论文专区▏光学高分遥感技术在海岸地形测量中的应用
张靓
海军海洋测绘研究所
【摘要】为满足海岸地形测量对光学高分辨率遥感技术的应用需求，总结分析了我国光学高分辨率遥感技术的海岸地形测量应用现状，比较了国内外相关领域应用研究方向差异，指出该领域在硬件平台、处理软件和专业应用等方面的巨大进展，总结了光学高分遥感数据管理、处理、应用和服务等方面的发展趋势，有助于光学高分辨率遥感技术在海岸带测绘中的应用。
【关键词】海岸地形测量；高分辨率遥感；航空摄影测量；机载激光雷达；海岸带
一、引言
海岸地形测量作业目前仍主要依靠人工测量，虽然RTK技术的应用大大提高了测量效率，但是滩涂测量作业依然艰苦而危险。光学高分辨率遥感技术为海岸地形测量应用提供了新的数据获取途径，但亟待解决航空和卫星遥感数据获取及业务生产能力建设的问题。目前，一方面大力研制或引进无人机及航测装备，改装航摄飞机平台，建设航空摄影测量数据获取能力，利用高分系列、尖兵系列和资源系列等卫星资源，建设卫星遥感测量数据获取能力；另一方面，积极培养专业人才，拓展作业队伍，引进或研制遥感专业数据处理设备和系统，构建海岸带光学高分辨率遥感数据批量处理和业务生产作业能力。本文在系统总结国内外光学高分辨率遥感的海岸地形测量应用现状基础上，分析比较国内外应用研究关注的差异，指出我国海岸地形遥感测量发展趋势，促进光学高分辨率遥感技术在海岸带测绘和遥感监测中的应用。
二、光学高分辨率遥感技术进展
⒈航天光学高分辨率遥感硬件技术进展
我国已经陆续研制成功具有自主知识产权的光学高分辨率遥感卫星及相应的遥感载荷。高分辨率卫星遥感平台主要包括高分系列、尖兵系列、资源系列和系列小卫星等。
2011年～2013年，神舟八号、九号与十号飞船先后完成与天宫一号的自动交会对接，标志中国成为世界上第三个自主掌握空间交会对接技术的国家。2016年3月完成历史使命并于2018年4月“受控”坠落的天宫一号，标志中国已经拥有建立初步空间站的能力。2016年9月发射的天宫二号是中国第一个真正意义上的空间实验室。
2013年12月，嫦娥三号着陆器成功落月，标志中国成为继苏、美之后世界上第三个实现地外天体软着陆的国家。2018年5月嫦娥四号中继星的发射及年底探测器的发射将实现人类首次月球背面着陆探测。
2013年～2018年，中国发射了一系列遥感卫星（见表1）。其中，2014年8月高分二号卫星的成功发射标志着中国遥感卫星进入亚米级时代，提高我国高分对地观测数据的自给率。2015年7月成功发射的“北京二号”由3颗高分卫星组成，是我国首个商业遥感小卫星星座。2015年10月，我国首颗自主研发的商业遥感卫星“吉林一号”成功发射。2015年12月，随着“高分四号”升空，我国进入高轨高分辨率遥感时代。珠海一号是我国首个民企发射并运营的高分遥感星座，其中的高光谱卫星开启了我国定量遥感新时代。
表1 2013年至2018年中国发射的高分光学遥感卫星
发射时间 | 卫星名称 |
2013年4月26日 | 高分一号 |
2014年8月19日 | 高分二号、波兰小卫星 |
2015年6月26日 | 高分八号 |
2015年9月14日 | 高分九号 |
2015年10月7日 | 吉林一号 |
2015年12月29日 | 高分四号 |
2016年8月10日 | 高分三号 |
2016年9月1日 | 高分十号 |
2016年12月26日 | 高景一号 |
2017年1月9日 | 吉林一号03星 |
2017年6月15日 | 珠海一号2颗 |
2017年11月21日 | 吉林一号04/05/06星 |
