航空航天遙感影像在應急測繪上的應用和探索

鄧 楠

（新疆維吾爾自治區(qū)測繪成果中心,新疆 烏魯木齊 830002）

0.引言

現(xiàn)代遙感技術是在測繪技術和計算機等技術的基礎上，利用傳感器對地面目標進行探測、感知和成像的一門高新技術。根據(jù)遙感平臺距離探測對象的距離遠近，可以劃分為航天遙感、航空遙感和地面遙感。根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)格式的不同，又可以劃分為攝影式遙感、雷達波和TM遙感等。通過這些遙感手段，通?？梢垣@取地面物體的數(shù)字圖像，并輸入計算機中進行定性和定量分析、研究，從而為各種應急場景提供決策輔助和支撐。當前遙感技術已經(jīng)應用到自然資源監(jiān)測和國民經(jīng)濟發(fā)展的各個層面上，與智慧城市、數(shù)字政府、智慧民生、智能交通等各個數(shù)字領域高度融合，成為數(shù)字經(jīng)濟最搶眼的應用場景。災害應急測繪和保障作為遙感技術的核心應用場景，受到了國家、社會和人民群眾的全面關注。從1958年美國第一顆人造衛(wèi)星“探險者號”成功發(fā)射之后，歐美陸續(xù)發(fā)射了陸地觀測衛(wèi)星Landsat、SPOT、IKNOS、SkySat、WorldView、Plelades Neo，在航空航天遙感軟硬件上積累了巨大優(yōu)勢。我國四川汶川、青海玉樹發(fā)生了重大自然災害后，國家啟動Ⅲ級或以上救災應急響應，快速成立了由軍隊、科研院校、企業(yè)組成的應急測繪隊伍，協(xié)調(diào)國外最先進的航空攝影設備，同時向歐美國家申請最新的高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，對震區(qū)范圍內(nèi)滑坡、泥石流、堰塞湖等災害進行實時遙感監(jiān)測，為災區(qū)人民群眾撤離和救援工作提供了有力地支撐。在關鍵技術受制于歐美國家以及技術封鎖等不利局面下，國家布局了包括“高分專項遙感衛(wèi)星”“對地觀測腦”和“東方慧眼”在內(nèi)的系列重大專項課題，先后研制了中巴資源衛(wèi)星、海洋一號、高分系列、吉林一號、北京二號、高景系列地球觀測衛(wèi)星，實現(xiàn)了高分辨率遙感衛(wèi)星從“無”到“有”、從“有”到“好”的跨越式發(fā)展；同時，數(shù)字航空遙感攝影儀、大疆系列無人機、智能遙感智能解譯和大規(guī)模遙感圖像三維重建等技術都基本上實現(xiàn)了國產(chǎn)化，部分技術處于國際領先地位。這些自主可控的關鍵遙感基礎設施，大大提高了災害應急救援和災后重建的效率，而且應急測繪中積累的數(shù)據(jù)可以廣泛服務于海洋、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、鐵路、公路、電力、能源、氣象、環(huán)保、電信等行業(yè)，助力于國民經(jīng)濟和社會的高質(zhì)量發(fā)展。

1.航空航天遙感影像的特點分析

1.1 航空遙感影像的特點

基于機載航空平臺、無人機、熱氣球等遙感平臺，在海拔高度低于12 km的空中搭載大、中、小型數(shù)字航攝儀，對地球表面進行照片拍攝，獲取的數(shù)字圖像，稱為航空遙感影像。微軟UltraCam系列、徠卡ADS80和100系列、SWDC-5系列航攝儀，以及大疆RTK精靈4無人機都可以獲取這類遙感影像。這些航攝儀屢次出現(xiàn)在我國歷次重大自然災害的救援現(xiàn)場，在應急測繪中發(fā)揮了舉足輕重的作用。

航空遙感影像，基于推掃成像原理，沿軌道方向不滿足中心投影，可采用修正的共線性方程來計算與衛(wèi)星場景中各個掃描線相關的外方位元素參數(shù)值。每條掃描線都有一個獨特的透視中心和單獨的旋轉(zhuǎn)角度。當衛(wèi)星從一個掃描線移動到下一個掃描線時，這些參數(shù)將會改變。根據(jù)衛(wèi)星在軌道上的平穩(wěn)運動，可以用低階多項式函數(shù)建模。

1.2 航天遙感影像的特點

基于衛(wèi)星等平臺，在海拔高度高于150 km的空中搭載大、中、小型光學成像儀，對地球表面進行遠距離拍攝，獲取的衛(wèi)星圖像，稱為航天遙感影像。美國Landsat和WorldView系列，以及中國北京系列、高分系列、高景系列衛(wèi)星都可以獲取此類遙感影像。其中，北京三號可以獲取分辨率達到0.5 m的遙感影像，并且可以實現(xiàn)對地立體成像，在實景三維中國和災害應急領域具有廣泛應用。航天遙感影像，作為地面景物的中心投影構像，滿足共線條件方程的計算處理模型。

