中国海监航空遥感设备的应用前景分析

罗志清，蒋博文，张曼祺，徐 科，章 悦

（1.中国海监总队 北京 100860；2.中国海监东海航空支队 上海 200137）

中国海监航空遥感设备的应用前景分析

罗志清1，蒋博文2，张曼祺2，徐 科2，章 悦2

（1.中国海监总队 北京 100860；2.中国海监东海航空支队 上海 200137）

我国海洋面积辽阔、海岛众多、海岸线漫长，海岛海岸带地貌类型复杂多样，为了摸清海岛海岸带环境资源的现状和潜力，为海洋开发利用、生态与环境保护、防灾减灾等海洋综合管理和经济可持续发展提供科学依据，作为担负我国管辖海域巡视监察的中国海监总队自2005年以来，引进了机载激光雷达、机载航空摄影测量系统、高光谱及机载双谱扫描仪等航空遥感设备。文章主要就中国海监总队航空遥感设备应用前景进行分析。

机载激光雷达；航空数码相机；机载成像光谱仪；机载双谱扫描仪

我国海洋面积辽阔、海岛众多、海岸线漫长、海岛海岸带地貌类型复杂多样，有城市、港口、森林、湿地和海洋等。中国海监总队的主要职能是依照有关法律和规定，对我国管辖海域（包括海岸带）实施巡航监视，查处侵犯海洋权益、违法使用海域、损害海洋环境与资源、破坏海上设施以及扰乱海上秩序等违法违规行为，并根据委托或授权进行其他海上执法工作。为了摸清海岛海岸带环境资源的现状和潜力，为海洋开发利用、生态与环境保护、防灾减灾等海洋综合管理和经济可持续发展提供科学依据，作为担负我国管辖海域巡视监视的中国海监总队自2005年以来，引进了机载激光雷达、机载航空摄影测量系统、高光谱及机载双谱扫描仪等航空遥感设备，开展了大量的航空遥感调查工作。

由于机载设备的性能指标仅关系到数据获取的效率与质量，本研究主要就中国海监总队航空遥感设备的原理及应用前景进行分析。

1 机载激光雷达ALS50

用激光作为遥感设备可追溯到40多年以前，但机载激光雷达测量技术直到最近20年才取得重大进展。ALS50是Leica Geosystems公司生产的机载激光扫描集成系统，内置高分辨率量测级数码相机，具有自动数据标志功能，在飞行过程中可同时记录激光的距离信息、GPS定位信息、惯性定向信息、最多4次回波记录信息。

1.1 ALS50的工作原理

ALS50的工作原理是将激光脉冲测距仪放置在飞行器上，通过记录激光脉冲从发射到经地面目标物反射后的时间延迟，然后再乘以光速c，来确定发射点到地面反射点的斜距。与此同时惯性测量系统（IMU）测定飞行器在空间的姿态参数（侧滚角、仰俯角和航向角），GPS提供飞行器精确的位置信息。在后处理过程中，联合IMU确定的姿态信息、GPS测定的飞机航迹信息以及激光脉冲测定的倾斜距离，可求出每个激光焦点精确的三维空间直角坐标。通过扫描，就可获得具有一定带宽的大量地面点的三维坐标［1］。

ALS50数据最主要的作用是提取DEM。利用ALS50系统进行测高作业，根据不同的航高，其平面精度可以达到0.15～1m，高程可达到10cm以内，地面分辨率甚至可达到厘米级，能为测绘工程、数字地图和GIS应用提供精确的空间坐标信息和三维模型。ALS50数据另一个作用就是可以对地物进行分类。ALS50可记录4个脉冲回波，因而不但能区分森林顶部的树冠和森林下面的地面，还可区分森林间的构造和地面到树冠间的状况。

1.2 ALS50的应用

ALS50在许多领域得到普遍使用。除了用于获取三维地形表面模型外，ALS50已经成功应用于公路设计、管线、水利、洪水、城市三维模型的构建、高压线监测、地面和大坝的变形测量、森林和树木高度的测量。

1.2.1 海岸带工程建设

随着经济的发展，我国海岸带已处于三度空间的立体化开发状态，沿海地区大量兴建港口、码头、钢铁厂和核电站等。ALS50可为这些工程建设提供高精度地面高程模型（DEM），以方便设计和施工土方量的精确计算。

1.2.2 林业调查

ALS50的最早商业应用领域之一即为林业，森林和国土管理部门需要森林及树冠下面准确的地形数据。在传统技术下，树高与树的密度是很难获取的信息。ALS50在勘测树冠下地形的同时，还可以测量树的高度。在数据后处理中，独立的激光返回值可分为植被返回值和地面返回值，由此可计算出许多与林业相关的信息，如树高、树冠覆盖、材质和生态环境等，这些是常规航空摄影测量或地面测量技术难以获取的信息。

