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

董麗娜，佟晶

（中國國土資源航空物探遙感中心，北京100083）

引言

航空遙感（aerial remotesensing）又稱機載遙感，是指利用各種飛機、飛艇、氣球等作為傳感器運載工具在空中進行的遙感技術(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技術(shù)。在國土、測繪、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 國內(nèi)外航空遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外航空遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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

從空中拍攝地面的照片，最早是在1858年法國攝影師納達（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，當時風(fēng)很大。他用一些暗淡的正像制作出了一小幅地形圖，上面有一個農(nóng)場，三間農(nóng)舍和巴黎郊外的一個小酒館。

隨后，1860年—1899年間，美國人、俄羅斯人利用氣球、風(fēng)箏與相機連接在一起，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行了一次空中攝影。他把17個氣球風(fēng)箏連接在一起，攜帶1025磅重的巨型照相機，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而宏觀的畫面。

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

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，美國海軍通過航空攝影獲取了航空偵察圖片，這是第一個有正式記錄的正規(guī)航空攝影偵察活動。但航空攝影真正在森林調(diào)查和地圖測繪等民用方面的應(yīng)用，則是在10年之后。

隨后，攝影測量飛速發(fā)展，經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量、數(shù)字攝影測量三個階段的飛速發(fā)展。

在20世紀30年代的模擬攝影測量，模擬攝影測量儀器用兩根精密的空間導(dǎo)桿模擬前方交會，從像點坐標直接解算，給出其模型坐標，有效解決了傳統(tǒng)野外測量中前方交會、后方交會的計算問題。攝影測量和計算機的有機聯(lián)系，不需要人工的計算，實行了當時所謂“自動計算”。

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

隨著計算機技術(shù)和自動化識別技術(shù)的飛速發(fā)展，加快了解析攝影測量邁向數(shù)字攝影測量的步法。在數(shù)字攝影測量階段，計算機代替人工進行大量的計算，代替人眼識別同名點，真正意義上實現(xiàn)了自動化攝影測量的概念。

1.2 國內(nèi)航空遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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

1949年，隨著大規(guī)模的經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)急需地圖資料，航空攝影得到飛速發(fā)展。國家測繪局、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年軍委測繪局建立第一個航測隊時就設(shè)立了航攝組，為航測成圖提供航攝資料。為了加強民用航空攝影業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理，民航總局于1958年組建了民航航測大隊，將政府各部門的航攝技術(shù)力量和飛機等設(shè)備全部移交民航總局接管。各部門的航攝任務(wù)每年向國家測繪總局報送計劃，由國家測繪總局匯總平衡后交由民航總局安排其組建的專業(yè)航攝大隊實施。1966年民航航測大隊擴建為中國民航第二飛行總隊，1983年更名為中國民航工業(yè)航空服務(wù)公司，1989年又改為中國通用航空公司。直至1992年一直是我國惟一的民用航空攝影單位，幾乎承擔了全國所有的民用航空攝影業(yè)務(wù)。當時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)，其目的是測制國家基本地形圖和大型工程測圖。

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)展帶動了大比例尺航測制圖的迅速發(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”和“數(shù)字城市”的重要支撐數(shù)據(jù)。

中國科學(xué)院資深院士王之卓教授（1909－2002）是中國攝影測量與遙感學(xué)科的奠基人。他40年代發(fā)表了《航測垂直攝影光束仿射性變換》，對當時立體測圖技術(shù)有重要價值。50年代，針對外國專家的山區(qū)相對定向公式不足之處，提出了精度更高的公式。從理論上對航測成圖方法和空中三角測量的誤差進行了分析，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，第一次在中國提出了解析法空中三角測量加密理論與方案。80年代，指導(dǎo)完成了國家重點科研項目《全數(shù)字化測圖系統(tǒng)》，推動了中國攝影測量技術(shù)的變革與發(fā)展。

我國現(xiàn)在航空遙感在863計劃等國家科技計劃的支持下，研發(fā)了可見光、紅外、激光、合成孔徑雷達等航空遙感傳感器，擺脫了一味依靠國外航空遙感傳感器的缺點，突破了技術(shù)壟斷；尤其針對我國地勢地貌、地理國情等特點，有針對性地開發(fā)了航空遙感數(shù)據(jù)后處理軟件，達到了國家先進水平，在測繪、國土、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。中小型無人機飛行平臺依靠其成本低、操作方便、機動靈活的特點，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)字相機逐步發(fā)展到輕型寬幅數(shù)字相機、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)、陀螺平臺以及差分GPS接收機等，實現(xiàn)了高分辨率、大比例尺測圖，是有人機航空遙感的有效補充，在城市規(guī)劃、突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中充當了“先鋒”作用。

