1.2　新型航空遙感數據產品

所謂數據產品，是指與數據產品規范一致的數據集或數據集系列（GB/T 17694—2009）。因此，航空遙感數據產品即可定義為：利用航空遙感的數據生產得到的與數據產品規范一致的數據集或數據集系列。本書中的新型航空遙感數據產品（以下簡稱產品），具體是指以通過航空高光譜技術、傾斜攝影技術和航空激光雷達技術獲得的遙感數據產品。

當前，中國的遙感應用已由實驗走向業務化運行和產業化，并在眾國民經濟建設和國防建設各行業中得到廣泛重視和應用，其中航空遙感技術在近年來取得了巨大進步，特別是以航空高光譜技術、傾斜攝影技術和機載激光雷達技術為代表的新型航空遙感技術在數據獲取、數據處理與產品生產、產品應用等方面的持續發展，要求航空遙感數據產品的生產過程及其產品形式、內容等方面必須遵循既定的生產技術和流程，以滿足產品規模化和標準化的生產、發布、移植、交換、集成和共享等應用的需求。

1.2.1　航空高光譜產品

1.2.1.1　產品定義

高光譜技術是指在電磁波譜的可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內，獲取波譜分辨率高于百分之一波長達到納米數量級，光譜通道數多達數十甚至數百的遙感技術（GB/T 14950—2009）。航空高光譜產品是指以航空飛行器為平臺，以機載高光譜成像儀采集數據，并經過標準化產品生產流程處理得到的高光譜影像產品。

1.2.1.2　數據源

自1983年世界上第一臺高光譜成像儀AIS-1（Aero Imaging Spectrometer - 1）在美國噴氣推進實驗室研制成功以來，至今全球已有大約50多套高光譜成像儀投入使用（葉發旺等，2011），高光譜遙感在對地觀測領域發揮了巨大作用。與其他遙感手段相比，高光譜遙感停留在航空數據獲取階段的時間要更長一些，目前投入使用最多、應用最為成功的也是基于航空平臺的高光譜成像儀（岳躍民等，2008）。如美國的機載可見/紅外成像光譜儀AVIRIS（Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer）、HYDICE（Hyperspectral Digital Imagery Collection Experiment）、SEBASS（Spatially Enhanced Broadband Array Spectrograph System），澳大利亞的HyMap（Hyperspectral Mapper）、加拿大的CASI（Compact Airborne Spectrographic Imager）和AHI（Airborne Hyperspectral Imager）、歐空局的APEX（Airborne Prism Experiment）等。自20世紀末開始，我國也逐步開展了航空高光譜成像儀的研制，如中科院上海技物所研制的機載推帚式高光譜成像儀PHI（Push-broom Hyperspectral Imager）和實用型模塊成像光譜儀OMIS（Operative Modular Imaging Spectrometer）和寬視場高光譜成像儀WHI（Wide FOV Hyperspectral Imager）等。

1.2.1.3　產品優勢

與航天高光譜產品相比，航空高光譜產品的優勢主要體現在以下三個方面。

（1）空間分辨率高

由于成像光譜儀技術的限制，遙感影像不得不在空間分辨率和光譜分辨率間進行權衡，高光譜影像通常以犧牲空間分辨率為前提保證較高的光譜分辨率。如美國EO-1衛星上搭載的高光譜成像儀Hyperion可在0.4～2.5μm的光譜范圍內以30m的空間分辨率獲得220個波段的數據，而美國的機載可見/紅外成像光譜儀AVIRIS在光譜范圍相同、波段數目相同的前提下將空間分辨率提高到20m。

（2）數據獲取靈活

航天高光譜遙感受衛星軌道等因素的影響，不能按照指定的時間對指定的區域進行成像和觀測，對于幅寬較窄的高光譜影像而言，航天遙感的這一缺點更加明顯。特別是在自然災害監測、環保監測、地面同步實驗、指定時相數據獲取等對時效性要求較強的應用領域而言，航空高光譜遙感甚至成為了唯一的現實選擇。

