1.2　新型航空遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品

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

當(dāng)前，中國的遙感應(yīng)用已由實驗走向業(yè)務(wù)化運行和產(chǎn)業(yè)化，并在眾國民經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)各行業(yè)中得到廣泛重視和應(yīng)用，其中航空遙感技術(shù)在近年來取得了巨大進步，特別是以航空高光譜技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)和機載激光雷達技術(shù)為代表的新型航空遙感技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品應(yīng)用等方面的持續(xù)發(fā)展，要求航空遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程及其產(chǎn)品形式、內(nèi)容等方面必須遵循既定的生產(chǎn)技術(shù)和流程，以滿足產(chǎn)品規(guī)模化和標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)、發(fā)布、移植、交換、集成和共享等應(yīng)用的需求。

1.2.1　航空高光譜產(chǎn)品

1.2.1.1　產(chǎn)品定義

高光譜技術(shù)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(nèi)，獲取波譜分辨率高于百分之一波長達到納米數(shù)量級，光譜通道數(shù)多達數(shù)十甚至數(shù)百的遙感技術(shù)（GB/T 14950—2009）。航空高光譜產(chǎn)品是指以航空飛行器為平臺，以機載高光譜成像儀采集數(shù)據(jù)，并經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品生產(chǎn)流程處理得到的高光譜影像產(chǎn)品。

1.2.1.2　數(shù)據(jù)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(fā)旺等，2011），高光譜遙感在對地觀測領(lǐng)域發(fā)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(shù)據(jù)獲取階段的時間要更長一些，目前投入使用最多、應(yīng)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(jì)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(chǎn)品優(yōu)勢

與航天高光譜產(chǎn)品相比，航空高光譜產(chǎn)品的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個方面。

（1）空間分辨率高

由于成像光譜儀技術(shù)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(quán)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(wèi)星上搭載的高光譜成像儀Hyperion可在0.4～2.5μm的光譜范圍內(nèi)以30m的空間分辨率獲得220個波段的數(shù)據(jù)，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(shù)目相同的前提下將空間分辨率提高到20m。

（2）數(shù)據(jù)獲取靈活

航天高光譜遙感受衛(wèi)星軌道等因素的影響，不能按照指定的時間對指定的區(qū)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(zāi)害監(jiān)測、環(huán)保監(jiān)測、地面同步實驗、指定時相數(shù)據(jù)獲取等對時效性要求較強的應(yīng)用領(lǐng)域而言，航空高光譜遙感甚至成為了唯一的現(xiàn)實選擇。

（3）精度更高

一般而言，航空高光譜數(shù)據(jù)的輻射精度和幾何精度均優(yōu)于航天高光譜數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(dǎo)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(shù)據(jù)應(yīng)用在礦物制圖、氮濃度監(jiān)測等方面的精度均優(yōu)于航天高光譜數(shù)據(jù)。幾何精度方面，航天高光譜數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，因而同一個地物在航空高光譜遙感數(shù)據(jù)中具有更為真實的位置、形狀等幾何信息。

1.2.1.4　產(chǎn)品應(yīng)用

由于航空高光譜數(shù)據(jù)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(lǐng)域中已經(jīng)取得了較好的應(yīng)用效果（高曉惠，2013）。

（1）地質(zhì)調(diào)查應(yīng)用

巖礦識別、礦物豐度制圖及找礦勘查是高光譜應(yīng)用的最主要研究方向和最率先應(yīng)用領(lǐng)域。高光譜數(shù)據(jù)在地質(zhì)學(xué)方面的應(yīng)用獲得了巨大成功。到目前為止，國內(nèi)外很多機構(gòu)基于航空高光譜遙感數(shù)據(jù)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(jì)80年代，Goetz利用世界上第一臺航空成像光譜儀AIS的數(shù)據(jù)在美國內(nèi)華達州進行了礦物識別研究。2010年，Mars等利用 AVIRIS 數(shù)據(jù)進行加利福尼亞州和內(nèi)華達州山區(qū)的礦物調(diào)查。中國國土資源航空物探遙感中心利用 HyMap 高光譜數(shù)據(jù)在新疆東天山地區(qū)開展礦物識別。核工業(yè)北京地質(zhì)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(tǒng)進行了鈾礦化蝕變礦物填圖相關(guān)研究。