2.航空航天影像在應急測繪上的典型應用場景

航空航天遙感影像具備的各種特點，使其在全球的各種重大應急事件或者重大自然災害中發(fā)揮了重大作用。數(shù)碼航攝儀和無人機由于自身輕便靈活的特點，能夠?qū)暮诵膮^(qū)域的最新狀態(tài)進行快速成像，所以航空影像在此類災害應急測繪中優(yōu)勢更加明顯；而遙感衛(wèi)星通常位于太陽同步軌道或者地球同步軌道，距離地球表面較遠，單張航天影像可以覆蓋幾百平方千米范圍，如，北京系列三代衛(wèi)星幅寬可達23 km，在災害的宏觀統(tǒng)計分析上能夠達到較好的效果。

基于以上特點，通過應急測繪手段獲取的航天航空影像可以廣泛應用于包括地震、洪澇災害、城市邊坡坍塌等在內(nèi)的各類災害處置和救援過程，為減災防災提供了較好地數(shù)據(jù)支撐。

2.1 地震災害監(jiān)測和評估

通過對災區(qū)現(xiàn)場進行應急測繪航測作業(yè)，快速獲取災區(qū)的傾斜影像數(shù)據(jù)，并借助三維重建算法對災害地區(qū)進行真三維重建，可以第一時間還原現(xiàn)場的房屋、公路、山體、堰塞湖等實景信息，讓決策者直觀地掌握災情演變趨勢，評估次生災害發(fā)生幾率，為高效地開展應急救援提供有力地支撐。

2.2 洪澇災害監(jiān)測

借助多模態(tài)的時序化航空航天遙感影像，從影像中提取水體要素，并采用疊加分析和變化檢測算法進行洪澇災害變化信息提取，從而對洪澇災害進行一體化監(jiān)測，最終統(tǒng)計出歷年洪澇災害所覆蓋的面積、受災人口、農(nóng)作物受災面積，為災害的宏觀監(jiān)測和事后評估提供便捷手段。

2.3 城市邊坡坍塌監(jiān)測

采用無人機進行現(xiàn)場勘測和航飛作業(yè)，獲取現(xiàn)場全景照片、傾斜五鏡頭影像等數(shù)據(jù)，利用攝影測量工作站制作現(xiàn)場正射影像、實景三維模型、事故專題圖?；诂F(xiàn)場應急測繪成果，并收集災前航拍影像或者衛(wèi)星影像，為專家組進行災害前后現(xiàn)場比對、分析事故發(fā)生原因、事故現(xiàn)場危險性評價以及事故處置提供科學的數(shù)據(jù)支撐。

3.航空航天影像在應急測繪上的應用

對獲取的各類航天航空影像，主要的應用手段包括：災害區(qū)域變化檢測、災害區(qū)域目標檢測、災害區(qū)域三維重建等。

3.1 災害區(qū)域變化檢測

變化檢測，是將實時受災區(qū)域多期獲取的航空航天影像進行對比檢測，檢測建筑物、道路網(wǎng)等地物的數(shù)據(jù)變化情況[1]，并將目標增加或減少情況作為矢量進行輸出。

3.2 災害區(qū)域目標檢測

目標檢測，是通過航空航天遙感影像數(shù)據(jù)實時檢測固定的搜救目標（受災群眾、飛機、艦船、油罐等），可以輸出標注目標的圖片，也可以輸出目標切片及地理位置信息?；诒本┤柕母咚俪上衲芰蛼呙璺秶蟮膬?yōu)勢，可以對一個目標開展連續(xù)不間斷跟蹤，從而實現(xiàn)快速搜救。

3.3 災害區(qū)域三維重建

通過獲取的航空航天遙感影像對災害區(qū)域進行三維重建，可以直觀識別受災區(qū)域建筑物、高速公路、農(nóng)田、作物等破壞情況。徠卡RCD30 Oblique[2]、四維SWDC-Max6、中測新圖TOPDC-5傾斜航攝儀可以高效獲取災區(qū)的高分辨率航空影像，實現(xiàn)三維重建。三維重建需要進行密集點云匹配、TIN三角網(wǎng)構建、三維紋理映射等步驟[3]，主要技術流程如圖1所示。

