元確定，飛機(jī)對地距離由激光信號發(fā)射到接收之間的時(shí)間長短確定。由此獲取地面的DSM或DEM，而根據(jù)接收激光信號強(qiáng)弱可得到地物分類信息[13]。機(jī)載LiDAR是一種主動遙感傳感器，具有全天候、作業(yè)周期短、精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且能穿透稀疏的植被，是目前地形測量和三維建模的重要手段之一。

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)按應(yīng)用場景的不同，可分為地面地形測量系統(tǒng)和水深測量系統(tǒng)。機(jī)載LiDAR地面地形測量系統(tǒng)主要用于陸地地形測量。陸地LiDAR系統(tǒng)近年來發(fā)展迅速，除了最大測程、脈沖頻率和測量精度等硬指標(biāo)不斷提高之外，回收回波信號的方式也在進(jìn)一步改進(jìn)。目前主流的機(jī)載LiDAR廠商有Leica，Optech，Riegl和Trimble等[14]。傳統(tǒng)機(jī)載LiDAR主要采用線性模式，近年來出現(xiàn)了一種單光子雷達(dá)，采用與以往模式完全不同的光子計(jì)數(shù)工作模式，功耗更低、探測精度和效率更高，以Leica公司的SPL100為代表。機(jī)載激光水深測量系統(tǒng)，是一種利用激光測距技術(shù)獲取水深信息的航空遙感傳感器，其主要原理是借助紅外和藍(lán)綠激光，通過檢測海表和海底回波實(shí)現(xiàn)測深。一般機(jī)載激光水深測量系統(tǒng)同時(shí)具有海底地形測量和海岸地形測量功能，可實(shí)現(xiàn)水陸一體化無縫測量[15-16]。在“人下不去、船上不來”的淺?；驆u礁(含暗礁)淺水海底地形和水深調(diào)查中具有巨大的優(yōu)勢。機(jī)載激光水深測量系統(tǒng)的研制難度較大，目前產(chǎn)品主要有Optech公司的CZMIL，Leica公司的龍眼(DragonEye)、蝙蝠II(Chiroptera)和鷹眼III(HawkEye)，F(xiàn)ugro公司的LADS HD以及Riegl公司的VQ-880-G等。

2.2.2.4 機(jī)載高光譜成像儀

機(jī)載高光譜成像儀又稱成像光譜儀，主要工作在可見光、近紅外和短波紅外波段，在空間成像的同時(shí)，為每個(gè)像元提供數(shù)十至數(shù)百個(gè)窄波段的光譜信息；融合了成像技術(shù)和光譜技術(shù)，準(zhǔn)實(shí)時(shí)地獲取研究對象的影像和每個(gè)像元的光譜分布，可以大大提高遙感應(yīng)用的定量化水平[6]。機(jī)載高光譜儀使航空遙感技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，從地物鑒別(分類)發(fā)展到對地物的直接識別，從探測宏觀地物發(fā)展到探測地物的組分乃至化學(xué)組成[17]。目前國際上主流的機(jī)載高光譜儀有美國的AVIRIS、澳大利亞的HyMap、加拿大Itres公司的CASI，SASI，TASI以及我國上海技術(shù)物理研究所研制的OMIS和PHI等[18]。中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心也研制成功了國產(chǎn)機(jī)載高光譜成像儀。

