0 引言
航空遥感作为地质调查的重要手段之一,在“遥感”这一术语产生之前,“航空地质调查”工作就已广泛开展[1]。长期以来,航空遥感数据一直是地质调查工作中的主要遥感数据源。近年来,航空遥感技术在飞行平台、传感器和数据处理技术等方面都有了巨大进步。无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)遥感平台蓬勃发展,航空遥感传感器波谱覆盖范围进一步扩展,数据处理效率和自动化水平不断提升,使航空遥感数据获取与处理方法都发生了质的飞跃,并在地质灾害调查和矿山监测等诸多应用领域取得了明显的地质效果,进一步提高了航空遥感技术在地质调查中的应用广度与深度。
本文通过阐述航空遥感技术的概念,回顾了航空遥感技术的发展历程,总结了航空遥感飞行平台、传感器和数据处理技术的发展现状,介绍了航空遥感技术在地质灾害调查、矿产资源勘查、海岸带地质调查、矿山监测和航空物探遥感综合勘查等工作中的典型应用,以期为航空遥感地质调查工作提供技术参考。
1 航空遥感概念
遥感,从字面理解即遥远感知的意思,是一种不接触被测地物,使用传感器接收、记录物体反射或发射的电磁波信息; 通过对信息的处理分析与解译,获得地物几何特性与物理属性信息的一门科学和技术。在遥感数据获取过程中,遥感传感器可搭载在不同高度的遥感平台上(如地面三角架、气球、飞机、卫星和宇宙飞船等)。根据平台的高度不同,可将遥感技术分为地面遥感、航空遥感与航天遥感(或卫星遥感),三者共同构成完整的遥感对地观测体系。
航空遥感,即以飞机、UAV、飞艇和气球等航空飞行器作为搭载平台的遥感技术。航空遥感传感器主要有光学相机、高光谱成像仪、合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)和激光雷达(light detection and ranging,LiDAR)等。航空遥感按航空飞行平台的不同,可分为有人机航空遥感和UAV遥感; 按传感器所使用的电磁波谱段不同,又可分为航空摄影、航空多光谱遥感、航空高光谱遥感、机载SAR遥感和机载LiDAR遥感等。
航空遥感是遥感的一个重要分支,其本身具有广泛应用和不可替代的作用,同时又是卫星遥感发展的基础和补充。与卫星遥感技术相比,航空遥感具有精度高和机动灵活等特点。航空遥感通过探测物体与电磁波的相互作用识别地物,有别于探测地球物理场(重力、电磁、放射性和能谱)及弹性波等特性的地球物理方法[2]。
2 航空遥感技术发展历程与现状
2.1 航空遥感技术发展历程
“遥感”作为一个专业术语由美国海军科学局普鲁依特在20世纪50年代中期提出[3],并在1962年美国召开的“环境遥感讨论会”上被正式采用。虽然“遥感”概念的使用至今不到60 a,但作为现代遥感技术起源的航空遥感却有着悠久的发展历史。
1826年,法国人尼埃普斯成功拍摄了世界上第一张相片[4]。1839年,法国画家达盖尔发明了银版摄影法,为航空摄影相机的诞生奠定了基础。1855年,法国人纳达尔提出了利用航空影像进行测绘的想法,并于1858年利用热气球进行了世界上首次航空摄影; 不幸的是,纳达尔的早期相片并没有留存下来,现存最早的航空相片是美国人布莱克于1860年在热气球上拍摄的波斯顿航空影像。19世纪末,摄影技术取得快速发展,胶卷和各种轻便型的照相机开始出现,将照相机带上天空逐渐变得可行和容易。除热气球外,很多人还使用风筝、鸽子及火箭等携带照相机开展航空摄影。
1903年,莱特兄弟发明了飞机,这是航空遥感发展史上的一个重要里程碑。自此以后,利用飞机开展航空遥感成为可能。1909年,威布尔·莱特第一次从飞机上拍摄了航空相片。在第一次世界大战中,由于军事侦察的需要,航空摄影技术得到迅速发展。美国人费尔柴尔德发明了世界上第一台真正意义上专门用于飞机上的航空摄影仪,使航空影像质量得到了大幅度提升,并成为之后几十a中航摄仪的质量标准。第一次世界大战结束后,航摄仪开始转向非军事用途。1921年,费尔柴尔德将设计的航摄仪用于地理测图,使用超过100张具有足够重叠的航空相片,生成了纽约市曼哈顿岛的镶嵌图。在其他国家,航空摄影也被广泛应用于地质、林业和农业等民用领域。在第二次世界大战中,航空遥感技术再次取得巨大进步,彩色摄影、多光谱摄影和雷达探测等技术得到快速发展,出现了工作在近红外和无线电波等非可见光电磁波谱段的传感器,飞行平台及影像判读、成图设备都有了较大发展。
