中國海監航空遙感設備的應用前景分析

羅志清，蔣博文，張曼祺，徐 科，章 悅

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

中國海監航空遙感設備的應用前景分析

羅志清1，蔣博文2，張曼祺2，徐 科2，章 悅2

（1.中國海監總隊 北京 100860；2.中國海監東海航空支隊 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雜多樣，為了摸清海島海岸帶環境資源的現狀和潛力，為海洋開發利用、生態與環境保護、防災減災等海洋綜合管理和經濟可持續發展提供科學依據，作為擔負我國管轄海域巡視監察的中國海監總隊自2005年以來，引進了機載激光雷達、機載航空攝影測量系統、高光譜及機載雙譜掃描儀等航空遙感設備。文章主要就中國海監總隊航空遙感設備應用前景進行分析。

機載激光雷達；航空數碼相機；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雜多樣，有城市、港口、森林、濕地和海洋等。中國海監總隊的主要職能是依照有關法律和規定，對我國管轄海域（包括海岸帶）實施巡航監視，查處侵犯海洋權益、違法使用海域、損害海洋環境與資源、破壞海上設施以及擾亂海上秩序等違法違規行為，并根據委托或授權進行其他海上執法工作。為了摸清海島海岸帶環境資源的現狀和潛力，為海洋開發利用、生態與環境保護、防災減災等海洋綜合管理和經濟可持續發展提供科學依據，作為擔負我國管轄海域巡視監視的中國海監總隊自2005年以來，引進了機載激光雷達、機載航空攝影測量系統、高光譜及機載雙譜掃描儀等航空遙感設備，開展了大量的航空遙感調查工作。

由于機載設備的性能指標僅關系到數據獲取的效率與質量，本研究主要就中國海監總隊航空遙感設備的原理及應用前景進行分析。

1 機載激光雷達ALS50

用激光作為遙感設備可追溯到40多年以前，但機載激光雷達測量技術直到最近20年才取得重大進展。ALS50是Leica Geosystems公司生產的機載激光掃描集成系統，內置高分辨率量測級數碼相機，具有自動數據標志功能，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射到經地面目標物反射后的時間延遲，然后再乘以光速c，來確定發射點到地面反射點的斜距。與此同時慣性測量系統（IMU）測定飛行器在空間的姿態參數（側滾角、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，聯合IMU確定的姿態信息、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數據最主要的作用是提取DEM。利用ALS50系統進行測高作業，根據不同的航高，其平面精度可以達到0.15～1m，高程可達到10cm以內，地面分辨率甚至可達到厘米級，能為測繪工程、數字地圖和GIS應用提供精確的空間坐標信息和三維模型。ALS50數據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，因而不但能區分森林頂部的樹冠和森林下面的地面，還可區分森林間的構造和地面到樹冠間的狀況。

1.2 ALS50的應用

ALS50在許多領域得到普遍使用。除了用于獲取三維地形表面模型外，ALS50已經成功應用于公路設計、管線、水利、洪水、城市三維模型的構建、高壓線監測、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

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

1.2.2 林業調查

ALS50的最早商業應用領域之一即為林業，森林和國土管理部門需要森林及樹冠下面準確的地形數據。在傳統技術下，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。在數據后處理中，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相關的信息，如樹高、樹冠覆蓋、材質和生態環境等，這些是常規航空攝影測量或地面測量技術難以獲取的信息。

1.2.3 水利監測

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

1.2.4 電力輸送方面

在進行電力線路設計時，通過ALS50可以了解整個線路設計區域內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，根據電力線路上的ALS50數據點和相應的地面裸露點，可以測算出任意一處線路距離地面的高度，極大地方便電網布設、搶修和維護管理。

1.2.5 數字城市方面

ALS50系統在城市中更能體現其不受航高、陰影遮擋等限制的優勢，數據處理更具特色，廣泛用于城市規劃中的大比例尺地形數據獲取［2］。利用ALS50數字地面模型DEM與GIS系統有機的結合，可以建立和完善“數字城市”系統，并可對數據進行實時更新。