2.2.2.5 機(jī)載SAR

機(jī)載SAR是一種主動式微波傳感器，工作在電磁波譜的微波波段(波長0.1 ～100 cm)，通過向成像區(qū)域發(fā)射電磁波能量，然后記錄來自目標(biāo)物的返回信號。機(jī)載SAR不受光照和天氣條件的限制，可全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測；在一定條件下，較長波長的微波還具有對地物的穿透性，其成像的立體效應(yīng)增強(qiáng)了地形信息；這些優(yōu)勢使得SAR遙感技術(shù)在地質(zhì)學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用及深入發(fā)展[5]。需要注意的是，機(jī)載SAR采用側(cè)視成像方式，且使用人眼不可見的微波波段，因此獲取的影像具有與光學(xué)影像不同的特征，對SAR影像的解譯需要經(jīng)過一定的專業(yè)訓(xùn)練。目前，典型機(jī)載SAR系統(tǒng)有美國的AIRSAR、加拿大的CV-580 SAR、丹麥的EMISAR、德國的E-SAR和巴西的OrbiSAR等[19]，這些SAR覆蓋了P，L，C和X等波段，且一般都具有全極化和干涉測量功能。我國于20世紀(jì)70年代開始開展機(jī)載SAR的研制，并已成功研制了多種型號的機(jī)載SAR系統(tǒng)。新的CASMSAR系統(tǒng)，可以獲取0.5～5 m空間分辨率的多波段(X和P波段)、多極化(HH，HV，VH和VV)干涉與立體SAR數(shù)據(jù)[20]。

2.2.2.6 UAV遙感傳感器

隨著電子、電池和芯片等技術(shù)的發(fā)展，一些體積、質(zhì)量、功耗水平都足夠低的UAV遙感傳感器不斷涌現(xiàn)[21]?，F(xiàn)在UAV上可搭載的遙感傳感器除了常規(guī)的數(shù)碼相機(jī)外，已出現(xiàn)了多光譜相機(jī)、高光譜相機(jī)、熱紅外相機(jī)、SAR和LiDAR等幾乎覆蓋整個(gè)電磁波譜段的遙感設(shè)備。據(jù)UVS-INFO統(tǒng)計(jì)，目前世界上用于UAV上的遙感傳感器達(dá)400多種。但目前在國內(nèi)UAV遙感應(yīng)用中，仍以光學(xué)相機(jī)為主，而高光譜相機(jī)、熱紅外相機(jī)、SAR和LiDAR等實(shí)際應(yīng)用中尚不普遍，這些設(shè)備在功能、性能及價(jià)格方面距離應(yīng)用需求尚有一定距離。

2.2.3 航空遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)

隨著航空遙感傳感器技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，航空遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)生了重大變化，針對各類遙感數(shù)據(jù)涌現(xiàn)出了大量的成熟商業(yè)軟件。

對于光學(xué)影像(含UAV)的處理，各類軟件層出不窮，主要有國外的PixelFactory，Inpho，IPS，Pix4Dmapper，PhotoMOD，Correlator3D，Imagestation SSK，PIEneering和國內(nèi)的Virtuozo，DPGrid，PixelGrid，RTechPro，Godwork，MapMatrix，SVSDPA等。一般都具有自動空三測量、DEM生產(chǎn)、DOM生產(chǎn)和影像勻光勻色等功能，但在處理效率和效果方面有所差異[22-23]。

對于傾斜攝影數(shù)據(jù)實(shí)景三維建模，主要有國外的ContextCapture Center，PhotoMesh，StreetFactory和國產(chǎn)的Mirauge3D，DP-Smart，SVSDPO等，能全自動地從二維數(shù)字影像生產(chǎn)實(shí)景三維模型。

對于LiDAR數(shù)據(jù)的處理，主要的商業(yè)軟件有TerraSolid，RealWorks，Cyclone，Pointools，Orbit Mobile Mapping，ENVI LiDAR，LP360和LiDAR360等，以及國內(nèi)科研院所和公司開發(fā)的一些工具軟件[24]。另外還有大量開源的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，可完成點(diǎn)云濾波、分類、DEM生成和可視化等處理。