20世纪50年代以来,随着材料技术、电子技术、探测器技术和计算机技术的不断发展,陆续出现了各种新型传感器,进一步拓宽了航空遥感覆盖的电磁波谱段。1960年,世界上第一部SAR问世[5]。1969年,贝尔实验室的博伊尔和史密斯发明了一种被称作电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)的元件,为数码相机的诞生奠定了基础。1983年,美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)成功研制世界上第一台成像光谱仪[6],使航空遥感技术在经历黑白摄影、彩色摄影和多光谱扫描成像之后,进入了高光谱遥感阶段。20世纪60年代起,人类就开始开展LiDAR测距技术实验,并在20世纪90年代初出现了商用的机载LiDAR系统[7]。2000年ISPRS阿姆斯特丹大会上,航空数码相机开始出现,至今航空数码相机已完全取代传统胶片式航空相机。同时,陀螺稳定平台及高精度定位定向系统(position orientation system,POS)也取得了巨大进步。有人机航空遥感的传感器基本上都配备有三轴自动稳定平台(如GSM 4000和PAV100等),以保障传感器在获取数据时俯仰、翻滚和偏航等姿态角尽可能小。航空传感器也集成了POS系统,同步获取航空影像的外方位元素,减少了对地面控制点的需求,以便于航空影像数据处理与制图。
在硬件设备迅速发展的同时,航空遥感数据处理与信息提取技术也逐步发展成熟,针对高空间分辨率、高光谱分辨率、LiDAR以及SAR等航空遥感专题数据处理的算法在性能上得到了进一步完善,数据处理的自动化和智能化水平不断提高,进而促进了航空遥感技术在地质、测绘、农业、林业、水利、海洋、环境及灾害等领域中的应用不断拓展与深化。
2.2 航空遥感技术现状
2.2.1 航空遥感平台
航空遥感平台可分为有人机和UAV平台。有人机航空遥感平台主要是固定翼飞机,在我国以国产的运系列飞机为主,引进的飞机包括奖状、大篷车、空中国王、大棕熊和PC-6等。目前,除8 000 m以上航高还主要使用奖状、里尔、运-8和呼唤等飞机外,中空普通航摄已普遍使用国产的运-5、运-11和运-12等飞机。适应小面积、低空高空间分辨率航摄的轻小型有人驾驶航摄飞机有蜜蜂、海鸥和海燕等。近年来,UAV遥感平台发展迅速,种类很多。据国际UAV组织在UVS-INFO网站发布的数据,目前世界范围内正在生产的UAV平台多达2 000余种。根据我国国家遥感中心建立的全国UAV遥感系统信息库统计,在用的遥感UAV按动力分类,燃油动力多于电池动力; 按气动外形分类,多旋翼多于固定翼; 按重量分类,30 kg 以下占绝大多数,也就是以轻小型UAV为主; 按航时分类,大部分小于1 h; 按起降方式分类,垂直起降和滑跑起降方式占据主流[11]。
2.2.2 航空遥感传感器
在航空遥感传感器中,数字航摄仪完全取代了传统胶片式航摄仪,多角度倾斜航空摄影系统逐渐成为实景三维建模的重要数据采集装备,机载LiDAR技术已成为地形测量和三维建模的重要手段,机载高光谱成像仪也已被广泛应用,各类UAV遥感传感器谱系逐渐完备。
2.2.2.1 数字航摄仪
数字航摄仪是目前应用最广泛的一种航空遥感传感器,主要工作在可见光和近红外波段,采用CCD对地面进行摄影,直接获得数字影像。通过后期数据处理,可生成数字高程模型(digital elevation model,DEM)、数字表面模型(digital surface model,DSM)、数字正射影像(digital orthophoto map,DOM)和数字线划图(digital line graphic,DLG)等产品。随着CCD等光电感应器件技术的进步,数字航摄仪技术得到了快速发展,以几何及辐射分辨率高、影像质量佳、多光谱(如蓝光、绿光、红光和红外波段)及直接数字化等优势,逐渐取代了传统胶片航摄仪。
现代大像幅航摄仪按成像原理主要可归纳为3类: ①面阵框幅式航摄仪。这类航摄仪成像方式类似于传统胶片相机的框幅式成像,按组成面阵的方式又可以细分为2种,一种是依据中心投影原理将多幅小面阵相机的影像拼接成一幅大面阵影像,主要有DMC Ⅱ,ULTRACAM,DiMAC以及国产的SWDC等相机; 另一种是使用单个大面阵的CCD直接成像,以最新的DMC Ⅲ相机为代表。②线阵推扫式航摄仪。依据三线立体扫描成像原理,3个CCD线阵分别排列在前视、下视和后视的相机焦平面上; 在飞机飞行过程中,推扫成像,能够同时获取立体影像和彩色多光谱影像。以Leica公司的ADS系列相机为代表。我国高分辨率对地观测系统重大专项支持研制了首台国产机载大视场三线阵CCD相机GFXJ[12]。③步进分幅式航摄仪(又可称为摆扫式航摄仪)。这类航摄仪在飞机飞行过程中,垂直于飞行方向摆动扫视成像,在一个扫视周期内获取多帧影像,以构成较大的旁向视场角(如国外的A3相机)。中国自然资源航空物探遥感中心(以下简称“航遥中心”)针对大比例尺航空物探遥感综合调查的需求,定制研发了ASC1100航空摆扫相机系统。
2.2.2.2 倾斜航摄仪
倾斜航摄仪与传统数字航摄仪垂直下视成像方式不同,相机镜头以一定的倾斜角度对地进行摄影成像。一般由多台数码相机组成,分别朝不同方向拍摄,从而获取地物多角度信息。通过后期数据处理,可生成精细实景三维模型、DSM和真DOM等产品。利用实景三维模型,可对地物进行多角度解译,大大地提高了遥感地质解译的精度。目前主流的倾斜航摄仪有: 国产的AMC5100,SWDC-5,TOPDC-5以及国外的Leica RCD 30,UItraCam Osprey,IGI Quattro-DigiCAM和IDM1000等。
