第1章 绪论
1.1 航空遥感数据处理技术
1.1.1 航空遥感
航空遥感又称机载遥感，是指利用各种飞机、飞艇、气球等作为传感器运载工具在空中进行的遥感技术，是由航空摄影侦察发展而来的一种多功能综合性探测技术。它是以中低空遥感平台为基础进行摄影（或扫描）成像的遥感方式，所获取的图像空间分辨率较高，且具有较大的灵活性，适合比较微观的空间结构的研究分析。
1.1.1.1 简介
航空遥感依飞行器的工作高度和应用目的，分高空（10000～20000m）、中空（5000～10000m）和低空（<5000m）三种类型遥感作业，具有机动、灵活的特点。近十几年随着空间技术的迅速发展，虽然航天遥感具有许多优越性，但是由于航空遥感具有成像比例尺大、分辨率高、几何纠正准确等优点，故航空遥感现在仍然是重要的遥感手段。
航空遥感平台不仅包括飞机、气球，而且还包括有人驾驶和无人驾驶的遥控飞机。航空遥感所应用的运载工具，仍以飞机为主，它具有分辨率高，调查周期短，不受地面条件限制，资料回收方便等特点，航摄飞机应具备航速均匀，航高不变，航行平稳，耗油量少，续航时间长（不得少于5h）等特性。高空气球或飞艇遥感具有飞行高度高、覆盖面大、空中停留时间长、成本低和飞行管制简单等特点，同时还可对飞机和卫星均不易到达的平流层进行遥感活动。
以往的航空摄影，仅限于感光胶片记录地物反射电磁波的能量。航空遥感除了以感光胶片作为传统记录外，还采用了光电转换，进行磁带记录。它把人们眼睛看不见的紫外、红外、微波信息，转换成人眼可见的图像和计算机使用的数字化磁带，以提供分析研究用的曲线和数据。
现代航空遥感已经成为对地观测系统的重要组成部分，在灾害应急响应检测、高精度地表测量、矿产资源探测等领域发挥着无可替代的作用。在国家863计划等科技计划的支持下、我国坚持自主创新，在高精度轻小型航空遥感、无人机遥感高效能航空SAR遥感等领域自主研发了先进、实用的可见光、红外、激光、合成孔径雷达等航空遥感传感器，打破了国外技术垄断和技术壁垒，研发出一系列适合我国国情的硬件、软件产品。形成了独具特色的全国航空遥感网，并在测绘、地矿、农业、水利、环保、交通、减灾、军事以及重大工程建设中发挥重要作用。今天，我国已发展成为世界航空遥感的大国与强国。
1.1.1.2 主要传感器
遥感方式除传统的航空摄影外，还有多波段摄影、彩色红外和红外摄影、多波段扫描和红外扫描、侧视雷达等成像遥感；也可进行激光测高、微波探测、地物波谱测试等非成像遥感。航空遥感所用的传感器多为航空摄影机、航空多谱段扫描仪和航空侧视雷达等。
航空摄影相机是安装在飞机上能对地面自动进行连续摄影的相机，它们均为专用相机，设计中考虑了焦距、像幅、几何性能、操作控制等诸多因素，具有成像清晰、分解力高、透光力强、几何精度好、操纵简便的特点，目前广泛应用的航摄相机有胶片式和数字式两种。由航空摄影机获取的图像资料为多种形式的航空像片（如黑白片、黑白红外片、彩色片、彩红外片等）以及数码影像。黑白片是城市航空摄影测量中使用的基本资料，目前，黑白航空摄影已覆盖全国范围至少一遍，这类像片一般具有几何变形小、像片倾斜角小、空间分辨率高以及可进行立体观察等特点，其用途极广；天然彩色摄影图像能较好地显示景物的天然色彩且具有较高的空间分辨率，其信息量比黑白像片丰富得多。但由于蓝光在穿过大气时被严重散射，使彩色航片的色调存在着不饱和、偏蓝绿色及波谱分辨率下降等缺陷。所以目前航空摄影一般都滤去蓝光波段，增加近红外通道，同时采用彩红外胶片成像；黑白红外片是在摄影时加用黑白滤光片，滤去全部可见光（或保留可见光的部分波长范围），同时使用增感红外敏感胶片而得。该图像对于那些对近红外波段辐射敏感（强吸收或强反射）的地物，如水体、植被等有较好的显示，具有较高的反差和地面分辨率；彩红外航片由于在摄影时滤去了蓝光波段，大气散射的影响减小，色调饱和度高，图像清晰。特别是由于增加了近红外通道，对水体、植被等地物的解像力大为提高，在航空遥感中得到了广泛应用。