高光譜圖像處理與信息提取技術(shù)的研究主要包括數(shù)據(jù)降維、圖像分類、混合像元分解和目標(biāo)探測等方面[25]。對于航空高光譜數(shù)據(jù)的處理，一般先使用硬件配套的處理軟件完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，再使用具有高光譜圖像分類和目標(biāo)探測能力的遙感軟件如ENVI，ERDAS，PCI和國產(chǎn)的HIPAS等[26-27]做進(jìn)一步處理和分析。通用的高光譜數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)通常將高光譜圖像處理算法、數(shù)據(jù)模型庫、數(shù)據(jù)存取與可視化等技術(shù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)對海量高光譜數(shù)據(jù)的定性和定量處理與分析。

對于SAR數(shù)據(jù)的處理，目前主要軟件有ERDAS，ENVI，Gamma，ROI_PAC，PolSAR Pro，EarthView，Doris和StaMPS等，這些軟件在干涉處理、極化處理等能力上各有所長。我國多家單位合作，也研發(fā)了國產(chǎn)的SAR影像處理解譯系統(tǒng)[28]。

對于機(jī)載航空傳感器集成的POS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解算，主要使用POSPac和Inertial Explorer等軟件。

除了商業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件之外，許多單位和個(gè)人也開發(fā)了免費(fèi)的遙感數(shù)據(jù)處理工具[29]。維基百科詳盡地列出了攝影測量和計(jì)算機(jī)視覺方面的軟件[30]。在這些開放的軟件中，由傳統(tǒng)攝影測量公司開發(fā)或發(fā)布的產(chǎn)品并不多，而由計(jì)算機(jī)公司、新興的UAV公司、網(wǎng)絡(luò)公司、土木工程和設(shè)計(jì)公司、社交媒體公司等開發(fā)的產(chǎn)品居多。開源軟件中，有一些軟件可以完成從影像到紋理模型的整個(gè)處理過程，有些軟件則只完成其中的一個(gè)或幾個(gè)中間流程。如果把從影像到模型的整個(gè)處理流水線分為運(yùn)動重建、密集點(diǎn)云匹配、三維三角網(wǎng)構(gòu)建和后處理(主要是紋理貼圖)4個(gè)工序，那么每個(gè)軟件可以或多或少地與其他1—3個(gè)軟件相結(jié)合，完成整個(gè)處理流程。除了開源攝影測量軟件，目前已有很多開源的激光掃描測量數(shù)據(jù)處理、瀏覽、分析軟件，如Quick Terrain Reader，BCAL LiDAR，F(xiàn)ugroViewer，MARSFreeView，Points2Grid，LAStool和CloudCompare等；還有許多開源的地理信息管理軟件，如GDAL，QGIS，SAGAGIS，GRASSGIS，OSSIM，SharpMap，WorldWind，MapWindow GIS，GeoTool和uDig等。

航空遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展動態(tài)及趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[31]：①海量多源遙感數(shù)據(jù)處理一體化。采用通用算法系統(tǒng)處理各種海量多源航空航天影像、光學(xué)和雷達(dá)影像、激光測距點(diǎn)云數(shù)據(jù)，打破先前不同類型遙感數(shù)據(jù)采用不同專業(yè)模塊進(jìn)行處理的傳統(tǒng)。②新型多CCD線陣、多鏡頭傾斜航空遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展迅速。非常規(guī)的大角度傾斜影像/大角度交會/寬基線影像自動配準(zhǔn)、多角度影像的聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差、地面密集DSM自動匹配、三維建模及紋理映射方法都取得突破性進(jìn)展[32-33]。③遙感數(shù)據(jù)處理更加自動化、智能化。攝影測量與計(jì)算機(jī)視覺和人工智能逐步深入融合[34-35]，航空遙感影像高精度定位/空中三角測量、DSM/DEM提取和DOM生成等算法迅速發(fā)展；結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺方法的傾斜或大交會角度影像高精度匹配算法取得巨大進(jìn)展；在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，有學(xué)者提出了“云控制”攝影測量的概念[36]；深度學(xué)習(xí)在圖像立體匹配和作物分類提取中獲得應(yīng)用[37-38]。④基于分布式、多核異構(gòu)云計(jì)算的海量遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到運(yùn)用。采用CPU/GPU多線程模式和基于高速局域網(wǎng)的多核CPU/GPU集群分布式并行數(shù)據(jù)處理方式，使得許多復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)變?yōu)榭赡?；通過云計(jì)算模型利用整個(gè)云網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算資源，能夠大大提高海量遙感數(shù)據(jù)處理的效率，形成強(qiáng)大的計(jì)算能力來滿足遙感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理[39-40]。

