三峡库区航空遥感地质调查技术发展综述
三峡库区航空遥感地质调查技术发展综述
陈洁1,2, 高子弘1, 王珊珊1, 金鼎坚1
1.中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083
2.中国科学院空天信息研究院,北京 100101
摘要
三峡库区是长江上游经济带的重要组成部分,对其开展全方位、多层次、定期化的系统地质调查工作是十分必要和重要的。回顾了近40 a来基于航空遥感技术的三峡库区地质调查的发展与进展情况,简要介绍了陆续出现的航空遥感技术原理及其特点,对利用不同技术方法取得的成果进行了梳理,肯定了航空遥感技术在地质调查领域的重要作用,并对实践生产中发现的问题进行了总结,最后展望了航空遥感技术在三峡库区地质调查中的应用前景。应用与研究成果表明,航空遥感技术通过其灵活高效、详实精准的优势,在三峡库区的灾害体识别、生态环境监测、资源勘查等地质调查领域发挥了重要作用。
关键词： 航空遥感 ; 三峡库区 ; 地质灾害 ; 生态环境
本文引用格式
陈洁, 高子弘, 王珊珊, 金鼎坚. 三峡库区航空遥感地质调查技术发展综述. 国土资源遥感[J], 2020, 32(2): 1-10 doi:10.6046/gtzyyg.2020.02.01
CHEN Jie, GAO Zihong, WANG Shanshan, JIN Dingjian. A review on the development of aerial remote sensing geological survey technology in the Three Gorges Reservoir area. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2020, 32(2): 1-10 doi:10.6046/gtzyyg.2020.02.01
三峡库区是指完成了移民并被三峡工程淹没的重庆市和湖北省的20个县(市)地区,它位于四川盆地与长江中下游平原的交界处,横贯鄂中山区峡谷及川东岭谷地带,北临大巴山、南傍川鄂高原[1]。三峡库区在促进长江地区经济发展、东西部地区经济交流和西部大开发中具有十分重要的战略地位。由于自然生态条件及人为干扰综合作用的结果,库区沿江各区均存在着不同程度的生态环境、自然灾害、矿产资源等地质问题。自三峡工程施工及库区移民迁建以来,道路交通建设及城镇重建规模空前,但缺乏反映现势地形地貌的空间地理信息数据的问题严重。再者,库区地质灾害频发,但调查资料零散,迫切需要有一套既全面反映蓄水前灾害的状态,又能反映灾害调查及防治历史的系统资料。面对这些问题,以最新的航空遥感标准空间地理信息为本底数据,以蓄水前的多期数字正射影像(digital orthophoto map,DOM)为对比对象,通过不同时相的成果了解重点灾害的活动状态,整理库区以滑坡为主的地质灾害资料,建设三峡库区地质灾害数据库,达到为库区环境和经济面貌改善提供持续可靠的科学依据的最终目标。
航空遥感调查技术具有灵活机动、手段多样、产品丰富的特点和优势,解决了航天遥感受重访周期、天气状况制约和分辨率、精度不够高等问题,是一种切实可行的地质调查手段。在为三峡库区提供高精度航空遥感数据的同时,通过数据解译,还可以揭示库区植被分布、移民区经济发展、城市规划、水资源环境、土地资源、通航安全等方面的信息,能直接体现库区的生态现状、地质灾害分布、城市发展、农业水平、长江沿岸环境状况等全面详实的现势信息,为长江经济带发展战略、经济区城市群规划、库区土地利用和生态环境改善等服务。