由航空多谱段扫描仪可获得多光谱航空像片，通过加不同颜色的滤光片分光和使用敏感波段不同的黑白胶片摄影，可以同时获取多个波段的光谱数据，其信息量大大多于单波段航空像片。这种多谱段航片既可分波段使用，以分析对该波段敏感的地物类别和现象，也可以进行彩色合成，制成模拟的天然彩色航片或彩色红外航片等，亦可进行光学相关掩膜等处理，以突出显示某些信息。
成像光谱仪主要分为以下两种类型。
①光机扫描型：由光机扫描和飞行平台向前运动完成二维空间扫描，其光谱维的扫描由线列探测器完成，色散器件一般是由光栅和棱镜完成。该类型仪器的代表是美国的AVIRIS系统，我国上海技术物理研究所研制的OMIS也属此类。
②空间推扫型：由面阵器件的固体自扫描和飞行平台向前运动完成二维空间扫描，面阵器件的一维完成空间成像，另一维完成光谱的扫描，分光谱器件多数也是光栅和棱镜。加拿大的CASI，上海技术物理研究所的PHI均属此类。
侧视雷达（side-looking radar）是视野方向和飞行器前进方向垂直，用来探测飞行器两侧地带的合成孔径雷达。飞行器上的侧视雷达包括发射机、接收机、传感器、数据存储和处理装置等部分。早期使用真实孔径雷达探测目标，它借直接加大天线孔径和发射窄脉冲的办法来提高雷达图像分辨率。20世纪60年代后，采用合成孔径技术，使雷达探测分辨率提高几十倍至几百倍。现代侧视雷达在1万米高度上的地面分辨率已达到1m以内，相当于航空摄影水平。
侧视雷达的基本原理是用一个小天线沿飞行方向作直线运动，在移动中相隔一段距离发射一束微波，并接受地面目标对该发射位置的回波信号（包括振幅和相位）。飞行器飞行时，发射机不断向天线所扫掠的狭长地带发射强功率的窄脉冲波，天线接收从地面反射回来的回波，接收机输出视频信号。在飞行器上对此信号作必要的补偿后由显示器进行光调制。显示的光信息用胶卷记录下来。胶卷的移动速度与飞行器的运动速度成比例。在胶卷上还同时记录飞行器的瞬时位置和时间等。待飞行器返回地面后，把胶卷冲洗出来，用激光器进行光学处理便得到真实的地形图。对卫星上侧视雷达所获信息采用2种处理方法：①在卫星上将获得的信息实时处理成像，再向地面传送图像信息；②把未处理的信息传送到地面，在地面上用光学方法处理成像。
航空侧视雷达从飞机侧方发射微波，在遇到目标后，其后向散射的返回脉冲在显示器上扫描成像，并记录在胶片上，产生雷达图像。侧视雷达是一种主动式微波传感器，由于发射到地表的微波散射情况随物质种类和地表粗糙度的不同而变化，因此较高空间分辨率的雷达图像上包含地物的许多信息。另外，由于地物中含水率不同造成的导电率不同等情况，在图像上会有所显示，所以雷达图像又可用于经济作物、植物的含水量及长势，以及土壤含水量及古河道富水带的分析研究等。
侧视雷达具有下列特点：①具有全天候工作性能；②分辨率高，所摄照片清晰；③覆盖面积大，提供信息快，把飞行中连续拍摄的照片拼接起来可构成大面积的地形图，例如，飞机在1000m高度上飞行时，每小时可拍摄8000平方公里的地带，飞行一次可拍8万平方公里的地区，全部照片可记录在一米长的底片上；④不易受干扰；⑤具有分辨地面固定和活动目标的能力。
1.1.1.3 应用领域
（1）航空遥感在国家基础空间信息中的应用（C.Vincent Tao，2001）
航空遥感技术应用于地形图测绘等方面，即航空摄影测量，就是在飞机上用航摄仪器对地面连续摄取像片，结合地面控制点测量、调绘和立体测绘等步骤，绘制出各级比例尺地形图的作业。凭借着灵活机动、反应快捷、色彩逼真等特点，航空摄影测量已成为与卫星遥感、常规航空遥感并列的航空遥感技术，成为目前国家测绘局大力推广的新测绘技术。低空航测技术测量应用包括各级比例尺地形图的测绘、地籍测量，以及为数字城市建设、通信站点建设、交通规划设计等领域提供数据服务。