3 航空遙感技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中的典型應(yīng)用

地質(zhì)行業(yè)是航空遙感技術(shù)應(yīng)用最早且發(fā)揮作用較為顯著的行業(yè)之一。早在第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，國外就開始將航空攝影技術(shù)用于地質(zhì)領(lǐng)域。在20世紀(jì)50年代中期，我國原地質(zhì)部就將黑白航空相片應(yīng)用于秦嶺、柴達(dá)木及鄂爾多斯等地區(qū)的1∶20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查[1,41]。1972年，航遙中心的前身——原國家計(jì)委地質(zhì)局航空物探大隊(duì)成立了航空地質(zhì)組，從德國引進(jìn)了RMK-A型航空攝影相機(jī)，組建了我國第一支航空遙感地質(zhì)飛行專業(yè)隊(duì)伍，并首次在甘肅北山等地成功進(jìn)行了面積性黑白航空攝影生產(chǎn)飛行。20世紀(jì)70年代末，先后引進(jìn)了適用于低空和高空作業(yè)的遙感飛機(jī)，購買了各種焦距的航攝儀、多光譜掃描儀、熱紅外掃描儀以及配套的地面處理設(shè)備。在爾后的幾十a(chǎn)中，隨著航空遙感技術(shù)的快速發(fā)展，航空遙感在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查、水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查、礦山監(jiān)測和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[2,42-44]。

目前，地質(zhì)部門已形成強(qiáng)大的航空遙感數(shù)據(jù)獲取能力，擁有各類框幅式和推掃式數(shù)字航攝儀、適用于物探飛行模式的寬角數(shù)字航攝儀、傾斜數(shù)字航攝儀、機(jī)載LiDAR、機(jī)載高光譜成像儀、機(jī)載激光水深測量儀、遙感UAV以及完備的數(shù)據(jù)處理軟件與硬件，開展了大量的航空遙感地質(zhì)調(diào)查工作。本文以航空遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查、海岸帶地質(zhì)調(diào)查、礦山監(jiān)測和航空物探遙感綜合勘查中的應(yīng)用為例進(jìn)行簡要介紹。

3.1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

3.1.1 2008年汶川大地震災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查

2008年“5·12”汶川大地震發(fā)生后，航遙中心采用當(dāng)時(shí)國內(nèi)最先進(jìn)的航空遙感技術(shù)裝備和技術(shù)手段，開展了多平臺、多傳感器、多數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的航空遙感應(yīng)急災(zāi)害調(diào)查，第一時(shí)間為國務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部指揮抗震救災(zāi)、打通生命通道、防范次生地質(zhì)災(zāi)害、開展災(zāi)后重建等工作做出了特殊貢獻(xiàn)，成為科技抗震救災(zāi)的一個(gè)范例[45-46]。

3.1.2 三峽庫區(qū)航空遙感地質(zhì)調(diào)查

三峽庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景復(fù)雜，滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，是我國地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一。航遙中心先后于1984年、2003年、2009年、2017年多次開展三峽庫區(qū)高精度航空遙感地質(zhì)調(diào)查工作，查明三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布及發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，為庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治提供了航空遙感數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)依據(jù)。尤其是在2017年開展的新一輪三峽庫區(qū)航空遙感調(diào)查中，針對三峽水庫周期性蓄降水造成的庫岸再造以及消落帶的劇烈變化，綜合采用數(shù)字航空攝影(ADS100和UCXp-WA)、傾斜航空攝影(AMC5100)和低空UAV遙感等多種技術(shù)手段，獲取了三峽水庫175 m蓄水以來的最新高精度航空遙感數(shù)據(jù)，開展了地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境遙感解譯，為庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治、城市地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化調(diào)查及監(jiān)測預(yù)警等工作提供了第一手翔實(shí)、準(zhǔn)確的地質(zhì)資料[47]。