2018年4月26日 | 珠海一号5颗 |
2018年5月9日 | 高分五号 |
“天基丝路”是“一带一路”战略在航天领域的延伸，起源于2015年7月中科院院士孙家栋发展“互联网+天基信息系统”的提议。2015年中国与墨西哥、俄罗斯、比利时等国先后签署了航天合作谅解备忘录，共同推动国际对地观测科学卫星合作，将为“一带一路”覆盖区域提供高精度导航及遥感综合观测服务。航天科技集团公司拟于2022年前发射由16颗0.5m光学卫星、4颗高端光学卫星、4颗微波卫星以及多颗视频高光谱等微小卫星组成的0.5m级高分辨率商业遥感卫星系统。
⒉航空光学高分辨率遥感硬件技术进展
航空光学高分辨率遥感测量体系主要包括有人机和无人机两大系列。目前用于航空测量飞行的国产载人飞机主要包括运8、运7、运12、新舟60、DA42 MPP等；我国新近自行研制的航空测量平台包括：①2015年11月2日总装下线的C919大型客机；②2015年11月29日交付运营的支线客机ARJ21；③2015年12月12日获得民航型号合格证的新一代涡浆通用支线飞机运12F；④2015年11月完成航测任务飞行验证的国内首款双载荷航测飞机DA42 MPP；⑤2016年3月初开始量产的首架自主知识产权电动飞机——RX1E锐翔双座电动轻型飞机；⑥2018年1月成功试飞的鲲龙600水陆两栖飞机。
国家测绘地理信息局认可并推广的国产航测无人机包括：中测新图ZC系列、数维翔图DM系列、测科空间CK系列和中科遥感的ZY系列等实用性较强的系统设备。2013年、2014年海军海洋测绘研究所通过多次海岛地形测绘应用试验，证明上述系统设备的主要功能和关键技术指标是可行的。2015年8月成功首飞的“彩虹五号”无人机达到国际领先水平。2015年12月，我国首架大型水陆两用无人机U650试飞成功，同时桂林航龙科讯电子技术有限公司研制了国内首台油电混合动力固定翼垂直起降无人机——龙雁LY3200。其它应用广泛的国产无人机有深圳大疆创新科技公司的大疆系列、（南京）总参60所等研制的大中型军用无人机。深圳飞马机器人科技公司研制了国内首款电动航测无人机——飞马智能航测系统F1000。
北京四维远见信息技术公司集成AirLidar-1000机载激光扫描仪、国产高精度POS和SWDC单镜头航摄仪，成功研制了国产轻小型激光雷达SW-LIDAR[1-2]。绵阳市天眼激光科技公司成功研制了尺寸小、重量轻、测距长的超小型激光雷达,可搭载在无人飞行器上无人值守作业，精度满足1︰1000大比例尺航测需求[3]。中科院光电院研制的轻小型机载激光雷达LairLidar适应我国多山地貌，拥有最大90°测绘扫描视场和高达200kHz的脉冲频率。中国测科院集成SWDC相机、LairLidar和北航小型高精度POS，成功研制了满足1：500测图精度要求，可搭载于国产水上轻小型A2C飞机的高精度轻小型航空遥感系统[4]。
在国外，倾斜摄影测量装备经过十几年的发展已经涌现了以色列VisionMap公司的A3系统、天宝公司的AOS系统、德国IGI公司的Penta-DigiCam系统、徕卡公司的RCD30和微软公司的UCO等知名系统，北京四维远见公司自主研发的SWDC-5倾斜航摄仪和中测新图公司自主研发的TOPDC-5倾斜航摄仪在我国也已经得到广泛应用。
⒊光学高分辨率遥感软件技术进展