2.2.2.3 机载LiDAR
机载LiDAR是一种安装在飞机上的激光探测与测距系统,主要采用红外到紫外光谱波段。其工作原理是通过测量飞机的空间位置和姿态,以及飞机对地距离和扫描角度,获得地面扫描点的空间位置坐标。飞机的空间位置由全球定位系统确定,姿态由惯性测量单元确定,飞机对地距离由激光信号发射到接收之间的时间长短确定。由此获取地面的DSM或DEM,而根据接收激光信号强弱可得到地物分类信息[13]。机载LiDAR是一种主动遥感传感器,具有全天候、作业周期短、精度高等优点,而且能穿透稀疏的植被,是目前地形测量和三维建模的重要手段之一。
机载LiDAR系统按应用场景的不同,可分为地面地形测量系统和水深测量系统。机载LiDAR地面地形测量系统主要用于陆地地形测量。陆地LiDAR系统近年来发展迅速,除了最大测程、脉冲频率和测量精度等硬指标不断提高之外,回收回波信号的方式也在进一步改进。目前主流的机载LiDAR厂商有Leica,Optech,Riegl和Trimble等[14]。传统机载LiDAR主要采用线性模式,近年来出现了一种单光子雷达,采用与以往模式完全不同的光子计数工作模式,功耗更低、探测精度和效率更高,以Leica公司的SPL100为代表。机载激光水深测量系统,是一种利用激光测距技术获取水深信息的航空遥感传感器,其主要原理是借助红外和蓝绿激光,通过检测海表和海底回波实现测深。一般机载激光水深测量系统同时具有海底地形测量和海岸地形测量功能,可实现水陆一体化无缝测量[15,16]。在“人下不去、船上不来”的浅海或岛礁(含暗礁)浅水海底地形和水深调查中具有巨大的优势。机载激光水深测量系统的研制难度较大,目前产品主要有Optech公司的CZMIL,Leica公司的龙眼(DragonEye)、蝙蝠II(Chiroptera)和鹰眼III(HawkEye),Fugro公司的LADS HD以及Riegl公司的VQ-880-G等。
2.2.2.4 机载高光谱成像仪
机载高光谱成像仪又称成像光谱仪,主要工作在可见光、近红外和短波红外波段,在空间成像的同时,为每个像元提供数十至数百个窄波段的光谱信息; 融合了成像技术和光谱技术,准实时地获取研究对象的影像和每个像元的光谱分布,可以大大提高遥感应用的定量化水平[6]。机载高光谱仪使航空遥感技术发生了质的飞跃,从地物鉴别(分类)发展到对地物的直接识别,从探测宏观地物发展到探测地物的组分乃至化学组成[17]。目前国际上主流的机载高光谱仪有美国的AVIRIS、澳大利亚的HyMap、加拿大Itres公司的CASI,SASI,TASI以及我国上海技术物理研究所研制的OMIS和PHI等[18]。中国地质调查局南京地质调查中心也研制成功了国产机载高光谱成像仪。
2.2.2.5 机载SAR
机载SAR是一种主动式微波传感器,工作在电磁波谱的微波波段(波长0.1 ~100 cm),通过向成像区域发射电磁波能量,然后记录来自目标物的返回信号。机载SAR不受光照和天气条件的限制,可全天时、全天候对地观测; 在一定条件下,较长波长的微波还具有对地物的穿透性,其成像的立体效应增强了地形信息; 这些优势使得SAR遥感技术在地质学中得到了广泛应用及深入发展[5]。需要注意的是,机载SAR采用侧视成像方式,且使用人眼不可见的微波波段,因此获取的影像具有与光学影像不同的特征,对SAR影像的解译需要经过一定的专业训练。目前,典型机载SAR系统有美国的AIRSAR、加拿大的CV-580 SAR、丹麦的EMISAR、德国的E-SAR和巴西的OrbiSAR等[19],这些SAR覆盖了P,L,C和X等波段,且一般都具有全极化和干涉测量功能。我国于20世纪70年代开始开展机载SAR的研制,并已成功研制了多种型号的机载SAR系统。新的CASMSAR系统,可以获取0.5~5 m空间分辨率的多波段(X和P波段)、多极化(HH,HV,VH和VV)干涉与立体SAR数据[20]。
2.2.2.6 UAV遥感传感器
随着电子、电池和芯片等技术的发展,一些体积、质量、功耗水平都足够低的UAV遥感传感器不断涌现[21]。现在UAV上可搭载的遥感传感器除了常规的数码相机外,已出现了多光谱相机、高光谱相机、热红外相机、SAR和LiDAR等几乎覆盖整个电磁波谱段的遥感设备。据UVS-INFO统计,目前世界上用于UAV上的遥感传感器达400多种。但目前在国内UAV遥感应用中,仍以光学相机为主,而高光谱相机、热红外相机、SAR和LiDAR等实际应用中尚不普遍,这些设备在功能、性能及价格方面距离应用需求尚有一定距离。
2.2.3 航空遥感数据处理技术
随着航空遥感传感器技术的进步和计算机技术的发展,航空遥感数据处理技术发生了重大变化,针对各类遥感数据涌现出了大量的成熟商业软件。