另外，城市规划和国土资源管理等方面的发展也离不开航空遥感的支持。航空遥感影像数据信息源内容丰富、综合性强，对城市基础地理信息数据进行快速采集和更新，满足了城市规划建设的急需，为城市可持续发展研究、动态监测城市发展变化研究等提供依据。通过大比例尺正射影像对特征明显的地类直接判读，对不明显的地类通过外业调查及结合相关资料等方式确定。与传统方式相比，这种方式能更全面、准确、快速地更新土地信息，使国土资源管理更具有权威性和科学性。
（2）航空遥感在资源和环境调查中的应用
当前社会的发展越来越注重生态效应，生态建设、环境保护、自然资源利用等状况备受关注。航空遥感手段可以对植被、水体、大气等环境问题进行定量研究，可为资源与生态环境调查、监测、评价、保护和利用提供技术与方法支撑。
下面具体从海洋、大气、植被及地质应用等方面说明航空遥感在资源和环境调查中的研究和应用。
海洋：航空遥感是海洋环境监测重要的手段之一，对于周期短、尺度小的海洋环境变化，航空遥感具有独特的优势。在近海海洋环境监测、海洋污染监测及海洋减灾等方面，它以其特有的高空间分辨率、光谱分辨率和机动灵活的特点，为广大海洋遥感工作者及管理决策部门提供了大量的科学研究数据和决策依据。
大气：大气航空遥感光谱监测是大气环境污染监测的一项高新技术，具有灵敏度高、分辨率高、多组分、实时、快速监测等特点。大气探测对光谱分辨率要求较高，一般用高光谱或超光谱成像光谱实现，如机载可见/近红外成像光谱仪（AVRIS）航空遥感数据。
植被：利用航空成像光谱仪对植被进行探测，可以实时快速并具有较高精确性地获得植被生态学信息，包括叶子水分、叶绿素、纤维素和其他色素含量，以及叶子和树冠结构等，尤其对“红边”位移的监测可获得有关植被生态胁迫的信息（植被红边向长波方向位移反映了植被光合作用的增强，是植被活力的表现；红边向短波方向位移引起光谱吸收深度的减少，往往代表了植被光合作用的减弱），从而间接实现对大气和环境的变化监测及其对植被生态的影响的监测。
地质：航空高光谱遥感应用于高精度的矿物识别和地质填图，已有较为成熟的发展。美国研究人员戈茨（Goetz）利用机载成像光谱仪（AIS）图像在美国内华达州进行了矿物直接识别研究；克鲁斯（Kruse）在同一地区利用GER公司成像光谱仪（GERIS）和机载可见/近红外成像光谱仪（AVIRIS）图像进行了高岭土、明矾石、钠长石、白云石、方解石等矿物的识别；我国科研人员王晋年利用GER公司成像光谱仪（GERIS）数据在新疆阿克苏西部进行矿物光谱识别、填图研究，利用模块化机载成像光谱仪数据在澳大利亚松谷铀矿区发现了铀矿的可能存在区。
（3）航空遥感在自然灾害监测与突发事件应对中的应用
在地震灾害监测中，航空遥感技术受时间和地域的限制较小，不受地震破坏的影响，能在地震发生后，准确、全面地获取灾情图像信息，并对后续次生灾害进行动态监测。航空遥感作为地震灾害应急中重要的遥感手段，具有分辨率高、灵活方便、实时性强、天气适应能力强等优势，在房屋倒塌调查、安置点设置、次生灾害监测与预警等方面发挥着至关重要的作用。
我国地震部门和中国科学院有关部门于20世纪60年代中期开始使用遥感技术获取地震灾情信息，先后对邢台、海城、唐山、大同等十几个破坏性地震的震中区进行了航空摄影，调查灾情，并进行不同比例尺的震害制图工作。2003年新疆巴楚一伽师地震后，利用航空遥感影像首次成功实现了在地震应急阶段获取震害遥感影像并进行了地震灾害评估。
