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遥感平台及航空摄影
内容

  中国处在现代化、城市化的进程中。大规模的建设工程、快速增长的工农业生产以及伴随发生的环境保护要求,对高分辨率遥感影像,尤其是可见光高分辨率立体影像的需求量很大。因此,国内航空遥感市场长期旺盛,只是受制于天气和技术的限制,目前还处于供不应求的状况,近几年,每年航空遥感覆盖面积70-80万平方公里。

  1.航空遥感平台

  我国航空遥感平台按是否有人驾驶分为有人机航空遥感平台、无人飞行器两类(图1)。

图1 航空遥感平台

  (1)有人机航空遥感飞机 (2)有人轻型机 (3)低空遥感无人机 (4)无人飞艇

  (1)有人机航空遥感平台

  除8000m以上航高目前还主要使用进口的奖状、里尔等飞机外,中空普通航摄已普遍使用国产的运5、运8、运12和呼唤等飞机。近几年,适应小面积航摄和低空高分辨率航摄的需求,研制生产了多种轻小型有人驾驶航摄机,例如,蜜蜂、海鸥、海燕等。这些飞机作为遥感平台可分别搭载多种航空遥感仪器,如航空数码相机、高像素航空数码相机、RC30航空照相机、RMK TOP航空摄影仪、LMK2000航摄仪、DMC全数字航摄仪、三维激光雷达(LIDAR)、低空数码遥感系统、机载合成孔径雷达(INSAR)、机载成像光谱仪以及IMU/DGPS CCNS导航设备等。

  (2)无人飞行器

  无人飞艇较之无人驾驶固定翼飞机突出优点是可以飞得更低(低至离地100米),更慢(慢至每秒10米以内),更灵活(完全无需机场),因而可以安全地获取城市建筑物各个侧面的高清晰度影像,可以实现高精度测量,可以更机动灵活地执行小城镇、建设工地和农村的散列分布式任务。

  高端多用途无人机航空遥感系统由五个子系统组成:飞机平台系统,测控及信息传输分系统;轻小型多功能对地观测传感器系统;遥感空基交互控制系统;地面实验/处理/加工系统;综合保障系统。主要性能参数如下:巡航高度为200m-11000m;最大续航时间>20小时;信号传输作用距离视距 >200km;最大遥感设备载重为120kg;抗风能力能抗最大风力7级(约15米/秒);抗雨能力能抗大雨;可以夜间作业;起降方式的主模式为轮式,辅助方式弹射起飞,或伞式回收等4种备份手段。

  中国无人飞行器航空遥感技术的进步不仅表现在无人飞行器的研制,还表现在正好适用于航空遥感的飞行控制系统、遥感通讯系统的研制,更表现为轻小型化传感器及其数据处理系统相匹配的航空遥感系统集成,最终形成可执行航空遥感任务的业务系统

  我国已有多家科研机构和公司研制出轻小型无人机遥感系统(固定翼无人机和无人直升机低空遥感系统)。目前比较适用的低空遥感无人机,一般任务载重10-20千克,安装1-4个面阵数码相机,适宜获取0.05-0.50m分辨率的光学彩色影像。机上安装GPS和轻小型稳定平台,因此可以支持全自动空中三角测量,实现稀少地面控制点的高精度测量。

  无人飞行器遥感技术有其他遥感技术不可替代的优点,可成为卫星遥感和有人机遥感的有效补充手段。这些优点是:可以在云下低空获取高清晰度的光学影像;可以低空、低速安全飞行,配备轻小型传感器后可获取甚高分辨率(厘米级)影像,实现高精度三维测量;可以完全由程序控制沿复杂航迹,以复杂姿态飞行,以获取特定目标(例如滑坡)和城市建筑物的多面体影像;灵活、机动,可以无机场起降,用户可以自由拥有;高空长航时无人机适合执行困难地区的特殊任务。

  2.高空机载遥感系统

  以高空遥感飞机为平台的遥感集成系统(图2),装载了我国研制的各种机载遥感仪器。它们是:

  (1) 模块化成像光谱仪(OMIS)

  模块化成像光谱仪(OMIS)的主要技术特点为模块化、波段覆盖宽,具有128个波段,波段覆盖范围0.46?m至12.5?m;仪器具有700以上的扫描视场;模块化结构,扫描系统,成像系统和光谱仪系统均为独立模块;可产出标准化图像数据产品。

  (2) 推帚式超光谱成像仪(PHI)