对于倾斜摄影数据实景三维建模,主要有国外的ContextCapture Center,PhotoMesh,StreetFactory和国产的Mirauge3D,DP-Smart,SVSDPO等,能全自动地从二维数字影像生产实景三维模型。
对于LiDAR数据的处理,主要的商业软件有TerraSolid,RealWorks,Cyclone,Pointools,Orbit Mobile Mapping,ENVI LiDAR,LP360和LiDAR360等,以及国内科研院所和公司开发的一些工具软件[24]。另外还有大量开源的点云数据处理软件,可完成点云滤波、分类、DEM生成和可视化等处理。
对于SAR数据的处理,目前主要软件有ERDAS,ENVI,Gamma,ROI_PAC,PolSAR Pro,EarthView,Doris和StaMPS等,这些软件在干涉处理、极化处理等能力上各有所长。我国多家单位合作,也研发了国产的SAR影像处理解译系统[28]。
对于机载航空传感器集成的POS系统的数据解算,主要使用POSPac和Inertial Explorer等软件。
除了商业数据处理软件之外,许多单位和个人也开发了免费的遥感数据处理工具[29]。维基百科详尽地列出了摄影测量和计算机视觉方面的软件[30]。在这些开放的软件中,由传统摄影测量公司开发或发布的产品并不多,而由计算机公司、新兴的UAV公司、网络公司、土木工程和设计公司、社交媒体公司等开发的产品居多。开源软件中,有一些软件可以完成从影像到纹理模型的整个处理过程,有些软件则只完成其中的一个或几个中间流程。如果把从影像到模型的整个处理流水线分为运动重建、密集点云匹配、三维三角网构建和后处理(主要是纹理贴图)4个工序,那么每个软件可以或多或少地与其他1—3个软件相结合,完成整个处理流程。除了开源摄影测量软件,目前已有很多开源的激光扫描测量数据处理、浏览、分析软件,如Quick Terrain Reader,BCAL LiDAR,FugroViewer,MARSFreeView,Points2Grid,LAStool和CloudCompare等; 还有许多开源的地理信息管理软件,如GDAL,QGIS,SAGAGIS,GRASSGIS,OSSIM,SharpMap,WorldWind,MapWindow GIS,GeoTool和uDig等。
航空遥感数据处理技术的发展动态及趋势主要表现在以下几个方面[31]: ①海量多源遥感数据处理一体化。采用通用算法系统处理各种海量多源航空航天影像、光学和雷达影像、激光测距点云数据,打破先前不同类型遥感数据采用不同专业模块进行处理的传统。②新型多CCD线阵、多镜头倾斜航空遥感数据处理技术发展迅速。非常规的大角度倾斜影像/大角度交会/宽基线影像自动配准、多角度影像的联合区域网平差、地面密集DSM自动匹配、三维建模及纹理映射方法都取得突破性进展[32,33]。③遥感数据处理更加自动化、智能化。摄影测量与计算机视觉和人工智能逐步深入融合[34,35],航空遥感影像高精度定位/空中三角测量、DSM/DEM提取和DOM生成等算法迅速发展; 结合计算机视觉方法的倾斜或大交会角度影像高精度匹配算法取得巨大进展; 在大数据时代背景下,有学者提出了“云控制”摄影测量的概念[36]; 深度学习在图像立体匹配和作物分类提取中获得应用[37,38]。④基于分布式、多核异构云计算的海量遥感数据处理技术得到运用。采用CPU/GPU多线程模式和基于高速局域网的多核CPU/GPU集群分布式并行数据处理方式,使得许多复杂的计算任务变为可能; 通过云计算模型利用整个云网络中的计算资源,能够大大提高海量遥感数据处理的效率,形成强大的计算能力来满足遥感数据的实时处理[39,40]。
3 航空遥感技术在地质调查中的典型应用
地质行业是航空遥感技术应用最早且发挥作用较为显著的行业之一。早在第一次世界大战结束后,国外就开始将航空摄影技术用于地质领域。在20世纪50年代中期,我国原地质部就将黑白航空相片应用于秦岭、柴达木及鄂尔多斯等地区的1:20万区域地质调查[1, 41]。1972年,航遥中心的前身——原国家计委地质局航空物探大队成立了航空地质组,从德国引进了RMK-A型航空摄影相机,组建了我国第一支航空遥感地质飞行专业队伍,并首次在甘肃北山等地成功进行了面积性黑白航空摄影生产飞行。20世纪70年代末,先后引进了适用于低空和高空作业的遥感飞机,购买了各种焦距的航摄仪、多光谱扫描仪、热红外扫描仪以及配套的地面处理设备。在尔后的几十a中,随着航空遥感技术的快速发展,航空遥感在区域地质调查、矿产资源勘查、水工环地质调查、矿山监测和地质灾害调查等领域获得广泛应用[2, 42-44]。
目前,地质部门已形成强大的航空遥感数据获取能力,拥有各类框幅式和推扫式数字航摄仪、适用于物探飞行模式的宽角数字航摄仪、倾斜数字航摄仪、机载LiDAR、机载高光谱成像仪、机载激光水深测量仪、遥感UAV以及完备的数据处理软件与硬件,开展了大量的航空遥感地质调查工作。本文以航空遥感技术在地质灾害调查、矿产资源勘查、海岸带地质调查、矿山监测和航空物探遥感综合勘查中的应用为例进行简要介绍。