高效能航空SAR遙感應(yīng)用系統(tǒng)重點突破了系統(tǒng)總體與系統(tǒng)集成、X波段干涉SAR、P波段極化SAR、地形測圖處理等關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)指標滿足1:1萬、1:5萬測圖精度要求，形成了技術(shù)流程與標準，打破了國外技術(shù)封鎖，填補了國內(nèi)空白，使我國成為世界上第三個擁有先進航空SAR遙感系統(tǒng)的國家。該項技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于“西部測圖”國家重大工程，促進了航空SAR遙感產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

隨著航空數(shù)碼相機、機載激光雷達等新型傳感器的迅猛發(fā)展，攝影測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取能力有了空前的提高，同時也給空間數(shù)據(jù)的處理與存儲管理技術(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)和中國測繪科學(xué)研究院等單位創(chuàng)造性地將計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、高性能計算技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字攝影測量與遙感技術(shù)結(jié)合起來，研制出新一代數(shù)字攝影測量數(shù)據(jù)處理平臺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

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

（1）公益化突出發(fā)展。公益性遙感以提高空間對地球的觀測和認知能力，發(fā)展和提高地球科學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)水平，保護生態(tài)環(huán)境，增強對自然災(zāi)害的應(yīng)對能力為目標，大比例尺地理國情普查將極大依托航空遙感手段。同時，航空遙感與軍事遙感的結(jié)合，將為維護國家主權(quán)、保障國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，輕小型飛行平臺逐步成為遙感飛行主力；同時，航空數(shù)碼相機、機載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載荷的要求；高精度定位定向系統(tǒng)與慣性穩(wěn)定平臺等集成應(yīng)用，提高了航空遙感精度與效率。

（3）服務(wù)規(guī)?；⒓夯?、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，擴展深入到經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的各個領(lǐng)域；注重高空間分辨率、高光譜分辨率和高時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)營航空遙感技術(shù)及其數(shù)據(jù)供應(yīng)的企業(yè)在歐美國家快速興起，使得以商業(yè)利益為標志的航空遙感規(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 航空遙感在國土資源調(diào)查中的應(yīng)用

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

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

目前，已累計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按時蓄水，至2009年10月25日，三峽水庫壩前水位漲至170.39米，標志著三峽工程轉(zhuǎn)入正常運行階段，全面發(fā)揮防洪、發(fā)電和通航等功能。伴隨著庫區(qū)水位的提高，水面以下的一切地物被永久淹沒，庫區(qū)環(huán)境發(fā)生滄桑巨變。在這兩個歷史時刻，國土資源部和中國地質(zhì)調(diào)查局克服重重困難，于2003年135米水位蓄水前夕和2009年三峽庫區(qū)蓄水達175米水位之際，部署中國國土資源航空物探遙感中心完成了兩期三峽庫區(qū)高精度航空遙感攝影工作，獲取了三峽庫區(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，為三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治、庫岸穩(wěn)定性評價、工程建設(shè)、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展和國土資源規(guī)劃及管理工作提供了寶貴的歷史與現(xiàn)勢性基礎(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

航空遙感憑借其機動靈活優(yōu)勢，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，屬國內(nèi)首創(chuàng)。在災(zāi)后67小時第一時間獲取了重災(zāi)區(qū)航空遙感影像，共獲取了14個縣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)時資料，提供國務(wù)院救災(zāi)指揮及前線各救災(zāi)單位使用。通過對遙感圖像的解譯，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)害解譯與評價，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，互為補充。相較于衛(wèi)星航空遙感，航空遙感具有自主性強、精度高、效率高、靈活方便等優(yōu)點，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。尤其當前發(fā)展迅猛的無人機低空遙感技術(shù)，其機動、靈活、快速獲取數(shù)據(jù)的特點盡顯無疑。結(jié)合遙感地質(zhì)工作特點，針對不同比例尺、不同地區(qū)，投入不同手段航空遙感技術(shù)，實現(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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