高分辨率遥感影像测绘系统在我国得到广泛业务化应用。目前主要有法国的像素工厂（Pixel Factory，简称PF）、中国测科院研制的PixelGrid、武汉大学研制的DPGrid、吉威公司的CIPS和北京航天宏图研制的PIE系统等。这些都是用于大型生产的遥感影像处理系统，通常由具有强大计算能力的若干个计算结点组成，输入航空、航天数码影像或扫描影像，基于少量人工干预，经过一系列自动化处理，输出包括数字表面模型（DSM）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）等测绘产品。
目前在我国得到广泛业务化应用的倾斜摄影后处理软件主要有法国ASTRIUM公司的Street Factory系统、Acute3D公司的Smart3DCapture、美国Pictometry公司的Pictometry系统、微软Vexcel公司的Ultramap软件、德国基于INPH0软件的AOS系统、以色列A3的VisionMap软件等。瑞士的Pix4D Mapper系统也能批量处理无人机倾斜摄影测量数据。
倾斜摄影后处理软件也在逐步实现国产化。2015年3月Skyline把倾斜摄影自动批量建模软件Photomesh的核心技术分享给中国的泰瑞天际公司，可以实现海量城市批量建模。武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室开发了大规模倾斜影像数据管理工具，有效提高了多模式海量影像数据的检索效率[5]。2015年6月武汉天际航公司推出了DP-Modeler倾斜摄影建模软件。2015年12月北京无限界公司发布了倾斜摄影建模应用软件Infinite3D Real Scenes1.0，成功打破国外技术垄断。武汉智觉空间公司结合3ds Max推出了SVSModeler倾斜摄影建模软件。
其它有影响力的高分遥感软件有深圳飞马机器人科技有限公司研制的航测无人机一站式智能数据处理系统“无人机管家”、中科院遥感与数字地球研究所研制的激光雷达点云数据一站式智能数据处理系统，以及中国海洋大学建立的首个针对南海区域的高空间分辨率区域性大气和海洋数据集成与应用服务系统[6]。
三、在海岸地形测量中应用
⒈光学高空间分辨率遥感测绘技术应用
光学高空间分辨率遥感测绘技术在海岸地形测量领域的应用主要集中在提取海岸线、海岸地物分类及属性信息、围填海工程遥感信息、近海养殖区等海域使用专题信息、沿岸浅水深信息，海图修测和海岸带变化监测等领域。
基于高分卫星的海岸线提取方法，主要有基于图像分割的方法、基于影像变换的方法和面向对象分类的方法等。武汉大学提出基于高分影像的海岛岸线Beamlets变换提取方法，高效自动提取了深圳大鹏半岛的海岸线，并通过构建基于多尺度分割的模糊多分类器，使用面向对象的方法快速获取无居民海岛的人类活动特征[7-8]。连云港市海域使用保护动态管理中心综合应用多年高分一号卫星影像、无人机影像和航空影像进行海域使用监测, 并实现了海岸线变化监测，提取了连云港市东西连岛周边海域的围填海面积及分布范围等信息[9-10]。南京师范大学基于高分影像实现了江苏省围填海人工岸线的分级分类和提取。首先利用组合光谱特征、形状特征和空间关系等知识规则进行堤坝粗提取;接着，以主方向和宽度为约束条件，沿图斑边缘扩展，实现堤坝自动完整提取[11]。
基于高分卫星的海岸带地物分类方法主要有面向对象分类方法、阈值分割方法、支持向量机分类方法等。中国农业大学针对高分遥感影像小样本面向对象分类中不同地类样本集统计不稳定的问题，结合海明遗传算法提出了改进的Relief特征选择算法，提高了面向对象分类精度和效率[12]。中科院遥感所基于高分遥感影像，构建了福建省宁德市三都澳海域近海养殖区的光谱特征指数，结合纹理阈值检测方法，实现了近海养殖区的遥感自动提取[13]。江苏省海域使用动态监管中心攻克了基于多特征的高分影像多尺度分割、海域使用特征基元的多特征表达以及面向对象的海域使用支持向量机分类等关键技术，成功实现江苏如东洋口渔港和掘苴垦区面向对象的海域使用专题信息遥感提取[14]。