3.1 地质灾害调查
3.1.1 2008年汶川大地震灾害应急调查
3.1.2 三峡库区航空遥感地质调查
三峡库区地质环境背景复杂,滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害频发,是我国地质灾害最严重的地区之一。航遥中心先后于1984年、2003年、2009年、2017年多次开展三峡库区高精度航空遥感地质调查工作,查明三峡库区地质灾害分布及发生、发展规律,为库区地质灾害防治提供了航空遥感数据支撑与科学依据。尤其是在2017年开展的新一轮三峡库区航空遥感调查中,针对三峡水库周期性蓄降水造成的库岸再造以及消落带的剧烈变化,综合采用数字航空摄影(ADS100和UCXp-WA)、倾斜航空摄影(AMC5100)和低空UAV遥感等多种技术手段,获取了三峡水库175 m蓄水以来的最新高精度航空遥感数据,开展了地质灾害与地质环境遥感解译,为库区地质灾害防治、城市地质调查、区域地质灾害精细化调查及监测预警等工作提供了第一手翔实、准确的地质资料[47]。
3.2 矿产资源勘查
从遥感数据中可以发现和提取成矿地质背景、成矿地质条件和成矿地质形迹等与成矿地质作用有关的成矿、控矿和找矿信息,建立遥感找矿模型。应用高光谱遥感技术,不仅可以直接识别与成矿作用密切相关的蚀变矿物,分析蚀变矿物组合,定量或半定量估计相对蚀变强度和蚀变矿物含量,评价地面化探异常,追索矿化热液蚀变中心,圈定找矿靶区,而且还可探测一些蚀变矿物和一些造岩矿物的成分及结构变异特征,用以分析蚀变带的空间分带特征、成矿成岩作用的温压条件、热动力过程和热液运移的时空演化[48]。矿产资源勘查是高光谱遥感技术最成功、也是最能发挥优势的应用领域之一。航遥中心从“九五”开始,系统开展了高光谱矿物填图和应用研究,在主要岩矿反射光谱特征和影响因素、高光谱数据处理、矿物填图及其地质应用方面都进行了较系统的研究,使我国高光谱矿物填图技术迅速赶上并接近世界先进水平[17]。近年来,航遥中心与核工业北京地质研究院、中国地质调查局西安地质调查中心、核工业航测遥感中心等单位合作,在我国西部重要成矿区带开展了航空高光谱遥感调查与找矿预测工作,形成了一套相对完整的航空高光谱遥感矿物填图技术体系,解决了航空高光谱数据在地质工程化应用中所遇到的问题,在数据获取与预处理、矿物信息提取和区域找矿预测应用等方面均取得了一定创新和成果[49,50]。
3.3 海岸带地质调查
海岸带地貌复杂,既有海洋水体,又有湿地、滩涂、海岸线以及陆地人文地物,通行困难,地面地质调查工作难以开展,更难以实现海陆统筹,目前潮间带和潮下带浅水海域地质调查仍基本处于空白。机载激光水深测量系统能够快速、高效地获取海岸带海陆一体的地形数据,解决浅海“人下不去,船上不来”导致的基础测绘地理信息缺失问题。机载高光谱技术可以提供丰富的海洋水色产品及相关成果,如悬浮泥沙浓度、叶绿素浓度、海岸侵蚀监测和水底底质分类等。航遥中心自2016年以来,采用数字航空摄影[51]、UAV遥感和机载激光水深测量等航空遥感技术以及航空物探技术开展我国海岸带航空物探遥感综合调查,为海岸带地质调查提供了重要技术支撑。其中,在2018年,使用CZMIL Nova Ⅱ系统,在我国近海开展了首次面积性的机载激光雷达水深测量生产试验,获取了海岸带近岸海陆一体地形数据,为我国开展大面积的机载激光水深测量积累了丰富经验。
3.4 矿山监测
遥感技术广泛应用于矿产资源开发利用状况、矿山地质环境(含矿山环境恢复治理)和矿产资源规划执行情况的调查与动态监测。矿山遥感监测已成为日常性地质调查工作。航空遥感技术作为遥感的重要分支,在矿山监测中发挥了重要作用。航遥中心自2010年开始进行UAV遥感业务能力建设,逐渐形成了较为完备的UAV遥感监测技术体系,并从2012年开始,先后在江西、吉林、山西、河北、新疆等全国多个地区开展了矿山UAV遥感监测工作,飞行面积超过2万km2,为矿山监测提供了高精度的遥感数据[42, 52-53]。航遥中心还利用机载LiDAR技术开展了矿山地面塌陷调查[54]; 利用航空高光谱技术可以直接识别与矿山环境相关的污染物,定量分析其分布的范围及变化趋势[55]。
3.5 航空物探遥感综合勘查
航空物探遥感综合勘查是指在同一架飞机上装载多种航空地球物理场测量设备、遥感传感器以及辅助设备,进行综合航空勘查的一种技术方法。该方法因具有一次飞行可获得综合性的物探遥感信息,有利于提高探测效率和效果,降低成本,实现多目标探测任务等优势,很早就受到重视。在国家863计划的资助下,航遥中心针对航空物探飞行模式(飞行高度低、沿地形起伏飞行、大速高比)对航空遥感提出的新要求,先后研制了宽视场角数字航空摄影相机和无人值守的五拼相机遥感成像系统,集成了先进实用的航空重磁遥综合勘查系统,并先后在内蒙古大井坡航空物探动态试验场和新疆哈密遥感地质试验场开展了示范应用,获得了一批高质量的测量数据,形成了工程化的勘查成果,显著提高了航空物探遥感综合探测能力和工作效率[56,57]。