圖1 災害區(qū)域三維重建流程圖

4.面向應急保障的航空航天影像應用處理流程

通過應急測繪獲取的影像數(shù)據(jù)本身存在畸變等問題，需要首先對圖像進行一系列后處理，方可滿足災害應急的需求。

面向應急的遙感影像應用處理的主要技術路線如圖2所示。

圖2 遙感影像應用處理流程圖

4.1 遙感數(shù)據(jù)獲取

通過在線或者離線方式，從數(shù)據(jù)中心或者硬盤中下載遙感影像源數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和波段合成等工作，生產(chǎn)的數(shù)據(jù)格式通常為*.img或者*.tif。

4.2 遙感影像數(shù)據(jù)處理

4.2.1 影像外定向處理

衛(wèi)星幾何形狀十分穩(wěn)定且傳感器參數(shù)（如焦點）是已知的，但是狹窄而平行的幾何光束會影響影像姿態(tài)和姿態(tài)的準確性和可靠性，為此需要進行外定向處理。外定向依賴于衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)。衛(wèi)星場景的頭文件中提供了衛(wèi)星軌道的星歷數(shù)據(jù)，以三維地心坐標方式給出了衛(wèi)星的位置，同時也提供了相機姿態(tài)等相關信息，以及拍攝的確切時間。

4.2.2 影像區(qū)域網(wǎng)空中三角測量

為了獲取影像中任意點的平面位置、高程和像片外方位元素，需要進行區(qū)域網(wǎng)空中三角測量。遙感影像區(qū)域網(wǎng)空中三角測量包含內(nèi)定向、相對定向、絕對定向等過程，主要技術流程如圖3所示。

圖3 影像區(qū)域網(wǎng)空中三角測量技術流程圖

航空遙感影像，滿足中心投影的成像原理，故能夠提供滿足共線條件方程的嚴格成像模型，直接采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差進行空中三角測量[4]。而航天遙感影像，不滿足中心投影的成像原理，不能直接采用共線方程來進行空中三角測量，故需要采用修正的共線性方程來計算與衛(wèi)星場景中的各個掃描線相關的外方位元素參數(shù)。每條掃描線都有一個獨特的透視中心和單獨的旋轉(zhuǎn)角度。當衛(wèi)星從一個掃描線移動到下一個掃描線時，這些參數(shù)改變。由于衛(wèi)星在軌道上的運動較為平穩(wěn)，可以用低階多項式函數(shù)進行計平差計算。如果對單張影像進行定向，就需要用到地面控制點，此時采用空間交會技術來計算外方位元素。此過程至少需要用到6個地面控制點，增加控制點數(shù)量會提高平差結果的可靠性。如果對多景影像進行定向，除了地面控制點，還需要一定數(shù)量的連接點參與計算。

4.2.3 DEM生產(chǎn)

基于空中三角測量的影像和外方位元素，利用改進半全局匹配算法[5]快速生成兩張影像重疊區(qū)域的數(shù)字地表模型數(shù)據(jù)，批量生產(chǎn)DSM成果，同時通過點云過濾和去噪算法去除地面以上的噪點，并對影像DSM進行人工檢查和編輯，生成DEM數(shù)據(jù)。

4.2.4 正射糾正

基于DEM數(shù)據(jù)，以多核多線程以及顯卡GPU計算的運算方式，對影像同時進行傾斜改正和投影差改正，批量重采樣生成正射影像。

4.2.5 影像融合

同一空間范圍內(nèi)的航天遙感影像獲取的信息通常包含多光譜和全色兩個通道，全色通道分辨率高，多光譜通道分辨率較低，需要加以智能化合成，生成彩色高分辨率的影像，使其最終包含更加豐富的信息。經(jīng)典的融合算法有：主成分變換、PANSHARP融合、比值變換、加權乘積、小波變換、高通濾波等。如，Landsat影像包含全色和多光譜兩張影像，通過PANSHARP融合算法，可以得到高分辨率的多光譜影像。

4.2.6 勻光勻色

由于單張像片內(nèi)色彩失真或者不均勻，以及多張像片之間色彩不統(tǒng)一，依據(jù)模板對海量遙感影像進行智能勻色，常用的勻色方法有：色彩平衡、線性或非線性拉伸、對比度調(diào)整、亮度調(diào)整、色度調(diào)整、飽和度調(diào)整和明度調(diào)整等。

5.結束語

航空航天遙感影像由于各自的技術特點，在應急測繪保障上發(fā)揮了高效、快捷、靈活等優(yōu)勢?；诤娇蘸教煊跋?，可對災害區(qū)域進行變化檢測、目標檢測、三維重建，方便救援現(xiàn)場科學決策以及災后科學研判，對于提高我國應急測繪保障水平具有重大意義。由于條件有限，本文沒有對空天一體化遙感影像聯(lián)合處理進行研究，這將是未來應急測繪的重要研究方向。