高分遥感技术还应用于水深反演和海图修测等领域。国家海洋局一所基于西沙北岛的四种高分遥感影像，提出了南海浅海水深多维度遥感反演融合方法，能有效挖掘多源、多角度、多时相信息，提升水深反演精度[15]。海洋局一所基于黄河三角洲和连云港遥感试验证明高分一号影像内部刚性较好，具有较好的自主定位精度，可应用于海图修测[16]。大连海事大学应用高分一号卫星影像提取海图陆部特征要素信息并用于电子海图修测，使海图更新更加及时和省时省力[17]。高时间分辨率的高分四号给海岸带变化监测提供了新的利器。
⒉高光谱遥感测绘技术在海岸地形测量应用
高光谱分辨率遥感测绘技术在海岸地形测量领域的应用主要集中在提取海岸线、海岸地物分类及目标探测、滩涂性质分类及探测、海色遥感和海洋光学参数反演、底质分类及底栖生物探测、浅海地形和水深信息探测等领域。
海岸带目标探测是高光谱遥感的主要应用之一。中国海监总队自2005年以来，引进了机载高光谱、激光雷达、航测系统等航空遥感设备，获取高光谱影像等光学遥感数据，识别那些具有诊断性光谱特征的海岸带地物目标，实现海岸带环境定量精准监测[18]。哈尔滨工业大学基于AVIRIS高光谱数据，采用空间信息辅助的光谱分类法进行海岸带要素分类；基于综合反射光谱和导数光谱的组合光谱特征，利用广义线性光谱混合模型实现子像元级海岸带目标识别和探测[19]。河北师范大学基于MODIS成像光谱仪数据，从活力、组织力和恢复力三个方面评价和表征了曹妃甸海岸带陆域生态系统健康状况[20]。
海岸带滩涂性质是高光谱遥感的另一重要研究目标。南京大学基于地面实测光谱数据及多类光谱指标,应用多元统计相关方法构建土壤性质的高光谱反演模型，证明高光谱反射率能够有效表征江苏沿海滩涂土壤性质演化的差异[21]。中科院烟台海岸带研究所基于北黄海四十里湾野外现场光谱测量及采样数据，构造了用于诊断底栖微藻存在性的反射率深度概念模型，并提出了反演潮滩表层底栖微藻生物量的归一化底栖微藻差异指数模型[22]。南京师范大学基于滩涂的遥感反射率、遥感中值粒径和遥感含水量建立滩涂高程的定量反演模型，证明基于Hyperion高光谱影像能够提取滩涂的概要地形信息和地形平均变化趋势，为分析大范围滩涂的冲淤变化提供便捷可靠的手段[23]。山东农业大学成功应用高光谱遥感技术反演黄河三角洲滨海盐渍土养分和盐分空间变异，为快速获取滨海盐土及土壤信息提供了有效的途径[24]。成都理工大学提出光谱角度与光谱信息熵混合模糊聚类和光谱角度模糊聚类法两种高精度的高光谱遥感海岸带滩涂聚类方法[25]。
海色遥感是高光谱遥感的另一重要应用领域。南京大学基于美国坦帕湾试验数据提出一种综合高光谱影像与声纳数据的浅水水下地形构建方法。利用考虑空间距离的半监督拉普拉斯特征映射算法,提取出Hyperion影像中的水深信息；利用信息扩散法基于多尺度分割成的各均质水深区域进行声纳数据内插，解决了声学测量成果空间分布不均的问题[26]。广西师范学院利用广西北海市银海区和合浦县2014年我国首个民用卫星超光谱成像仪（HSI）的数据，基于海岸带地物波谱特性分析，根据信息量和类别可分性选取水体信息提取的最佳波段，精确提取水体分布及悬浮泥沙浓度[27]。桂林电子科技大学仿真研究表明底质分类可提高混合底质高光谱遥感水深反演精度，而底质反射率四阶微分光谱能够突出底质光谱的细微差距，实现底质精细分类[28]。