4 结论与建议
本文通过回顾航空遥感技术的发展历程,总结了航空遥感飞行平台、传感器和数据处理技术的发展现状; 以地质灾害调查、矿产资源勘查、海岸带地质调查、矿山监测和航空物探遥感综合勘查为例介绍了航空遥感技术在地质调查中的典型应用,得出下述结论与建议:
1)航空遥感是遥感的一个重要分支,是卫星遥感发展的基础,在地质调查工作中有着长久而广泛的应用。随着平台技术、传感器技术、计算机技术及相关数学理论的发展,航空遥感技术也一直在持续发展中。近年来,航空遥感技术的发展日新月异,在航空遥感数据获取能力上有了巨大的进步。
2)相对而言,航空遥感数据快速处理能力和及时应用服务能力,离实际应用需求还有一定差距。因此,多源航空遥感数据一体化处理与集成分析、航空遥感数据的自动化与智能化快速处理以及航空遥感地质机理分析仍是未来需要进一步重点研究的方向。
志谢: 在本文撰写过程中,中国自然资源航空物探遥感中心的张宗贵教授等同志提供了资料和帮助,在此谨表诚挚谢意!
参考文献
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[J].<p>本文简要回顾了中国国土资源航空物探遥感中心的遥感技术发展历程，着重介绍新一轮国土资源大调查实施以来的主要技术进展与应用成果，并对今后我国国土资源遥感技术的发展方向进行分析。</p>
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遥感地质勘查技术与应用研究
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Magsci
[本文引用: 1]
<p>当代科技发展降低了无人机和遥感器的准入门槛。大众参与为无人机遥感领域注入了巨大的创造力,触发了无人机遥感创新发展的爆发式增长。当前,无人机已成为普适化和平民化的科学手段,无人机遥感数据在众多领域和部门呈现出取代通航遥感和卫星遥感数据的趋势。本文首先对无人机遥感所处的时代特征及其展现的科技特色进行了分析与归纳,然后列举了无人机遥感在抗震救灾、岛礁测绘、极地科考、精准农田管理等领域开展的典型应用,最后从无人机发展所致遥感数据供应结构性调整、无人机遥感地理学研究推动、遥感无人机试验场地布局等方面进行了展望。特别地,针对无人机遥感应用量大面广、数据分布多源异构等特点,本文提出了无人机遥感数据航母的概念。</p>
The mass innovation era of UAV remote sensing
[J].
国产机载大视场三线阵CCD相机GNSS偏心矢量和IMU视轴偏心角标定技术
[J].
Investigation on GNSS lever arms and IMU boresight misalignment calibration of domestic airborne wide-field three CCD camera
[J].
激光雷达森林参数反演研究进展
[J].
Review on forest parameters inversion using LiDAR
[J].
海洋测量技术研究进展与展望
[J].
The review of development of marine surveying technology
[J].
机载激光测深技术研究进展
[J].
The development of airborne laser bathymetry
[J].
高光谱矿物填图技术与应用研究
[J].<p> 回顾和总结了“九五”以来，中国国土资源航空物探遥感中心在高光谱矿物识别和矿物填图领域所取得的成果，包括主要岩矿光谱特征与影响因素分析； 矿物的种类识别、丰度反演和成分识别； 中—热红外多/高光谱的数据处理和矿物识别； 高光谱矿物识别的地质应用模式、矿物填图的工作方法和技术流程、矿物填图的技术体系； 矿物填图在区域地质找矿、矿区勘查和成矿与找矿模型、植物地球化学探测、矿山环境监测以及月球和行星探测等方面的应用示范。最后，提出了高光谱矿物填图近期的研究方向。</p>
Hyperspectral mineral mapping and its application
[J].
当代遥感科技发展的现状与未来展望
[J].
Current status and future prospects of remote sensing
[J].
Very-high-resolution airborne synthetic aperture Radar imaging:Signal processing and applications
[J].
机载多波段多极化干涉SAR测图系统-CASMSAR
[J].
An airborne interferometric SAR mapping system with multi-band and multi-polarization-CASMSAR
[J].