（3）精度更高

一般而言，航空高光譜數據的輻射精度和幾何精度均優于航天高光譜數據。輻射精度方面，盡管對于特定的高光譜成像儀而言，反映其總體輻射性能的信噪比（Signal to Noise Ratio， SNR）是固定的，但對于遙感數據獲取而言，SNR部分受到太陽高度角、大氣衰減和散射、地物地表反射率等外部因素的影響，而航空高光譜數據由于獲取高度較低，受到大氣衰減和散射影響更小，且地物地表反射率更為真實，導致航空高光譜的SNR一般高于航天高光譜的SNR，因而航空高光譜數據應用在礦物制圖、氮濃度監測等方面的精度均優于航天高光譜數據。幾何精度方面，航天高光譜數據獲取的高度決定了其幾何定位精度受地球曲率、大氣折射等因素的影響程度大于航空高光譜數據，因而同一個地物在航空高光譜遙感數據中具有更為真實的位置、形狀等幾何信息。

1.2.1.4　產品應用

由于航空高光譜數據能以較高的空間分辨率獲取地物詳細而精確的光譜信息，在諸多領域中已經取得了較好的應用效果（高曉惠，2013）。

（1）地質調查應用

巖礦識別、礦物豐度制圖及找礦勘查是高光譜應用的最主要研究方向和最率先應用領域。高光譜數據在地質學方面的應用獲得了巨大成功。到目前為止，國內外很多機構基于航空高光譜遙感數據的礦物診斷性吸收特征，開展了礦物識別、礦物填圖等方面的研究。20世紀80年代，Goetz利用世界上第一臺航空成像光譜儀AIS的數據在美國內華達州進行了礦物識別研究。2010年，Mars等利用 AVIRIS 數據進行加利福尼亞州和內華達州山區的礦物調查。中國國土資源航空物探遙感中心利用 HyMap 高光譜數據在新疆東天山地區開展礦物識別。核工業北京地質研究院的研究人員利用加拿大ITRES 公司的 CASI/SASI航空高光譜測量系統進行了鈾礦化蝕變礦物填圖相關研究。

（2）植被與生態應用

成像光譜數據可定量研究植被、土壤、大氣的組成成分，并應用在生態環境梯度制圖、光合作用色素含量提取、植被干物質信息提取、植被生物多樣性監測、土壤屬性反演、植被和土地覆蓋精細制圖、遙感數據同化等方面（岳躍民等，2008）。植被方面，如浦瑞良和宮鵬基于導數光譜分析和相關分析方法開展樹種識別、葉面積指數預測方面的研究（浦瑞良，宮鵬，1997），Hirano等利用AVIRIS高光譜遙感影像結合光譜數據庫，采用光譜角填圖方法對濕地植被進行分類（Hirano et al.， 2003）；土壤方面，李海英研究了利用AVIRIS等高光譜遙感數據獲取土壤全氮、有機質、砂粒、粉粒、粘粒含量等土壤屬性的基礎理論（李海英，2007）；大氣方面，如加拿大的Schanzer和Staenz等利用AVIRIS數據的光譜匹配和波段比值研究了大氣中水汽含量的反演方法。

（3）海洋及內陸水體監測

高光譜遙感具備感知水色水質變化、水溫變化、葉綠素和浮游生物含量變化、水體的生態變化的能力，可用于水體污染、河口海岸的泥沙含量監測等應用。中科院遙感應用研究所研究人員利用MAIS成像光譜數據，制作了澳大利亞達爾文市海水葉綠素濃度分布圖。Jupp利用CASI數據進行了光學水質監測、淺水區測深等方面的研究。馬毅對基于航空高光譜的赤潮發現、識別、信息提取算法進行了研究。

（4）軍事應用

高光譜遙感具備獲得目標精細光譜的能力，通過進一步分析得到目標的化學組成，可用于目標偵查、化學武器使用調查、武器打擊效果評估等軍事領域。軍事目標偵查方面，利用軍事目標與偽裝材料的光譜差異，分離出目標光譜并進行目標識別和定位；化學武器使用調查方面，高光譜數據能夠區分物質的化學成分，可用于芥子氣、氯氣等毒氣的使用規模和范圍的調查；軍事打擊效果評估方面，可分析打擊前后戰場目標的損毀情況，評估本次軍事打擊效果。