20世纪80年代初,长江流域规划委员会在三峡库区部分江段组织了大比例尺黑白航空摄影; 1985年中国自然资源航空物探遥感中心(以下简称航遥中心)在三峡库区进行了1:60 000比例尺彩红外航空摄影任务,并先后开展了库区被淹城镇选址、工程前期库岸稳定性论证、断裂构造与新滩滑坡等灾害解译工作; 原四川省地矿局于1987年完成了长江三峡水利枢纽(重庆—碚石段)灾害地质的航卫片解译及研究[2]; 长江科学院受三峡总公司委托,分别于2001年9月—12月和2002年4月—10月完成了整个三峡库区黑白和彩色航空摄影任务,制作了1:5 000精度的DEM[3]; 2003年航遥中心在三峡库区135 m水位临蓄水前部署了新一轮1:50 000比例尺彩红外航空摄影项目; 2004—2006年间,基于2003年航空遥感成果,开展了地质灾害遥感动态监测示范; 2009—2010年,航遥中心基于POS系统全数字航空摄影和机载激光雷达(light detection and ranging,LiDAR)技术,获取了1:50 000比例尺40 000 km2数字航空遥感影像和以及1 000 km2LiDAR数据,并结合2003年、2009年2期航空遥感数据完成了长江中上游地形地貌微变化、地质灾害、库岸线稳定性等生态地质专题因子识别、分类、调查和动态监测; 2017年开始,航遥中心采用数字航空摄影、倾斜摄影、无人机遥感等航空遥感技术手段,结合2003年和2009年的遥感资料,开展了三峡库区万州—巫山段5 000 km2崩塌、滑坡、泥石流等主要生态地质环境问题航空遥感地质调查,并编制《库区航空遥感地质调查技术要求》; 2017—2018年完成三峡库区新一期多源航空遥感地质综合调查工作,获取了不同尺度的航空遥感数据,并基于该成果开展了典型地质环境问题遥感综合调查,查明了库岸地质灾害隐患分布,为三峡库区地质灾害隐患早期识别、防灾减灾提供基础数据[4]。通过多期、多形式的库区航空遥感地质调查工作,建立了基于多源航空遥感的库区地质调查技术体系,拓展了库区地质环境保护、地质灾害监测与防治管理的研究范畴。
本文首先通过对三峡库区特殊气象和地质背景的分析,阐明了航空遥感技术在该地区地质调查工作中的优势; 然后按照航空遥感技术的发展顺序,介绍了不同工作手段的工作原理、技术优势和应用成果; 最后论述了存在的技术难点和不足,并对今后进一步应用新的航空遥感技术丰富地质调查手段进行了展望。
1 库区地质环境在气候方面,三峡库区属温湿的中亚热带气候区,受峡谷地形影响显著,四季分明,年平均降雨量在1 000~1 400 mm之间,多集中于7—8月份; 峡谷地形封闭深邃,谷底日照时间短,冬天仅中午前后2~3 h内可见阳光,夏季日照也仅5~6 h,且湿气蒸郁,极易成云致雾。地形地貌上,库区处于我国地势第二级阶梯的东缘,从宏观上划属板内隆升蚀余中低山地区,四周环山,素以险峻闻名; 地貌明显受地层岩性、地质构造和新构造运动的控制,以奉节为界,分为东西两大地貌单元,地势西高东低,奉节以东为三峡侵蚀溶蚀低中山峡谷地貌,属于以侵蚀为主兼有溶蚀作用的中山峡谷间夹低山宽谷地貌景观[5],山顶高程多在1 000~2 000 m,相对高差在1 000 m左右,河谷狭窄深切,岸坡陡峭,江面宽200~300 m[6]; 奉节以西主要为侏罗系碎屑岩为主的低山丘陵宽谷地形,总体地势在奉节一带高程近1 000 m,至长寿附近逐渐降为300~500 m,常形成短小峡谷[7]。库区微地貌形态多种多样,主要为冲沟、洪积扇、倒石堆、滑坡体等山地受流水地质作用和重力地质作用改造的产物,局部还发育岩溶地貌,如溶沟、溶槽、岩溶漏斗等[8]。
沿江干流两岸地层出露较全,奉节以西由中生代侏罗系红色碎屑岩类组成,局部出露三叠系嘉陵江灰岩; 奉节以东以古生代、中生代碳酸岩类地层为主[9]。第四系以冲、洪积物为主,分布比较集中、体积较大的第四系堆积体大都是崩塌、滑坡体[10]。