  推帚式光电遥感器特点是高光谱分辨率、高灵敏度和无机械运动部件等性能,使其成为新一代对地观测技术系统。推帚式超光谱成像仪(PHI),波段数为244个,光谱范围0.40?m和0.85?m,光谱分辨率小于5nm,扫描视场420,信噪比大于500。

  (3) 数字航空摄影仪(SWDC-4)

  数字航空摄影仪(SWDC)的SWDC-4基于哈苏高档民用相机,经过加固、精密单机检校、平台拼接、精密平台检校,并配备测量型GPS接收机、GPS航空天线、数字罗盘、航空摄影管理计算机、地面的后处理计算机和大量的空中软件、地面软件,是一种航空摄影与航空摄影测量为一体的集成系统,已实现了无摄影员操作的精确GPS定点曝光。既适用于城市大比例尺图,正射影像图,也适用于国家中小比例尺地形图的测绘。

  (4) 大面阵CCD数字相机

  高分辨率CCD面阵数字相机系统以4096?4096像元数的全数字式面阵CCD为探测器,配以大视场、大口径、低畸变光学系统组成航测相机主体,并与三轴陀螺稳定平台、高速大容量数据存储系统和GPS等共同集成为一个全数字、高空间分辨率、性能良好的相机系统。

  (5) 三维成像仪

  三维成像仪是将扫描激光测距、多波段成像、姿态测量装置、一体化数据处理等技术高度集成的系统,是将对地观测技术实现定量化、准确定位的装置,由扫描成像技术、激光测距技术、GPS技术、姿态测量技术等子系统组成信息获取分系统,并开发了直接对地定位软件和同步生成已准确匹配的地学编码影像和DEM等软件,形成信息处理分系统并由两个分系统构成三维成像仪。

  (6) L波段合成孔径雷达(L-SAR)

  这是我国继推出X波段SAR之后,研制成功的L波段SAR系统。这套SAR系统装有左右两副天线,可在成像过程中随时切换,提高飞行成像效率;具有两种极化天线,可以获取多种极化图像;具有两种工作模式,即高分辨率窄成像带和低分辨率宽成像带两种模式可选择,高分辨率为3m×3m;具有原始数据记录和实时成像处理能力,可以满足不同的应用需求。

  (7) 干涉合成孔径雷(INSAR)

  我国于2004年研制成功机载干涉合成孔径雷达系统,具有在全天时、全天候条件下进行数据获得,直接生成地学编码DEM和正射影像的能力,在地形测绘、目标检测、形变监测等方面具有重要的应用前景。其主要技术指标为: X波段,HH极化方式,450视场角,2m×2m分辨率,信噪比 25dB,中心入射角300-700,测绘幅宽5-10km,数据采集12Bits。

图2 以高空遥感飞机为平台的遥感集成技术系统

  3.航空摄影

  (1)无地面控制测图的航空摄影

  在航摄飞机上安置由GPS和IMU构成的POS系统,从而实现在测区内无地面控制点的航测成图。中国测绘科学院成功实现了IMU/DGPS系统与传统光学航摄仪的集成实验,形成了《基于IMU/DGPS技术1:10000与1:50000国家基本地图航空摄影技术规定》,并且于2003年-2004年先后完成锡林浩特摄区(约8万km2)和大兴安岭摄区(约12万km2)的国家测绘局基础航空摄影任务。

  (2)低空高分辨率遥感

  轻小型飞机具有性能稳定、安全性能高、操作灵活、可以车载运输、无机场起降等一系列优势,因此很适合于新农村建设、小城镇规划、线路建设工程等小面积高精度航测的需求。图3为利用蜜蜂机装备的航空遥感系统及其所获取的高分辨率低空影像。

图3 蜜蜂轻型机航空遥感系统所获取的高分辨率低空影像

  (3)高海拔山区航摄

  我国于2006年启动西部1:5万测图专项工程。大面积高海拔高山区是这一工程的核心难点。图4所示是把国产SWDC相机安装在奖状飞机上,在航高11000m对西藏地区所摄航空影像,飞机上没有安装IMU,仅安装了GPS,经过空中三角解算,在5000平方公里测区内只有两个地面控制点情况下,定位精度达0.6m。

图4 装载SWDC相机的奖状飞机获得的西藏地区的部分影像

  (4)低空高分辨率摄影

  利用低空轻小型有人驾驶飞机平台和相应的遥感系统,可以灵活地获得低空或超低空遥感影像,适用于城市动态监测(图5)。

图5 (左)低空遥感无人机获取的低空影像 (右)无人飞艇飞艇获取的城市影像

 

媒体链接:

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