1.2.3 水利监测

ALS50对于河流监控和治理有着极其重要的意义，利用ALS50产生的三角网高程值可以用某一颜色赋值渲染，水利部门可直观预测洪水的范围，可测算出水位淹没区域面积以及其危害程度，制订防灾减灾方案及补救措施，进行有效的水利工程设计。

1.2.4 电力输送方面

在进行电力线路设计时，通过ALS50可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素情况。尤其在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力抢修的维护时，根据电力线路上的ALS50数据点和相应的地面裸露点，可以测算出任意一处线路距离地面的高度，极大地方便电网布设、抢修和维护管理。

1.2.5 数字城市方面

ALS50系统在城市中更能体现其不受航高、阴影遮挡等限制的优势，数据处理更具特色，广泛用于城市规划中的大比例尺地形数据获取［2］。利用ALS50数字地面模型DEM与GIS系统有机的结合，可以建立和完善“数字城市”系统，并可对数据进行实时更新。

2 航空摄影数码相机ADS80

ADS80采用线阵CCD推扫式数字成像技术，集成了全球卫星定位系统（GPS）和高精度惯性测量系统（IMU），其成果可以直接用于测绘生产作业，和其他数码相机相比，最显著的优点就是能够最大限度地减少了外业控制测量工作，提高了摄影测量的工作效率和成果质量。此外，ADS80采用CCD传感器设计的专业镜头，并采用层叠光束分离技术和干涉滤光技术，具有更好的光谱分离能力，保证了多光谱影像具有更准确的光谱信息，更好地满足了影像分类的要求。ADS80一次飞行就可同时获取100%重叠的3个全色波段、2个彩色波段、2个红外波段的相同分辨率的立体影像。

ADS80高分辨率航空遥感影像的分辨率达到0.05～0.2m左右，能监测出地面2m2左右的变化，具有广泛的应用价值，它可以应用于城市规划、建设和管理以及大型工程选址、房地产管理和水利等许多领域。

3 机载成像光谱仪AISA＋

高光谱遥感是20世纪80年代发展起来的一种具有重大突破性的遥感技术，与仅纪录几个相对较宽波段的多光谱遥感相比，它是在电磁波谱的可见光、近红外区域，获取许多波段非常窄且光谱连续的图像数据技术。由于高光谱成像系统获得的连续波段宽度一般在10nm以内，因此高光谱影像数据能以足够的光谱分辨率识别那些具有诊断性光谱特征的地标物质。多光谱遥感技术是无法探测到这些信息的，因为它们的波段宽度一般在几十个纳米，且在光谱上不连续。高光谱为遥感信息的定量化分析与应用提供了一种有效的手段，已在地质、生态、水文和海洋等领域得到广泛的研究和应用。

3.1 AISA＋系统

AISA＋是由芬兰Specim公司制造的推扫系统，包括一个高光谱扫描头、一台微型GPS/INS传感器和一台PC数据获取单元。它是一台航空成像光谱仪，是既能对地面目标成像又可以测量目标光谱特性的光学探测器。AISA＋机载高光谱成像仪获取数据的光谱范围为400～970nm之间，最小波长间隔为2.3 nm。一次最多可获取244个波段的影像数据。一方面可以获取影像信息；另一方面又可以获取地物的光谱信息。传感器的视场角为39.7°，飞行1 000m处获得数据的地面分辨率为1.41 m，空间分辨率比较高。但每次扫描空间象元数只有512个，飞行获取数据幅宽较窄［3］。

3.2 AISA＋的用途

3.2.1 大气环境研究领域

可应用于大气水汽含量与分布估算、气溶胶光学厚度估计以及大气光学特性评价等，尤其是气溶胶光学厚度估算边界层大气环境质量，为城市大气环境的研究提供了新的手段。

3.2.2 城市环境领域

航空高光谱遥感的显著特点使得其对于解决复杂的城市下垫面分类等问题独具优势，并已取得良好效果。

3.2.3 生物量估算等领域

航空高光谱遥感在植被参数估算与分析、植被长势监测与估产及生物量估算等领域得到广泛应用，尤其是近年来与逐步兴起的多角度遥感结合，建立与完善了双向反射模型，可以更精确地反演植被参数。

3.2.4 地质调查领域

地质调查领域研究是机载高光谱遥感较为成功的一个应用领域，其成果主要表现在两个方面：利用SAM等分类方法进行样式识别与分类，制作基础地质图；利用定量遥感模型，确定岩矿分布，反演矿物的丰度分布［4］。

3.2.5 海洋环境监测领域

在海洋及内陆水环境的研究中，机载高光谱遥感应用涉及的内容是反演水体的特征，包括悬浮物含量、叶绿素富集度和水体深度等［4］。高光谱遥感以特有的高光谱分辨率，对水体泥沙含量和污染浓度能有效识别，对调查和监测水环境具有独到的效果，可以反映水体的特征，包括悬浮物含量、叶绿素富集度和水体深度等。成像光谱数据精细的光谱特征和连续的谱段信息，可以排除大气干扰，分离水体近表层的后向散射辐射，区分和探测特定的藻类色素，还可对赤潮优势物种进行识别。