由于处于以上环境条件中,三峡库区周边的陆上交通发展相对落后,水路交通受一定区域局限,加上库区内以阴雨天气为主,滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害频发,给开展地面地质调查带来了许多困难和不确定因素。卫星影像虽然具有覆盖面积广、可周期性重复观测的特点,但三峡库区地形起伏较大,长江江面与周围陡峭高山的高差一般都在300 m,有的地段可达近1 000 m,使航天遥感影像的实际地面分辨率和定位精度大打折扣; 再者,三峡库区常年阴雨,特别是在亟需低水位数据的6—8月份,给航天遥感数据的收集工作带来了很多困难。而日新月异的航空遥感技术手段,正好切合了精细化生态地质调查的需求,尤其是机载LiDAR、倾斜航空摄影等能够满足不同领域的专业要求,可为更深入、更细致地开展地质调查提供技术支撑。
2 技术手段及应用情况2.1 航空摄影技术
2.1.1 胶片航空摄影
航空摄影是以空中有人机、低空无人机、飞艇等作为航空飞行平台,根据应用目的搭载不同类型的传感器,实现对地观测的成像技术。相对于航天遥感所获取的卫星影像数据,传统的胶片式航空遥感具有技术手段成熟、成果产品质量可靠、机动灵活的特点。拥有生产cm级的成果图件的能力。这种优势特别适用于地质灾害发生区的遥感调查。
航空遥感相机的研究和应用最早可追溯至20世纪20—30年代,Leica早在1925年就已经开始了相关研究,并且为美国地质调查局进行了应用尝试。从20世纪50年代开始,胶片型航空相机在地形测绘和地质调查中得到了广泛的应用[11]。航遥中心于20世纪70年代引进RMK A型航空摄影仪,于1985年就部署了三峡库区的航空遥感地质调查任务,基于RMK A所获取1:60 000彩红外航空影像构建了1:12 500比例尺的DOM与数字高程模型(digital elevation model,DEM),该成果精度优于当时所能收集到所有卫星资料,分别完成了“新滩滑坡遥感地质调查”、“长江三峡工程库区被淹城镇选址方案的遥感地质稳定性评价”、“长江三峡工程前期论证阶段库岸稳定性研究”、“长江三峡地区遥感信息的断裂构造解译及对坝区稳定性初步评价”等工作,对库区的崩塌、滑坡、泥石流等进行了大量遥感解译和野外实地勘查工作[12]。2000年航遥中心又引进了国内第一台高精度航空遥感信息获取设备RMK-TOP,并于2003年在三峡库区135 m水位临蓄水前使用航摄仪执行了了1:50 000比例尺的彩红外航摄工作,为库区灾害的调查和研究提供了一份极其珍贵的资料。在此基础上制作的航空遥感影像成果图件真实完整地记录了库区蓄水前的自然、人文状况和地质灾害分布,得到了完整体现库区蓄水前地质环境的真实数据,利用数字滑坡技术制作出的高精度DEM,解译出200余处地质灾害,结合地质学、灾害学和空间信息等学科,初步分析了地质灾害的形成条件。对利用高分辨率航空遥感图像,结合适当的野外地质工作,根据地质灾害遥感解译标志,可以很好的完成地质灾害遥感识别、解译,并初步确定地质灾害的边界、面积等这一技术流程形成了共识。
但在实际应用中,胶片式航空摄影需要在空中完成装卷、拆卷、相机参数调整、飞行控制步骤,操作略显复杂; 对获取的胶片需进行配液、冲洗、显影、定影的专业性强且不可逆的工序,在一定程度上损失了清晰度并同时增加了随机噪声; 影像需经数字化环节后才能录入磁盘和电脑予以保存,而扫描设备受限于硬件指标(最高扫描分辨率14 μm,一般为21 μm),不能完全反映出胶片银粒曝光的灰度与色彩细腻程度; 每次航摄的影像与所使用的胶片型号一致,若要得到不同类型(全色、真彩色、彩红外)的影像,则需要重复飞行。这都限制了胶片航空摄影技术的深入应用与推广。