面向地质灾害调查的无人机遥感影像处理软件比较
[J].<p>为了给地质灾害调查中无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)遥感影像处理软件的选择提供参考,对国内外使用较多的DPGrid,PixelGrid,DPMatrix和Inpho等4款软件进行了评价。以固定翼无人机搭载的Cannon 5D MARK Ⅱ相机获取的江西省龙南县丘陵地区1个架次644张无人机影像作为实验数据,由同一操作者在同一实验环境下分别使用上述4款软件进行了影像预处理、空三平差、数字高程模型(digital elevation model,DEM)生产及数字正射影像图(digital orthophoto map,DOM)生产等实验,从软件功能、效率、成果质量及操作流程等方面进行了对比分析。研究结果表明:4款软件都具有完整的无人机遥感影像处理功能。在利用原始数据生成正射影像的处理效率方面,从高到低依次是Inpho,DPMatrix,DPGrid和PixelGrid;在地质灾害应急调查方面,比较适宜使用DPGrid和DPMatrix进行快速拼图,而对于地质灾害详查,4款软件都能满足需要,其中DPGrid和PixelGrid更方便进行精度控制;在数据处理方面,影像匀光匀色适宜使用Inpho和DPGrid,DEM和DOM成果编辑适宜使用DPGrid。</p>
Comparison of UAV remote sensing imagery processing software for geological disasters monitoring
[J].
几种无人机正射影像处理软件的比较
[J].
Comparison of several kinds of image processing software for unmannedaerial vehicle
[J].
三维激光扫描点云数据处理研究进展、挑战与趋势
[J].
Progress,challenges and perspectives of 3D LiDAR point cloud processing
[J].
高光谱图像处理与信息提取前沿
[J].
Advancement of hyperspectral image processing and information extraction
[J].
中国高光谱遥感的前沿进展
[J].
Current progress of hyperspectral remote sensing in China
[J].
面向对象高可信SAR数据精确处理
[J].
Object-oriented accurate processing for SAR images
[J].
从专业遥感到大众遥感
[J].
Remote sensing:From trained professionals to general public
[J].
基于多视影像匹配模型的倾斜航空影像自动连接点提取及区域网平差方法
[J].
Automatic tie-point extraction based on multiple-image matching and bundle adjustment of large block of oblique aerial images
[J].
Integration of aerial oblique imagery and terrestrial imagery for optimized 3D modeling in urban areas
[J].
从摄影测量到计算机视觉
[J].
From photogrammetry to computer vision
[J].
摄影测量的信息化与智能化
[J].
Informatization and intellectualization of photogrammetry
[J].
谈大数据时代的“云控制”摄影测量
[J].
An overview on “cloud control” photogrammetry in big data era
[J].
摄影测量与深度学习
[J].
Photogrammetry and deep learning
[J].
Deep learning for remotely sensed data
[J].
光束法平差简史与概要
[J].
A brief history and essentials of bundle adjustment
[J].
A new GPU bundle adjustment method for large-scale data
[J].
地矿部遥感地质工作的回顾与展望──庆祝地质矿产部成立40周年
[J].<p>遥感地质是以遥感技术进行区域地质、矿产调查和水文、工程、环境地质调查与监测的重要方法技术,在地质工作中发挥日益重要的作用。我国遥感地质工作发展可以划分为两个阶段,即50-60年代以黑白航片为主的航空地质阶段和70-80年代以现代遥感技术应用为主的遥感地质阶段,遥感技术包括了可见光、红外、微波等多波段成像,由单一飞机平台发展为卫星和飞机等多重平台获取不同高度的图像,并用计算机进行图像处理和解译等一系列信息获取、处理和应用的技术。</p>
Review and prospect of remote sensing geology work of the ministry of geology and mineral resources:Celebrating the 40th anniversary of the establishment of the Ministry of Geology and Minerals
[J].
贵州2010年6月28日关岭滑坡遥感应急调查
[J].
Remote sensing interpretation on June 28,2010 Guanling landslide,Guizhou Province,China
[J].
典型滑坡遥感影像特征研究
[J].<p>对于不同地质条件、成因类型和运动距离的滑坡,在不同分辨率遥感图像上显示的影像特征往往存在较大差别,尚难以确定统一的滑坡遥感识别标志。尤其对于规模较大、形成机理和活动规律复杂的远程滑坡和复合滑坡,一直是遥感识别的难点,可供借鉴的前人研究成果不多,目前主要还是靠地面调查。在国内外滑坡遥感调查成果调研以及国土资源大调查地质灾害遥感调查、近年来地质灾害应急遥感调查研究成果的基础上,分析和总结了笔者参与调查过的巫山大清坎滑坡、千将坪滑坡、武隆滑坡及西藏102滑坡群等典型滑坡的遥感影像特征,提出了滑坡(尤其是高速远程滑坡)的遥感识别标志,以期与同行专家共商榷。</p>
A study of remote sensing image features of typical landslides
[J].