机载热红外多光谱扫描仪是监测森林火灾的有效传感器，它设置了0.4～0.5μm、3～5μm和8～12.5μm三个探测通道。其中可见光通道用作背景，直观地反映地表自然景观；3～5μm通道是探测火灾的主要通道，通过探测火灾产生的高温温度场揭示地表火情；8～12.5μm通道用于揭示地表背景温度场（常温温度场）。机载CCD相机用于探测火灾的重点区，可以用来分析受灾程度和建立灾情解译分析标志。将热红外扫描仪和CCD相机结合，进行火灾区的航空监测飞行，对图像进行处理和解译，分析火灾的蔓延趋势和可能出现暗火的区域，为采取有效的灭火措施提供准确的依据。
机载合成孔径雷达是实施监测洪涝灾害的主要微波传感器，具有全天时全天候的探测能力，能够在夜间和阴雨天气实施探测任务。雷达发射的微波信号遇到水面后发生镜反射，大部分能量被水面反射，而没有产生回波，表现在雷达图像上是黑色，另外水陆交界部位往往形成角反射器现象，同样表现在合成孔径雷达（SAR）图像上水陆界线异常明显。因此可根据雷达回波的信息进行洪水淹没范围的探测。利用高空间分辨率的航空CCD遥感相机探测重点受灾地区的农田、居民点、工厂以及主要交通干线的受灾程度，进行灾情的详细分析，同时还要进行洪水伴生灾害（滑坡、泥石流、水库河流堤坝决堤）的探测，这样通过点、面结合使整个监测结果能够在指导救援时发挥更大的作用。
（4）航空遥感在重大工程监测中的应用
航空遥感可以为重大工程建设提供所需的精度较高和实时性强的地理空间数据，特别是对时间与空间跨度大的国家重点工程、地域覆盖广的工程更需要大范围、高精度的航空遥感影像、数字地面模型等基础地理信息数据和测绘技术的支持。另外，在重大工程项目验收与变形监测等方面，航空遥感也有重要的作用。例如通过航空遥感的手段对北京奥运主场馆区工程建设过程中环境、交通、场馆、绿地等焦点问题的改善和变化指标，进行立体的连续观测与年报信息发布，一方面监测工程进度与质量情况，另一方面以此为数据源开发了奥运主场馆区工程环境监测虚拟仿真示范系统，具有自主版权、基于Internet的虚拟奥运场景发布与浏览系统。这些立体、连续、累积的观测数据与标准化系列产品的直接用户是奥运组委会和政府，切实服务于奥运规划建设，为落实“绿色奥运”提供科学数据与信息，完成的航空遥感影像图为奥组委工程规划部和北京市规划委员会所采用，用于奥林匹克公园区的规划设计和奥林匹克公园周边地区的交通规划设计。
随着数据获取和处理技术的进步，服务重大工程项目的能力进一步加强，航空遥感摄影资料将会在重大工程建设项目中提供更为丰富的地理信息资料和技术支持。
（5）航空遥感在其他领域的应用
旅游：旅游资源是社会生活中不可缺少的重要资源。以航空遥感资料为基础，通过广泛的旅游资源调查，结合主要景点进行实地调研访问，对旅游资源的类型、分布、特征及分区等进行综合分析、制定合理的旅游区域规划建设，编制专题图，辅助制定合理的文物古迹、优秀历史建筑等保护对策，形成城市旅游资源的开发、利用和保护的良性循环，为城市旅游经济的可持续发展打下坚实的基础。
城市信息化建设：实现数字化、信息化已成为我国许多城市政府和各级经济部门的建设目标。影像信息服务平台以航空遥感影像、数字正射影像、数字线划图和数字高程模型等多源、多分辨率、多时态的空间数据及网络化服务体系作为支撑，结合社会、经济、文化、科研等方面的信息资源，可以适应不同层次的信息需求，为政府、企业和公众提供高质量的空间位置应用服务，为各部门信息化建设提供丰富的基础数据。
城市公共安全：城市公共安全是国家安全的重要组成部分，随着城市化进程的发展，我国将进入一个“突发事件高发期”。航空遥感技术结合地理信息系统（GIS）技术，开展突发事件应急处理测绘保障体系研究，建立应急指挥系统提供科学依据和技术平台。利用高分辨率航空影像勘查地形，辅助公安部门合理部署警力和救援力量，完成快速追捕和有效打击罪犯，在建立各种突发事件应急机制、提高政府应对公共危机过程中发挥重要作用。