2.1.2 框幅式数字航空摄影
2000 年ISPRS 阿姆斯特丹大会上数字航空相机进入了人们的视线,数字航空相机的出现,在多个方面影响了航空摄影技术的发展,不仅改变了整个航空摄影流程,而且革新了空间数据获取的技术方法,显示出了航空摄影巨大的生命力和影响力,是航空摄影史具有标志性的事件之一[13]。经过多年的探索,数字航空摄影已成功地应用于地质灾害监测与预警、资源勘查与环境监测、高精度地形测绘等方面。
2009年4—9月间,航遥中心开展了三峡库区数字航空摄影,应用DMC I型数字航摄仪,共飞行了28架次,获取了长江中上游江津—宜昌段全流域40 000 km2数字航空遥感影像,有效像片12 234张,影像分辨率为0.35~0.5 m,真实记录了反映三峡库区自移民迁建、175 m水位蓄水和“5·12”汶川大地震震后坝体微变化的遥感影像成果,制作完成了1 720幅1:10 000比例尺DOM图和DEM,建立了库区2003年2009年2期三维仿真系统,实现了三维环境下地质解译; 开展了生态地质环境遥感调查与监测,以及基于LiDAR的地质灾害调查,为深入开展三峡库区库岸稳定性、地质灾害和生态地质环境变化调查等工作提供了宝贵资料。
其中的三维仿真系统,是基于DOM、DEM以及不同分辨率的地理、地质数据研发的地质灾害解译工具。通过该平台可实现网络环境下地质灾害遥感解译工作的统一部署和分工协作,大幅度提高了地质灾害遥感解译的精度和工作效率(图1) [14]。
图1 三峡库区DOM、DEM成果和三维仿真系统
Fig.1 DOM,DEM and the 3D simulation system of the Three Gorges Reservoir area
2.1.3 推扫式数字航空摄影
以Leica ADS系列为代表的推扫式航空摄影仪的出现,再一次引起了航空遥感手段的技术变革。其基于线阵CCD推扫式技术,采用三线阵扫描和单一大孔径镜头,能够保证在航摄时获得地物的前、下、后具有100%重叠的连续影像。一定程度上解决了无地面基站大比例尺测图、测量成果坐标和高程的高精度转换、与国产测图软件的衔接等问题。独有的层叠光束分离、图像变形和高程修复等专利技术,与以往的框幅式相机相比,在保证影像分辨率和测图精度的同时,减少了作业时间、省去了航带图像拼接环节、避免了架设基站外业工作、减少了空三加密野外控制点的数量、降低了控制点布设要求,已广泛服务于自然资源管理、地质灾害监测等领域[15,16]。
2009年3月,长江水利委员会采用ADS40数字航摄仪完成了三峡屏障区的1:2 000比例尺航空遥感测绘工作。2018年,航遥中心使用ADS100型推扫式航空摄影仪,作业飞行10架次,获取了长寿至忠县段和巴东至秭归段长江两岸第一分水岭影像地面分辨率为0.3 m的航空遥感影像4 000 km2,完成了三峡库区新一轮航空遥感数据更新,为解决库区资源环境和基础地质问题提供了最新的遥感基础数据。以此次推扫式航空遥感影像制作的DOM和DEM为主要数据源,参考历史遥感数据和背景资料,通过遥感解译和现场调查,查明了三峡库区长寿—秭归段消落带岸坡岩质类型与分布,解译出水库蓄水后滑坡、崩塌、塌岸、泥石流等新发生的地质灾害221处,分析得出库岸地形变化模式。其中,秭归县消落带变形模式分布图如下(图2)所示。
图2 秭归县消落带变形模式分布
Fig.2 Deformation model distribution of Riparian zone in Zigui County
2.2 机载LiDAR