（2）植被與生態(tài)應(yīng)用

成像光譜數(shù)據(jù)可定量研究植被、土壤、大氣的組成成分，并應(yīng)用在生態(tài)環(huán)境梯度制圖、光合作用色素含量提取、植被干物質(zhì)信息提取、植被生物多樣性監(jiān)測、土壤屬性反演、植被和土地覆蓋精細制圖、遙感數(shù)據(jù)同化等方面（岳躍民等，2008）。植被方面，如浦瑞良和宮鵬基于導(dǎo)數(shù)光譜分析和相關(guān)分析方法開展樹種識別、葉面積指數(shù)預(yù)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(jié)合光譜數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)獲取土壤全氮、有機質(zhì)、砂粒、粉粒、粘粒含量等土壤屬性的基礎(chǔ)理論（李海英，2007）；大氣方面，如加拿大的Schanzer和Staenz等利用AVIRIS數(shù)據(jù)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(nèi)陸水體監(jiān)測

高光譜遙感具備感知水色水質(zhì)變化、水溫變化、葉綠素和浮游生物含量變化、水體的生態(tài)變化的能力，可用于水體污染、河口海岸的泥沙含量監(jiān)測等應(yīng)用。中科院遙感應(yīng)用研究所研究人員利用MAIS成像光譜數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)進行了光學(xué)水質(zhì)監(jiān)測、淺水區(qū)測深等方面的研究。馬毅對基于航空高光譜的赤潮發(fā)現(xiàn)、識別、信息提取算法進行了研究。

（4）軍事應(yīng)用

高光譜遙感具備獲得目標(biāo)精細光譜的能力，通過進一步分析得到目標(biāo)的化學(xué)組成，可用于目標(biāo)偵查、化學(xué)武器使用調(diào)查、武器打擊效果評估等軍事領(lǐng)域。軍事目標(biāo)偵查方面，利用軍事目標(biāo)與偽裝材料的光譜差異，分離出目標(biāo)光譜并進行目標(biāo)識別和定位；化學(xué)武器使用調(diào)查方面，高光譜數(shù)據(jù)能夠區(qū)分物質(zhì)的化學(xué)成分，可用于芥子氣、氯氣等毒氣的使用規(guī)模和范圍的調(diào)查；軍事打擊效果評估方面，可分析打擊前后戰(zhàn)場目標(biāo)的損毀情況，評估本次軍事打擊效果。

1.2.2　真正射影像產(chǎn)品

（1）產(chǎn)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(chǎn)品。真正射影像應(yīng)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(yán)格正射影像。顯然，真正射影像產(chǎn)品的定義是在“正射影像”基礎(chǔ)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(qū)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(biāo)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(qū)域進行修正處理。真正射影像在當(dāng)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(guān)系，影像能發(fā)揮應(yīng)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(tǒng)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(shù)字高程模型（Digital Elevation Model， DEM）校正由于透視成像和地形起伏導(dǎo)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(xiàn)，特別是大重疊度、高分辨率航空遙感影像的出現(xiàn)，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(qū)域的處理成為可能，真正射影像的概念應(yīng)運而生。隨著2006年《中國測繪學(xué)科發(fā)展藍皮書》中提到“真正射影像”的概念，這種全新的影像產(chǎn)品逐漸引起普遍的關(guān)注。

（2）數(shù)據(jù)源

真正射影像產(chǎn)品的生產(chǎn)主要利用遙感影像和高程數(shù)據(jù)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(xué)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(shù)據(jù)一般包括數(shù)字表面模型（Digital Surface Model， DSM）和數(shù)字建筑物模型（Digital Building Model， DBM），DBM可利用數(shù)字?jǐn)z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(tǒng)LiDAR（Light Detection And Ranging）點云數(shù)據(jù)獲取，DSM可由LiDAR點云數(shù)據(jù)或影像匹配獲取（許彪，2012）。