2 航空攝影數碼相機ADS80

ADS80采用線陣CCD推掃式數字成像技術，集成了全球衛星定位系統（GPS）和高精度慣性測量系統（IMU），其成果可以直接用于測繪生產作業，和其他數碼相機相比，最顯著的優點就是能夠最大限度地減少了外業控制測量工作，提高了攝影測量的工作效率和成果質量。此外，ADS80采用CCD傳感器設計的專業鏡頭，并采用層疊光束分離技術和干涉濾光技術，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，能監測出地面2m2左右的變化，具有廣泛的應用價值，它可以應用于城市規劃、建設和管理以及大型工程選址、房地產管理和水利等許多領域。

3 機載成像光譜儀AISA＋

高光譜遙感是20世紀80年代發展起來的一種具有重大突破性的遙感技術，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、近紅外區域，獲取許多波段非常窄且光譜連續的圖像數據技術。由于高光譜成像系統獲得的連續波段寬度一般在10nm以內，因此高光譜影像數據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。多光譜遙感技術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。高光譜為遙感信息的定量化分析與應用提供了一種有效的手段，已在地質、生態、水文和海洋等領域得到廣泛的研究和應用。

3.1 AISA＋系統

AISA＋是由芬蘭Specim公司制造的推掃系統，包括一個高光譜掃描頭、一臺微型GPS/INS傳感器和一臺PC數據獲取單元。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據的光譜范圍為400～970nm之間，最小波長間隔為2.3 nm。一次最多可獲取244個波段的影像數據。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處獲得數據的地面分辨率為1.41 m，空間分辨率比較高。但每次掃描空間象元數只有512個，飛行獲取數據幅寬較窄［3］。

3.2 AISA＋的用途

3.2.1 大氣環境研究領域

可應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境質量，為城市大氣環境的研究提供了新的手段。

3.2.2 城市環境領域

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

3.2.3 生物量估算等領域

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

3.2.4 地質調查領域

地質調查領域研究是機載高光譜遙感較為成功的一個應用領域，其成果主要表現在兩個方面：利用SAM等分類方法進行樣式識別與分類，制作基礎地質圖；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 海洋環境監測領域

在海洋及內陸水環境的研究中，機載高光譜遙感應用涉及的內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，對調查和監測水環境具有獨到的效果，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。成像光譜數據精細的光譜特征和連續的譜段信息，可以排除大氣干擾，分離水體近表層的后向散射輻射，區分和探測特定的藻類色素，還可對赤潮優勢物種進行識別。

3.2.6 地表含水量和質地探測

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光譜的特點，可以探測不同的土壤和巖石的質地［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境災害，它造成了資源的破壞、農業生產的巨大損失，對生物圈和生態環境構成威脅。通過對土壤鹽分含量高光譜定量反演技術方法的研究，可以實現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，對農業生產與生態環境保護至關重要［5］。

3.2.8 林業應用領域

高光譜遙感技術具有豐富的光譜信息優勢，在森林資源調查與分類，以及森林火災監測和評估、森林病蟲害監測和森林資源變化等監測方面提供了廣闊的應用前景，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，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、易受環境影響。

ABS機載雙譜掃描儀的應用非常廣泛。①在監測洪水時，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。還可監測港口和內河污染。③監測溫排水。水熱污染一直是環保工作中一個關注的焦點，在對水熱污染的日常環境監測中，往往存在測量不方便、區域評估不準等問題。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、擴散范圍和環境影響進行評價。④監測城市熱島效應。熱島效應是由于人們改變城市地表而引起小氣候變化的綜合現象，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，是研究城市熱島效應的有效手段之一。

ABS熱紅外通道還可用于調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，包括地熱調查、土壤分類、水資源調查。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。火災（如，森林起火、殘火、隱火）、旱災、活火山和火箭發射等。

5 總結與建議

中國海監總隊引進的高空間分辨率、高光譜分辨率、紫外、遠紅外遙感設備，標志著中國海監航空遙感朝著精準化、定量化方向發展，有著廣闊的應用前景。

高光譜的優勢在于地物目標特性的精細提取和識別上，應重視高光譜遙感面向應用，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領域的專業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用［J］.科技創新導報，2007，32.

［2］ 鄭金水.LIDAR技術及其應用［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溢油監測研究：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用潛力分析［J］.測繪科學，2008，33（增刊）：240－242.