机载LiDAR是一种利用激光对地表信息进行采集的新型雷达设备,它结合了激光测距、卫星定位和惯性测量等对地观测技术,利用精确三维位置和姿态参数精确测定与地面点的距离,根据几何原理可以计算出激光点的空间坐标,从而使其作为一种主动式遥感手段具备了采集高精度三维地形数据的能力[17]。机载LiDAR脉冲到达地面后会穿过植被缝隙透射到地面,再反射回设备接收器,有效地去除植被影响而真实反应地表高程起伏,这有利于植被覆盖下的地物信息的细节表现。它是不受阴影和太阳高度角影响的主动测量方式,具有全天时、全天候获取地面三维数据的能力。与光学遥感相比,具有精度高、数据密集、工作高效的优点。在地质灾害领域,机载LiDAR技术作为一种新的调查、监测手段已得到广泛应用。表1为航空摄影方式与机载LiDAR测量方式对比。
表1 航空摄影与机载LiDAR测量方式对比
Tab.1 Comparison of aerial photogrammetry and airborne LiDAR
| 航空摄影测量 | 机载LiDAR测量 | |
|---|---|---|
| 测量方法 | 以立体像对的共轭像点匹配后,再以共线式计算 | 以雷达测距扫描,直接输出X,Y,Z坐标值 |
| 成果内容 | 仅有数字地表模型(digital surface model,DSM),若需DEM则需人工处理 | 利用雷达多重回波及软件滤波,可获得DSM和DEM |
| 几何纠正 | 以地面控制点和空中三角平差,反求外方位元素 | 整合全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)及惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)直接解算外方位元素 |
| 外业工作 | 地面控制点布设和测量 | GNSS地面基站架设 |
| 作业连贯性 | 低(输入影像和控制点,以软件校正处理生成初步成果,再经过人工编辑输出) | 高(飞行完毕后将点云数据与地面GNSS数据联合差分,完成匹配和检校后即可输出成果) |
| 自动化程度 | 低(需人工检查和修编) | 高(少量人工修正) |
| 数字化程度 | 质检等环节未完全数字化 | 完全数字化 |
| 水平精度 | 0.3~0.5 m(地面分辨率0.5 m) | 0.15~1.0 m(地面分辨率0.35 m) |
| 高程精度 | 0.5~2.5 m(地面分辨率1.0 m) | 0.10~1.5 m(地面分辨率0.15 m) |
长江三峡库区地形切割强烈,植被覆盖度高,地质条件复杂,常规的卫星成像与测量技术不能获取高精度的DEM数据,给该区地质灾害识别与分析带来了一定的困难[18]。2009年,航遥中心搭载Leica ALS 50II型机载LiDAR设备,飞行10架次,获取了巴东—秭归一带1 000 km2激光点云数据并进行了1:5 000比例尺的DEM制作。选择不同地形地貌和植被覆盖等环境条件下,各种成因类型和发育规模的典型地质灾害点,通过对成果产品的深入挖掘、综合分析,利用灾害体特征要素识别,开展了库岸稳定性、微地形地貌以及地质灾害调查应用[19]。结果显示:
1)通过不同方位角的山体阴影系列图,能够精确表达测区不同朝向的微地貌形态,为地质灾害调查分析提供直观的微地貌图像,突破了以往由于数据精度不高导致对灾害体认识不够全面的屏障。
2)基于LiDAR点云构建的坡度图、地表粗糙度图能够为地质灾害识别与分析提供定量的遥感资料。
3)利用2期LiDAR DEM数据能够识别出某一时间段内滑坡体的滑动区域和非滑动区域,并精确测算变形量,为滑坡灾害防治提供科学的基础数据。
4)在地理信息系统支持下基于LiDAR生成的DEM产品,可完成研究区内滑坡分布、危险性空间预测等工作,对居民地选址、灾害的预警与防治等提供技术指导。