3.2 礦產(chǎn)資源勘查

從遙感數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)和提取成礦地質(zhì)背景、成礦地質(zhì)條件和成礦地質(zhì)形跡等與成礦地質(zhì)作用有關(guān)的成礦、控礦和找礦信息，建立遙感找礦模型。應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)，不僅可以直接識別與成礦作用密切相關(guān)的蝕變礦物，分析蝕變礦物組合，定量或半定量估計(jì)相對蝕變強(qiáng)度和蝕變礦物含量，評價(jià)地面化探異常，追索礦化熱液蝕變中心，圈定找礦靶區(qū)，而且還可探測一些蝕變礦物和一些造巖礦物的成分及結(jié)構(gòu)變異特征，用以分析蝕變帶的空間分帶特征、成礦成巖作用的溫壓條件、熱動力過程和熱液運(yùn)移的時(shí)空演化[48]。礦產(chǎn)資源勘查是高光譜遙感技術(shù)最成功、也是最能發(fā)揮優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域之一。航遙中心從“九五”開始，系統(tǒng)開展了高光譜礦物填圖和應(yīng)用研究，在主要巖礦反射光譜特征和影響因素、高光譜數(shù)據(jù)處理、礦物填圖及其地質(zhì)應(yīng)用方面都進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，使我國高光譜礦物填圖技術(shù)迅速趕上并接近世界先進(jìn)水平[17]。近年來，航遙中心與核工業(yè)北京地質(zhì)研究院、中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心、核工業(yè)航測遙感中心等單位合作，在我國西部重要成礦區(qū)帶開展了航空高光譜遙感調(diào)查與找礦預(yù)測工作，形成了一套相對完整的航空高光譜遙感礦物填圖技術(shù)體系，解決了航空高光譜數(shù)據(jù)在地質(zhì)工程化應(yīng)用中所遇到的問題，在數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理、礦物信息提取和區(qū)域找礦預(yù)測應(yīng)用等方面均取得了一定創(chuàng)新和成果[49- 50]。

3.3 海岸帶地質(zhì)調(diào)查

海岸帶地貌復(fù)雜，既有海洋水體，又有濕地、灘涂、海岸線以及陸地人文地物，通行困難，地面地質(zhì)調(diào)查工作難以開展，更難以實(shí)現(xiàn)海陸統(tǒng)籌，目前潮間帶和潮下帶淺水海域地質(zhì)調(diào)查仍基本處于空白。機(jī)載激光水深測量系統(tǒng)能夠快速、高效地獲取海岸帶海陸一體的地形數(shù)據(jù)，解決淺海“人下不去，船上不來”導(dǎo)致的基礎(chǔ)測繪地理信息缺失問題。機(jī)載高光譜技術(shù)可以提供豐富的海洋水色產(chǎn)品及相關(guān)成果，如懸浮泥沙濃度、葉綠素濃度、海岸侵蝕監(jiān)測和水底底質(zhì)分類等。航遙中心自2016年以來，采用數(shù)字航空攝影[51]、UAV遙感和機(jī)載激光水深測量等航空遙感技術(shù)以及航空物探技術(shù)開展我國海岸帶航空物探遙感綜合調(diào)查，為海岸帶地質(zhì)調(diào)查提供了重要技術(shù)支撐。其中，在2018年，使用CZMIL Nova Ⅱ系統(tǒng)，在我國近海開展了首次面積性的機(jī)載激光雷達(dá)水深測量生產(chǎn)試驗(yàn)，獲取了海岸帶近岸海陸一體地形數(shù)據(jù)，為我國開展大面積的機(jī)載激光水深測量積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