1.2.2　真正射影像產品

（1）產品定義

真正射影像（True Digital Orthophoto Map， TDOM）是將正射影像糾正為垂直視角的影像產品。真正射影像應對隱藏部分（如各種地物、地形、植被等的傾斜投影）采用相鄰相片修正或人為處理制作，消除地形和建筑物、橋梁等地物的高度投影差（CH/T 9015—2012， 2012），也有人稱之為嚴格正射影像。顯然，真正射影像產品的定義是在“正射影像”基礎上加“垂直視角”約束衍生而來的。所謂正射影像（Digital Orthophoto Map， DOM），是指消除因相片傾斜和地形起伏的影響獲得的地面正射投影的影像；所謂“垂直視角”，是指視線與地面垂直的視線角度。

真正射影像與正射影像的區別為，真正射影像不僅需要去除由相片傾斜和地形起伏造成的地面目標投影變形的影響，還需要去除建筑物、橋梁等地物的高度投影差，且需要對陰影、地物遮擋等區域進行修正處理。真正射影像在當前的尺度下，用戶所需求的地物能夠滿足正確的正射投影關系，影像能發揮應有的功能，并滿足一定程度上的視覺美感，影像的分辨率越高，真正射影像的要求也越高，需要滿足上述要求的地物范圍也越廣（王瀟，2009）。

由于航天遙感影像的空間分辨率有限，在傳統的正射校正過程中將建筑物視為地表的一部分，直接采用數字高程模型（Digital Elevation Model， DEM）校正由于透視成像和地形起伏導致的影響變形（耿則勛等，2010）。近年來，隨著甚高分辨率航天遙感影像的出現，特別是大重疊度、高分辨率航空遙感影像的出現，使得在正射校正過程中進一步考慮對建筑物傾斜、遮擋和陰影區域的處理成為可能，真正射影像的概念應運而生。隨著2006年《中國測繪學科發展藍皮書》中提到“真正射影像”的概念，這種全新的影像產品逐漸引起普遍的關注。

（2）數據源

真正射影像產品的生產主要利用遙感影像和高程數據開展。遙感影像一般包括由有人航空遙感飛機或無人機獲取的高分辨率、大重疊度光學遙感影像，常見的有人航空遙感飛機上搭載的相機包括DMC和UCD/UCX等大面陣框幅式相機、ADS40等三線陣推掃式相機等。高程數據一般包括數字表面模型（Digital Surface Model， DSM）和數字建筑物模型（Digital Building Model， DBM），DBM可利用數字攝影測量工作站通過人機交互獲取，或利用航空影像、機載激光掃描系統LiDAR（Light Detection And Ranging）點云數據獲取，DSM可由LiDAR點云數據或影像匹配獲取（許彪，2012）。

（3）產品優勢

目前航空遙感已經能夠獲取小于 0.1m分辨率的遙感影像，建筑物、橋梁等人工地物目標在影像上清晰可見，若在正射校正中不考慮這些目標，勢必會導致DOM中出現建筑物傾斜、遮擋等問題，若將GIS矢量數據與DOM數據疊加，則會出現道路矢量線橫穿建筑物、建筑物矢量輪廓無法與其自身影像套合等問題，嚴重時將導致DOM失去地理參考價值，不足以作為基礎底圖使用。

真正射影像產品保持了直視角度的地表景觀，很好地解決了城市區域大比例尺正射影像中建筑物傾斜、遮擋、陰影等問題，以及由這些問題衍生的影像拼接困難、接邊區域過渡不自然、高大建筑對其他地表地物的遮擋等問題，因而不僅具有地形圖的特點，而且包含了豐富的紋理信息，具有精度高、信息豐富、直觀真實等優點，可作為數字城市、環境監測、應急響應等應用的基礎底圖和輸入數據。