1.1.2 航空遥感数据特点
航空遥感空间分辨率高，信息容量大；利用航空像片，可以取得较精确地位置、方位、距离、面积、高度、体积和坡度等数据，主要服务于较大比例尺的区域资源和环境调查、制图以及解决工程技术上的具体问题，其经济和社会效应明显（EL-Manadili，1996）。
航空遥感灵活，适用于一些专题遥感研究。它可以根据用户的需要，灵活选择具体特定空降分辨率、波谱分辨率、时间分辨率的传感器，设计航空遥感飞行的方案和路线等。
航空遥感作为实验性技术系统，是各种星载遥感仪器的先行检验者。一般来说，监测传感器的功能首先需要用遥感飞机作为平台在地面实验场上采集数据。
信息获取方便，航天遥感数据需要发射卫星，因此受到时间和空间限制，不能随时对感兴趣的目标进行观测，航空摄影的平台主要是飞机，受到的限制少，可以随时对地侦查或普查地区进行遥感。
航空遥感的主要缺点是飞行高度、续航能力、姿态控制、全天候作业能力以及大范围的动态监测能力较差，容易受天气等条件的限制。但作为一种探测和研究地球资源与环境的手段，它仍是方兴未艾、不可取代的。
1.1.3 航空遥感数据处理的技术要求
航空遥感数据的上述特点给空间信息资源的管理带来了巨大的挑战，同时随着技术应用范围的扩大和空间信息服务的逐渐普及，为了提高在遥感数据处理阶段的速度和产品精度，解决环境监测、灾害预警、应急响应等在实时或者近实时的遥感应用需求，快速地存储和处理采集到的航空遥感影像数据得到空间信息产品对处理的方式和速度提出了更高的要求.
我国将航空航天领域作为国家重点战略发展，在航空航天技术研究方面大力投入，体现了我国对于地球信息、空间信息及周边科研、应用领域的巨大需求。但是总体来说，我国对地观测技术及其产业的发展仍处于初级阶段，单机、机械式处理，没有形成自动化、业务化的产品生产流程。在行业与区域应用方面，航空遥感影像能够广泛应用于矿产勘查、资源开发、环境监测、土地利用、灾害应急响应检测等诸多领域。只有实现实时、高效地遥感数据处理，才能真正地将遥感影像应用于各行各业。这是目前我国研究发展遥感数据快速处理技术，追赶世界领先技术的重要目标。
1.1.4 航空遥感数据处理面临的主要问题
通过各种不同的遥感技术得到的对地观测数据飞速增长，与此同时，各个行业对于遥感产品的数据精度和数据处理时间都提出了更高的要求，处理精度要求越来越高，而处理时间则要求越来越短。在面对数据量庞大的处理需求，当前有限的处理能力显得捉襟见肘，应对如此庞大数据量的挑战，在异构环境下进行海量航空遥感影像的分布式存储和并行处理已经是发展趋势，但在某些方面仍有很多问题需要研究，主要体现在以下几个方面。
①基于冗余复制的分布式存储方式的改进。在当前分布式存储中，基于冗余复制的分布式存储方案所需的存储空间太大，不是存储优化的，通过提高冗余度用空间换效率，由于航空遥感影像本身文件体积较大，也会造成较大的空间浪费，而降低冗余度将造成计算任务的效率完全取决于数据存放节点的性能和网络带宽，当多点访问某个热点时，数据下载将遭遇I/O瓶颈问题，因此基于复制冗余的数据分离方式对航空遥感影像的存储而言并不是一种理想的分布方式，需要研究新的分布式存储方法解决安全、可靠和高效等问题。
②应用GPU快速处理航空遥感影像。由于CPU在设计时就是面向多种类型任务的通用计算，因此当前航空遥感影像处理的主流软件仍采用由CPU承担包括计算、调度等所有任务的处理模式，但在航空遥感影像采集周期越来越短，处理更新越来越频繁，实时性要求越来越高的今天，即使利用集群系统进行并行计算，单独依靠CPU作为主要计算资源已经不能满足海量航空遥感影像处理的需求，而GPU已经在很多通用领域展现了，它的超大并行计算能力和高效性，是解决海量影像处理和目前CPU计算能力不足的有效途径，因此研究应用GPU快速处理航空遥感影像是现有硬件条件下提高空间数据，特别是航空遥感影像处理效率的趋势和要求。