（3）產(chǎn)品優(yōu)勢

目前航空遙感已經(jīng)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(biāo)在影像上清晰可見，若在正射校正中不考慮這些目標(biāo)，勢必會導(dǎo)致DOM中出現(xiàn)建筑物傾斜、遮擋等問題，若將GIS矢量數(shù)據(jù)與DOM數(shù)據(jù)疊加，則會出現(xiàn)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(yán)重時將導(dǎo)致DOM失去地理參考價值，不足以作為基礎(chǔ)底圖使用。

真正射影像產(chǎn)品保持了直視角度的地表景觀，很好地解決了城市區(qū)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(qū)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(yōu)點，可作為數(shù)字城市、環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急響應(yīng)等應(yīng)用的基礎(chǔ)底圖和輸入數(shù)據(jù)。

1.2.3　三維數(shù)字模型產(chǎn)品

1.2.3.1　產(chǎn)品定義

廣義的三維數(shù)字模型又稱數(shù)字沙盤、數(shù)字沙盤系統(tǒng)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(shù)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(guān)地理要素在立體空間中的位置、幾何形態(tài)、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(gòu)）筑物地理信息內(nèi)部（CH/T 9015—2012）。

1.2.3.2　產(chǎn)品優(yōu)勢

傳統(tǒng)的地圖是通過符號和注記在二維平面上表現(xiàn)地表的各種自然和人文事物。隨著計算機信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計算機圖形學(xué)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(tài)地物信息已漸漸無法滿足人們對沉浸性、交互性、構(gòu)想性的需求，而基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的三維數(shù)字模型產(chǎn)品由于其顯著優(yōu)勢得到了人們的青睞。

（1）直觀的信息表達

二維GIS系統(tǒng)中，二維平面地圖經(jīng)過抽象得到，在低維空間中對現(xiàn)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(shù)字模型產(chǎn)品尊重原始數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)字模型產(chǎn)品中，人們能夠在一個模擬的三維環(huán)境中，用動態(tài)交互的方式對建筑或某個區(qū)域進行全方位多角度的觀察和欣賞，產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)品應(yīng)用

三維數(shù)字模型產(chǎn)品在城市規(guī)劃建設(shè)、城市應(yīng)急反應(yīng)與危機處理、旅游、移動通信、環(huán)境規(guī)劃與分析、輔助導(dǎo)航等方面有著十分廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在空間信息的社會化服務(wù)中，基于三維數(shù)字模型產(chǎn)品的應(yīng)用都有著越來越明顯的優(yōu)越性和不可替代性。

（1）在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用

劉玉潔基于城市規(guī)劃相關(guān)理論和方法，以及城市設(shè)計相關(guān)理論、要素、基本方法和設(shè)計內(nèi)容等，在三維模型的基礎(chǔ)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(fā)展城市建設(shè)及旅游、保護自然環(huán)境需求的前提下，依據(jù)三維模型對研究區(qū)城市的功能結(jié)構(gòu)布局進行了規(guī)劃。趙曉輝從三維地形和三維城市模型的構(gòu)建著手，探討吉林省數(shù)字圖書館三維場景模型的構(gòu)建方法在城市化建設(shè)理念下的三維動畫技術(shù)的應(yīng)用問題。

（2）在采礦設(shè)計和虛擬礦山中的應(yīng)用

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

（3）在遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用

中科院遙感地球所建立了國際自然與文化遺產(chǎn)空間技術(shù)中心（HIST），HIST利用遙感、建模等技術(shù)對吳哥窟進行了監(jiān)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(chǎn)數(shù)字化保護方面的新技術(shù)和新進展進行了系統(tǒng)總結(jié)，內(nèi)容涵蓋了文化遺產(chǎn)的數(shù)字化建模、虛擬修復(fù)、輔助管理、數(shù)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(tǒng)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(wǎng)上發(fā)布，使更多的人們了解古文化遺產(chǎn)。