1.2.3　三維數字模型產品

1.2.3.1　產品定義

廣義的三維數字模型又稱數字沙盤、數字沙盤系統等，它通過三維建模模擬出一個三維的物體、場景或效果。本文中的三維數字模型特指三維地理信息模型（three-dimensional model on geographic information，簡稱三維模型），它能可視化反映相關地理要素在立體空間中的位置、幾何形態、表面紋理及其屬性等信息，包括各種地上主要地理信息的外部及地下空間，不含地上各建（構）筑物地理信息內部（CH/T 9015—2012）。

1.2.3.2　產品優勢

傳統的地圖是通過符號和注記在二維平面上表現地表的各種自然和人文事物。隨著計算機信息科學技術的發展和計算機圖形學的進步，以二維平面地圖/專題圖、沙盤模型、三維動畫展示為載體表達的靜態地物信息已漸漸無法滿足人們對沉浸性、交互性、構想性的需求，而基于虛擬現實技術構建的三維數字模型產品由于其顯著優勢得到了人們的青睞。

（1）直觀的信息表達

二維GIS系統中，二維平面地圖經過抽象得到，在低維空間中對現實的三維世界進行隱喻和晦澀的信息編碼/解譯，并不能完全被讀者接受，影響信息與人的溝通與交流（劉玉潔，2014）。而三維數字模型產品尊重原始數據，具有直觀的可視化效果，相比較于二維地圖，減少了信息表達時所涉及的數據量，且信息傳達速度較快（Tiede and Lang， 2010）。

（2）交互性和沉浸性

在三維數字模型產品中，人們能夠在一個模擬的三維環境中，用動態交互的方式對建筑或某個區域進行全方位多角度的觀察和欣賞，產生身臨其境的全方位視覺感受。同時，也可以從不同于平常的角度和距離來觀察場景，獲得與現實生活不一樣的體驗，還可以切換多種運動模式，如行走、飛行等，自由控制線路，全方位多角度的觀看全部場景或者某個特定建筑物。

1.2.3.3　產品應用

三維數字模型產品在城市規劃建設、城市應急反應與危機處理、旅游、移動通信、環境規劃與分析、輔助導航等方面有著十分廣闊的應用領域，特別是在空間信息的社會化服務中，基于三維數字模型產品的應用都有著越來越明顯的優越性和不可替代性。

（1）在城市規劃管理中的應用

劉玉潔基于城市規劃相關理論和方法，以及城市設計相關理論、要素、基本方法和設計內容等，在三維模型的基礎上進行三維空間量測、日照分析、通視分析和控高分析等。陸童在發展城市建設及旅游、保護自然環境需求的前提下，依據三維模型對研究區城市的功能結構布局進行了規劃。趙曉輝從三維地形和三維城市模型的構建著手，探討吉林省數字圖書館三維場景模型的構建方法在城市化建設理念下的三維動畫技術的應用問題。

（2）在采礦設計和虛擬礦山中的應用

肖漢金、劉紅、陳靜波等基于勘探鉆孔數據和地形測量數據建立了寶日希勒露天煤礦的三維礦山模型，并將該模型應用露天礦的采掘計劃制定、采剝場驗收測量、儲量估算等業務工作中。王志剛等建立了大紅山銅礦的礦床三維數字模型并將其應用于采切工程設計和爆破設計中（王志剛等，2005）。王軍等建立了云南金頂礦床的三維空間實體模型，并基于該模型對礦區礦物的空間分布情況進行了分析（王軍，2005）。

（3）在遺產保護中的應用

中科院遙感地球所建立了國際自然與文化遺產空間技術中心（HIST），HIST利用遙感、建模等技術對吳哥窟進行了監測和保護，并在絲綢之路沿線開展了考古研究。周明全等對文化遺產數字化保護方面的新技術和新進展進行了系統總結，內容涵蓋了文化遺產的數字化建模、虛擬修復、輔助管理、數字展示等（周明全等，2011）。劉江濤等建立了三星堆一號祭祀坑的三維模型，打破了傳統的依靠文獻記載及圖片、照片的方式，建立的三維模型可進行場景的漫游以及進行網上發布，使更多的人們了解古文化遺產。