抗震救灾中航空摄影测量的应急响应
[J].在抗震救灾行动中,航空摄影测量可提供高分辨的正射影像图、精确的DEM和三维景观图等测绘产品,并能提供各种直观、精确的可视化量测工具,帮助救援队伍及时制定出有效的救援计划并进行合理的人员调度.但在应急响应中,航空摄影必须沿着主要道路、河流、桥梁等重要交通干线进行,甚至在城市上空还需进行盘旋飞行,以获取居民区更多的地面信息.因此,如何能快速、高效地对这种"非常规"海量航空摄影数据进行处理,及时生成各类测绘产品,成为抗震救灾中航空摄影测量应急响应的关键.结合中国自主研发的数字摄影测量网格(DPGrid)系统对震区海量"非常规"航空影像快速处理的流程,介绍了航空摄影测量在应急响应中的应用.
The use of aerial photogrammetry in the fast response for China earthquake rescue
[J].
基于多视角遥感的三峡库区消落带数据融合与三维建模初探
C]//
Data fusion and 3D modeling of hydro-fluctuation belt in Three Gorges Reservoir Area based on multi view remote sensing
C]//
成像光谱矿物识别方法与识别模型评述
[J].<p>矿物识别和矿物填图是成像光谱应用最成功的领域之一。本文将国内外发展的矿物识别模型归纳为光谱匹配和以知识为基础的智能识别两大类型进行讨论。对光谱匹配方法分别从其方法的分类、光谱相似性测度、整体光谱匹配算法、局部光谱识别、亚像元光谱识别、混合像元分解和矿物端元选择、光谱减维和噪声弱化等方面作了评述。最后，讨论了矿物识别和填图研究中存在的主要问题，指出研究建立全谱段矿物识别方法和技术体系将是今后光谱矿物识别和矿物填图的重要发展方向。</p>
A review of mineral spectral identification methods and models with imaging spectrometer
[J].
HyMap-C机载高光谱仪定标方法与结果评价
[J].
Calibration method and results evaluation of HyMap-C airborne hyper-spectrometer
[J].
航空高光谱遥感矿物信息提取技术及其应用进展——以中国西部成矿带调查为例
[J].
Mineral information extraction technology by airborne hyperspectral remote sensing and its application progress:An example of mineralization belts of western China
[J].
海岸带数字航空摄影质量控制与评价
[J].
Quality control and valuation for digital aerial photography in coastal zone
[J].
基于无人机技术的山西袁家村铁矿区矿山开发遥感调查
[J].
Remote sensing survey of iron mine exploitation using UAV technology in Yuanjiacun,Shanxi
[J].
低空无人机遥感在矿山监测中的应用研究
[D].
Application of Low-Altitude UAV Remote Sensing in Mine Monitoring
[D].
机载LiDAR技术在地质调查领域中的几个典型应用
[J].<p>作为一种新型的主动式对地观测手段,机载激光雷达(light detection and ranging,LiDAR)技术可获取高精度的地表三维数据,精细刻画真实的地貌特征,为地质领域中的地貌分析提供直接观测数据。围绕机载激光雷达技术的优势,结合其在地表塌陷、滑坡和断裂构造信息探测3个方面的应用示例,论述了机载LiDAR技术在地质调查领域中的实际应用情况。分析表明:机载LiDAR技术可在大尺度区域微地貌形态调查中发挥优势,能有效识别植被覆盖区的地表塌陷、滑坡边界和细微错断地貌,而且有利于进行地表塌陷填方量计算、滑坡稳定性评价、地貌参数和裂隙的几何定量信息提取等,在地质调查领域中具有广阔的应用前景。</p>
Typical applications of airborne LiDAR technique in geological investigation
[J].
矿山环境高光谱遥感监测研究进展
[J].<p>在综合分析大量文献的基础上,归纳了高光谱技术在矿山次生矿物识别、重金属浓度反演、pH值定量估算、污染植被信息提取等方面的应用,总结了基于高光谱遥感提取有关氧化和脱水状态动态分析、气候变化追踪等信息的研究进展,展示了高光谱技术在矿山环境调查监测领域的广阔应用前景。研究表明,含铁硫化物及其氧化矿物标准光谱库的建立具有重大意义,推动了酸性矿山环境高光谱遥感研究; 对矿山环境地质作用与光谱响应之间关系的认识逐渐深入,促进了高光谱地质应用模型的开发; 高光谱数据蕴含着丰富的矿山环境地学信息,具备提取多方面重要信息的潜力。最后结合当前欧美发达国家开发高光谱小卫星的实际,指出今后矿山环境高光谱遥感研究将从矿物及矿物成分识别转向矿物形成时的物理化学性质反演、从短期调查向长期监测、从航空向航天、从单一矿山向成矿区带或大型矿集区转变。</p>
Progress in hyperspectral research and monitoring in mine environment
[J].
航空物探遥感联合探测技术现状及应用前景
[J].
DOI:10.6038/pg20140554
Magsci
[本文引用: 1]
<p>在总结国内外航空物探遥感联合探测技术发展现状基础上,分析了航空物探遥感联合探测技术在地球科学中的应用现状,分析了遥感分别与航空物探(包括磁、重、电磁、放)不同方法的联合技术在基础地质、资源与能源勘查、环境调查等方面的应用现状.探讨了航空物探遥感联合探测技术的应用前景.</p>
Aerogeophysical jointly remote sensing detection technology present and prospect
[J].