基于LiDAR生成的DEM开展对位于三峡库区库首至秭归县研究区的滑坡及不稳定斜坡空间分布识别与分析,该区地质灾害点平均分布频数为0.298个/km2,高出平均水平2倍以上,为库区最高[20]。分布情况如图3所示。
图3 基于LiDAR技术识别出的研究区滑坡及不稳定斜坡分布
Fig.3 Distribution of landslides and unstable slopes discriminated by LiDAR technology
2.3 机载POS技术
机载定位定姿系统(position & orientation system,POS)直接地理定位技术,是通过GNSS载波相位差分定位获取航摄仪的位置参数及IMU测定航摄仪的姿态参数,经联合差分后处理,可直接获得测图所需的每张图片6个外方位元素,定量化反演遥感信息获取过程,实现机载遥感直接对地定位[21,22]。观测精度能够满足1:10 000~1:50 000比例尺摄影测量平面和高程定位精度。改变了长期以来航空遥感对地定位严重依赖地面控制的状况,可在无地面控制点的情况下,迅速将获取的航空遥感影像进行多种影像图的制作,使边远无人区、海岸带、陡峻山区等困难地区和国境线等敏感区的高精度航空遥感调查成为可能,并大大缩短了调查周期、降低生产成本(通常在24 h内完成从航空遥感数据获取到DOM制作过程,平均可节省40%以上的地面测量外业工作量)。事实上,机载POS技术已成为当今航空遥感(航空数码、LiDAR、高光谱、倾斜摄影测量、无人机遥感等)不可或缺的辅助手段。
2009年,航遥中心基于机载POS系统直接定位技术完成了长江中上游(江津—宜昌段)1:50 000航空遥感地质调查,获取了工作区40 000 km2数字航空遥感影像、LiDAR数据和高精度定位定向信息,快速完成工作区1:10 000比例尺DEM和DOM制作,大大节省了工作周期和项目成本。利用2003年、2009年2期航空遥感数据完成了三峡库区地质灾害、地形地貌微变化、库岸稳定性等生态地质环境专题因子调查和动态监测,总结研究了该地区地质环境及地质灾害变化规律,并提出对策和建议,为库区资源开发利用、工程建设、环境保护与经济可持续发展提供了精准的基础数据和可靠的科学依据[23]。通过对成果的梳理和归纳,航遥中心现已具备了成熟的机载POS系统直接地理定位方法的工作流程和质量控制方法,提出了机载POS系统辅助航空摄影数据处理及精度评定的方法,修订和发布了新的《航空遥感摄影技术规程》地质行业标准[24]。
2.4 无人机遥感
无人机遥感是指以固定翼、(多)旋翼、飞艇等遥控低空飞行平台为载体,以数码像机等为主要传感器,灵活、快速、高效地获取工作区高分辨影像信息的航空遥感技术。无人机提供了一个新的、可控的遥感数据获取平台,是一种比有人飞机遥感平台更迅捷、经济的遥感数据获取手段[25]。该技术主要应用于中小范围内的监测任务,特别适合重点和热点区的应急监测和重复观测,是卫星遥感和有人机遥感的有效补充,将成为航空遥感信息获取的重要手段之一。无人机遥感的技术特点主要有:
1)响应快速。无人机飞行器体积小、重量轻,运输便利,操作简单。能在待命状态下2 h内出动,到现场后1 h内起飞,降落后20 min内可查看影像,能快速发现、快速核查和处理,大大提高了应急应变能力。
2)云下航摄能力。无人机可采用超低空的云下飞行,受天气影响较小,数据获取的时间窗口更宽,提升了地质灾害应急监测的适应能力。
3)超高的地面分辨率。因其飞行高度低,可获取5 cm及更高分辨率的影像,能实时在无线网络的支持下传输高清视频。
4)灵活自主。可根据需求进行航线规划并自主飞行。