3.2.6 地表含水量和质地探测

高光谱影像对地表含水量的变化敏感，通过分析光谱特性的微小变化，可以探测到不同含水量地表的细微差别，土壤水分含量等特性的细微差异，在高光谱影像上都可以反映。借助高光谱影像连续光谱的特点，可以探测不同的土壤和岩石的质地［5］。

3.2.7 土壤荒漠化、盐渍化的定量探测

土壤盐渍化在一定程度上是一种严重的环境灾害，它造成了资源的破坏、农业生产的巨大损失，对生物圈和生态环境构成威胁。通过对土壤盐分含量高光谱定量反演技术方法的研究，可以实现土壤盐渍化定量分析。及时探测土壤盐渍化信息，评价盐渍化程度，对农业生产与生态环境保护至关重要［5］。

3.2.8 林业应用领域

高光谱遥感技术具有丰富的光谱信息优势，在森林资源调查与分类，以及森林火灾监测和评估、森林病虫害监测和森林资源变化等监测方面提供了广阔的应用前景，为科学而实时地进行森林资源管理提供了新的技术手段。

4 机载双谱扫描仪ABS

ABS机载双谱扫描仪是由美国AgonST公司制造，具有紫外、热红外两个通道的航空遥感设备。其中紫外通道波长0.32～0.38μm（UV）、热红外通道波长8.5～12.5μm（LWIR）。紫外通道只能是在白天并且具有良好的能见度情况下使用。热红外通道所探测到的是地面目标的热辐射能量，并与地面温度、强度相对应，其地理信息相对较弱，可在白天或黑夜无人造光源的条件下实施，是一种全天候的遥感，其局限性是空间分辨率低、易受环境影响。

ABS机载双谱扫描仪的应用非常广泛。①在监测洪水时，热红外可分辨正常河河段、渗漏水河段及周围干地。②监测溢油及其他污染时，紫外UV探头可探测溢油和周围海水之间的不同反射率，但只能是在白天并且具有良好能见度的情况下使用。IR探头可以探测溢油和海水的不同吸热和辐射率，溢油的厚薄层度不同，其吸热和辐射也不同，这样可以提供溢油厚度信息。还可监测港口和内河污染。③监测温排水。水热污染一直是环保工作中一个关注的焦点，在对水热污染的日常环境监测中，往往存在测量不方便、区域评估不准等问题。利用ABS热红外通道，可对电厂温排水水域进行水温反演，有效地对电厂温排水强度、扩散范围和环境影响进行评价。④监测城市热岛效应。热岛效应是由于人们改变城市地表而引起小气候变化的综合现象，在冬季最为明显，夜间也比白天明显，是城市气候最明显的特征之一。热红外遥感能够通过获取城市地表热辐射状况，捕捉城市下垫面热岛强度的大小和空间分布，进而推测出城市气温热岛强度的大小和空间分布，并为热岛成因分析和治理办法提供依据，是研究城市热岛效应的有效手段之一。

ABS热红外通道还可用于调查地表一般的热辐射特性，探测常温下物体温度分布、目标的温度场从而进行热制图，包括地热调查、土壤分类、水资源调查。此外，还对高温目标物的识别敏感，常用于获取高温目标的信息。火灾（如，森林起火、残火、隐火）、旱灾、活火山和火箭发射等。

5 总结与建议

中国海监总队引进的高空间分辨率、高光谱分辨率、紫外、远红外遥感设备，标志着中国海监航空遥感朝着精准化、定量化方向发展，有着广阔的应用前景。

高光谱的优势在于地物目标特性的精细提取和识别上，应重视高光谱遥感面向应用，建立针对典型地物的光谱特性、光谱模型与定量反演的方法。此外，高光谱遥感信息提取离不开相关领域的专业背景和对地物目标光谱特性的精确理解。

［1］ 全晓萍，宋志勇.LIDAR基本原理及其在电力勘测中的应用［J］.科技创新导报，2007，32.

［2］ 郑金水.LIDAR技术及其应用［J］.科技信息，2007（6）.

［3］ 陈蕾，邓孺孺，谢健.基于AISA＋机载高光谱的海上石油开发溢油监测研究：以珠江口海域为例［J］.海洋湖沼通报，2009（1）.

［4］ 束炯，王强，孙娟.高光谱遥感的应用研究［J］.华东师范大学学报：自然科学版，2006（4）：7.

［5］ 张利，戚浩平.高光谱遥感及其在青藏高原的应用潜力分析［J］.测绘科学，2008，33（增刊）：240－242.