③在异构环境下CPU/GPU协同计算。现有的高性能计算机，包括天河一号在内，利用CPU和GPU混合计算，提高计算能力已经是一种趋势，但如何充分利用硬件平台的计算仍需要深入的研究，建立异构环境下协同计算平台是进一步提高当前地理空间计算能力的有效途径，因此如何建立异构计算平台以及在此基础上的并行处理、任务调度及负载均衡需要进一步探讨。目前已有的系统大部分是根据总影像的处理张数进行并行计算任务划分，这种方法划分简单，管理方便，但是任务粒度较粗，对于内轻量级线程以及和线程协同方面的划分探讨较少，另外分布式计算的效率取决于任务规模和处理节点性能的匹配，当任务规模较小或任务分配不均衡，由于不同异构计算节点的计算资源和硬件性能并不一致，一般的任务分配方法难以充分发挥所有计算节点的性能，这也是异构计算平台协同计算需要重点解决的问题。
④研发更先进的遥感影像处理软件。现在国内外流行的大部分遥感数据处理软件，例如：ERDAS、ENVI、ACGIS 大部分都是基于单机处理，不支持并行化数据处理，数据的吞吐量、数据的处理精度以及自动化程度不是很高，无法满足规模化、业务化的遥感产品生产需求。在面对海量遥感数据的分析与处理方面存在着以下不足：a.需要占用非常庞大的计算资源，单机CPU环境下处理比较困难；b.吞吐量非常小，不具备规模化的处理能力，无法适应对处理时间存在较高要求的行业应用；c.系统的可扩展性较差，软件的延展性较差，不提供软件扩展接口；d.自动化程度低，产品算法的运行仍然需要人为的操作干预，不能自动完成生产；e.系统可靠性较低，系统的响应时间较长，产品的生产精度较低；f.缺乏对于海量遥感数据的有效存储和管理；g.不支持多用户，多任务的并行处理机制。
1.1.5 航空遥感数据产品
根据目前基础地理空间数据生产技术发展和用户的需要，基础地理空间数据产品主要包括以下四种基本模式：数字线划图（DLG）、数字正射影像图（DOM）、数字栅格地图（DRG）、数字高程模型（DEM），简称为“4D”。这些产品可根据需要以数字和模拟两种形式提供。根据用户的需要可形成复合产品，如数字线划图与数字正射影像图叠加可形成数字影像地形图（朱述龙等，2006）。
①数字线划图，简称为DLG：是地形图上基础要素信息的矢量格式数据集，其中保存着要素的空间关系和相关的属性信息。数字线划图可满足各种空间分析要求，与其他信息叠加，可进行空间分析和决策。
②数字正射影像图，简称为DOM：是利用数字高程模型对扫描处理后的数字化的航空像片或遥感影像，逐像元进行辐射纠正、微分纠正和镶嵌，按标准分幅的地形图范围进行裁切生成的影像数据，带有公里格网和内、外图廓整饰和注记的影像平面图，具有地图的几何精度和影像特征。DOM具有精度高、信息丰富、直观真实的特点，可作为背景控制信息、评价其他数据的精度、现势性和完整性；从中可提取自然资源和社会经济发展信息或派生出新的信息，可用于地形图的更新。
③数字高程模型，简称为DEM：是在高斯投影平面上规则或不规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集。为控制地表形态，可配套提供离散高程点数据。
④数字栅格地图，简称为DRG：是以栅格数据格式存储和表示的地图图形数据文件。在内容、几何精度、规格和色彩等方面与地形图图形基本保持一致，可用于DLG数据的采集、评价和更新，也可与DOM、DEM等数据叠加使用，从而提取、更新地图数据和派生出新的信息。