2014年,重庆市国土房管局组织多支无人机组对“8·31暴雨洪灾”重灾区地质灾害点进行了应急航摄,总结出多轴旋翼无人机航摄在群发地质灾害中的应用经验和方法,推动了多轴旋翼无人机航摄在我国群发地质灾害应急调查监测中的应用[26]。2017年,在地面工作程度较低、地质环境问题集中的重庆市“8·31暴雨洪灾”重灾区,航遥中心采用搭载DM-3600传感器的无人机完成了分辨率为0.2 m的600 km2遥感数据获取工作。以项目获取的高精度无人机航空遥感数据为主要数据源,开展了三峡库区重点区一级斜坡单元内地质灾害遥感调查; 分析地质灾害发育特征及空间分布规律,结合孕灾环境背景选取斜坡坡度、斜坡坡向、地层岩性、地质构造、岸坡类型、水系作用及人类工程活动等作为评价因子,利用信息量模型分析方法(贝叶斯概率模型)为理论基础,以斜坡单元为评价单元,建立地质灾害易发性评价模型,对研究区内斜坡单元进行地质灾害易发性评价; 完成了区段内崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害1:10 000比例尺详细解译,查明了三峡库区巫峡段地质灾害隐患空间分布特征,对段内主要环境地质问题、典型危岩形成模式、地质灾害隐患易发区域形成了新的认识及划分,为三峡库区巫峡段灾害隐患防治工作提供了可靠数据。2018年,在巫溪县地质灾害隐患高易发区域,利用ZC-3固定翼无人机进行了分辨率为0.2 m的700 km2无人机遥感数据获取工作,为区域地质灾害防治工作提供重要依据,同时也是全面落实精准扶贫精准脱贫基本方略,着力解决深度贫困乡镇发展瓶颈问题的重要举措。
2.5 倾斜航空摄影
以往遥感数据大多为垂直或倾角很小的航空、航天摄影/扫描影像数据。此类数据反映了地面物体的顶部信息,但缺乏地物侧面轮廓及纹理的详细信息,不利于地物全方位的场景重建和特征识别。倾斜摄影技术是近年发展起来的一项高新航空遥感技术,它通过在同一飞行平台上搭载多台传感器(一般为5台),分别从垂直向下、前、后、左、右同步采集影像,获取地面物体更为完整丰富的信息。一次曝光可获取垂直地面角度的下视影像和与地面成一定夹角的倾斜影像,配合惯导系统获取高精度的位置和姿态信息,通过特定的数据处理软件进行数据处理,将所有的影像纳入到统一的坐标系统中,经过在线分发,用户可在线从多个角度对数据进行浏览和量测[27]。倾斜航空摄影有以下特点:
1)相对于DOM,倾斜影像能更好地反映地物周边实际情况,让用户从多个角度对地物进行观察,最大程度地还原真实场景,大大弥补了DOM只能观察到地物顶面的缺陷。
2)倾斜影像可实现单张影像量测。通过配套软件的应用,可直接基于成果影像进行长宽高、面积、倾角、体积、土方量等的量测,使该技术具有定量化应用的能力。
3)地物侧面纹理可采集。针对各种三维场景应用,利用航空摄影大规模成图的特点,加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式,能够有效地降低三维建模成本。
4)易于网络发布与共享。倾斜影像的成果可选用多种类型的数据格式进行输出,通过网络技术快速进行发布与更新。
航遥中心在三峡库区巫峡段等地质灾害重点区,开展了分辨率0.15 m倾斜航空摄影数据获取,同步进行地面控制测量,建立了倾斜摄影实景三维模型。2017年在巫山大宁河口地区完成了100 km2的倾斜摄影工作量; 次年继续往东延伸至湖北巴东,又完成了100 km2。对长江两岸一级斜坡、山体侧面出露的岩体纹理进行了详细刻画,解决了巫山大宁河口等重点区地质灾害隐患调查中遇到的地形起伏大、坡度陡,一些垂直坡面上信息难以获取的问题,利用地表实景三维模型,开展了地质体多角度、全方位解译,有效识别了DOM上无法发现的地质灾害隐患(图4),为库区地质灾害隐患调查探索了一种精细化的技术手段。