中国海洋大学基于Hyperion数据提出辐射传递水深直接反演方法。首先，利用遥感反射率数据结合散点图光谱聚类与最大似然分类法，进行海底底质分类。接着，针对不同的底质类型，应用QAA算法计算的光学浅水漫衰减系数和光谱比值，基于辐射传递理论直接精确反演浅海水深[29]。海军海洋测绘研究所基于英属维尔京群岛AVIRIS高光谱遥感影像，利用查找表方法和基于改进的半分析模型的非线性优化方法成功提取了彼得岛周边浅海水深[30-31]。中国海洋大学基于12个南沙岛礁的Hyperion高光谱数据，利用半分析模型和HOPE高光谱优化算法成功提取了南沙岛礁浅海水深、底质和海洋光学参数[32-33]。
3.3国内外高分遥感海岸地形测量应用比较
⑴应用研究理念差异
国外高分遥感海岸地形测量应用集中在作业生产，解决工程应用需求，并在应用中发现问题和解决问题；而我国科学家更热衷于钻研高分遥感新技术方法，习惯于探讨试验研究中可能遇到的各种问题，尚未在海岸地形测量中业务应用。
⑵研究方法差异
国外高分遥感海岸地形测量应用以解决问题为准绳，大量采用成熟可靠的方法，基于各种高分遥感影像和激光雷达等多源遥感数据，系统监测和分析海岸地形地物变化情况。相比之下，国内科学家偏重于研究解决高分遥感海岸地形测量应用中的具体关键技术如：单边控制和稀少控制问题、海岸带地物低反差或波谱差异不显著问题、海陆基准转换问题等。
⑶数据存储与管理方式差异
国外高分遥感数据在一些重要关键部门都实现了多源高分遥感数据的相对集中存储与管理，确保了数据的完整性和共享性，为用户提供全面的数据及其信息服务，有利于用户对多种数据的综合分析和应用。然而，由于部门条块分割，军民融合应用尚未付诸实施，我国的高分遥感数据，分别由不同体系的相应部门存储与管理，跨部门申领数据手续繁琐，周期较长，阻碍了数据的共享和应用。
⑷应用保障模式差异
国内高分遥感海岸地形测量应用主要集中在DOM、DEM和DLG等3D产品生产，成果形式较为单一，保障方式较为被动。而国外应用更加注重海量高分遥感数据的深度信息挖掘，提供各种用户定制的专题产品。在宽带传输网络和数据分发技术的支持下，实现了双向、“推送”与“索取”两种方式共存的服务方式，大大丰富了高分遥感在海岸地形测量领域应用。
四、结束语
我国航天航空光学高分辨率遥感硬件技术正在稳步赶超世界强国，相应的软件技术也日新月异，高分遥感海岸地形测量应用日益广泛和深入。今后发展的重点方向为：①实现海岸带高分遥感数据的相对集中存储与统一管理；②基于云计算环境，建设适合海量海岸带高分遥感数据特点的跨平台大数据并行处理系统，实现稀少（或无）控制的海量高分遥感数据的精确快速处理；③在统一的海陆垂直参考框架下，基于多源高分遥感数据进行海岸线和潮间带测绘，实现高效海岸地形测量生产和海图快速更新；④基于“推送”与“索取”等多种方式，灵活提供海岸带高分遥感数据应用服务；⑤基于空天地一体化观测网，实现全球海洋测绘信息保障。
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【作者简介】张靓，1974年出生，男，湖南湘乡人，高级工程师，博士，主要从事海岸带遥感应用研究。文章来自《海洋测绘》（2018年第4期），请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有，转载请备注来自“溪流之海洋人生”微信公众平台。
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