3.4 礦山監(jiān)測

遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源開發(fā)利用狀況、礦山地質(zhì)環(huán)境(含礦山環(huán)境恢復(fù)治理)和礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況的調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測。礦山遙感監(jiān)測已成為日常性地質(zhì)調(diào)查工作。航空遙感技術(shù)作為遙感的重要分支，在礦山監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。航遙中心自2010年開始進(jìn)行UAV遙感業(yè)務(wù)能力建設(shè)，逐漸形成了較為完備的UAV遙感監(jiān)測技術(shù)體系，并從2012年開始，先后在江西、吉林、山西、河北、新疆等全國多個(gè)地區(qū)開展了礦山UAV遙感監(jiān)測工作，飛行面積超過2萬km2，為礦山監(jiān)測提供了高精度的遙感數(shù)據(jù)[42,52-53]。航遙中心還利用機(jī)載LiDAR技術(shù)開展了礦山地面塌陷調(diào)查[54]；利用航空高光譜技術(shù)可以直接識別與礦山環(huán)境相關(guān)的污染物，定量分析其分布的范圍及變化趨勢[55]。

3.5 航空物探遙感綜合勘查

航空物探遙感綜合勘查是指在同一架飛機(jī)上裝載多種航空地球物理場測量設(shè)備、遙感傳感器以及輔助設(shè)備，進(jìn)行綜合航空勘查的一種技術(shù)方法。該方法因具有一次飛行可獲得綜合性的物探遙感信息，有利于提高探測效率和效果，降低成本，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)探測任務(wù)等優(yōu)勢，很早就受到重視。在國家863計(jì)劃的資助下，航遙中心針對航空物探飛行模式(飛行高度低、沿地形起伏飛行、大速高比)對航空遙感提出的新要求，先后研制了寬視場角數(shù)字航空攝影相機(jī)和無人值守的五拼相機(jī)遙感成像系統(tǒng)，集成了先進(jìn)實(shí)用的航空重磁遙綜合勘查系統(tǒng)，并先后在內(nèi)蒙古大井坡航空物探動態(tài)試驗(yàn)場和新疆哈密遙感地質(zhì)試驗(yàn)場開展了示范應(yīng)用，獲得了一批高質(zhì)量的測量數(shù)據(jù)，形成了工程化的勘查成果，顯著提高了航空物探遙感綜合探測能力和工作效率[56-57]。

4 結(jié)論與建議

本文通過回顧航空遙感技術(shù)的發(fā)展歷程，總結(jié)了航空遙感飛行平臺、傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；以地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查、海岸帶地質(zhì)調(diào)查、礦山監(jiān)測和航空物探遙感綜合勘查為例介紹了航空遙感技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中的典型應(yīng)用，得出下述結(jié)論與建議：

1)航空遙感是遙感的一個(gè)重要分支，是衛(wèi)星遙感發(fā)展的基礎(chǔ)，在地質(zhì)調(diào)查工作中有著長久而廣泛的應(yīng)用。隨著平臺技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，航空遙感技術(shù)也一直在持續(xù)發(fā)展中。近年來，航空遙感技術(shù)的發(fā)展日新月異，在航空遙感數(shù)據(jù)獲取能力上有了巨大的進(jìn)步。

2)相對而言，航空遙感數(shù)據(jù)快速處理能力和及時(shí)應(yīng)用服務(wù)能力，離實(shí)際應(yīng)用需求還有一定差距。因此，多源航空遙感數(shù)據(jù)一體化處理與集成分析、航空遙感數(shù)據(jù)的自動化與智能化快速處理以及航空遙感地質(zhì)機(jī)理分析仍是未來需要進(jìn)一步重點(diǎn)研究的方向。

志謝：在本文撰寫過程中,中國自然資源航空物探遙感中心的張宗貴教授等同志提供了資料和幫助，在此謹(jǐn)表誠摯謝意!