图4 基于三维模型的地质灾害调查应用
Fig.4 Application of geological hazard investigation based on 3D model
2.6 精密单点定位技术
如上所述,机载 POS辅助航空摄影得到的外方位元素,可直接应用于小比例尺成图,省去了地面实测环节,大大提高工作效率。但此法对地面基站距离、检校场飞行频次等要求较高,而在实际作业工作中会出现某些环节的数据缺失[28]。三峡库区地形切割大,地面基站存在观测失锁的可能; 对该地区进行的航空遥感任务多以沿江的条带状为主,如果严格按照相关规范执行,基站的数量需要较多,但利用率不高。精密单点定位(precise point positioning,PPP)技术能较好地克服这种不足,它在不需要布设地面同步观测基站、无检校场飞行的情况下,亦能完成机载POS数据的处理与数字空中三角测量解算,得到航空摄影像片中心点曝光瞬间的高精度三维坐标信息和姿态数据[29]。其主要原理是利用预报的GNSS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据,同时利用精密卫星种差来替代用户GNSS定位观测方程中的卫星钟差参数,用户利用单台GNSS双频双码接收机的观测数据在数千万km2乃至全球范围内的任意位置都可以进行分米级精度的实时动态定位或以厘米级精度进行快速的静态观测[30]。这种级别的精度指标已经完全可以满足大范围、宏观的地质地貌研究应用的要求,特别适用于某些工作人员无法进入、地质灾害过后的困难地区。
2009年三峡库区航空遥感地质调查时,就已经利用集成了POS系统的DMC框幅式数字航摄仪开展了PPP技术的相关实验和研究,方法是对比同一架次精密单点定位与常规地面基站差分得出的定位精度来评价两者结果的差异及是否满足相关规范要求。具体数据的处理结果显示,PPP技术在无基站辅助得情况下,精度均符合地质调查与应用的指标要求。但在平面和高程的绝对定位精度上,采用基站的数据结果要优于PPP技术2倍左右。2017—2018年航遥中心对三峡库区进行倾斜航空摄影时,在无地面基站的情况下,基于PPP技术实现了三峡库区实景三维模型的构建,其成果与高分卫星、航摄产品等多源遥感数据几何匹配程度良好,定位精度满足地质灾害特征识别与信息提取的需求,展现了该技术的应用潜力。
3 技术难点与展望1)数据爆炸。航空遥感图像数据具有高空间分辨率,增加了地物的细节特征,但海量数据的存储和读取增加了室内数据处理和解译的工作量; 地质灾害发生点通常具有分布广但面积小的特点,往往只占工作区面积的1%~2%,即使在三峡库区这种地质灾害重点区,也不会超过3%,导致航空数据存在大量冗余信息没有得到充分利用,所以航空遥感调查成果的应用广度和深度还有待研究。譬如,2017—2018年间获取的三峡库区高分辨率、高精度的数字航空遥感数据、倾斜摄影实景三维模型、无人机遥感数据,为三峡库区资源环境调查提供了丰富的现势性遥感数据,但目前仅开展了消落带地形变化评价和重大地质灾害隐患分析等工作,航空遥感数据的价值亟需继续挖掘。今后,需研究将更多的地质调查特征因子纳入到航空遥感的识别和解译范围中来,针对库区地质灾害防治需求,研究形成较为完善的多源遥感数据采集、数据处理与影像图制作、地质灾害要素提取与分析、专题图件制作的作业流程,建立稳定的面向库区等重大工程的遥感地质调查队伍,完善航空遥感地质调查技术要求,最终建立基于多源航空遥感数据支持的库区地质灾害调查技术体系。
2)更多航空遥感技术如何应用于地质领域的问题亟待回答。随着高光谱、水深探测雷达、干涉雷达等技术的研究深入与应用推广,它们已在矿产探测、海岸带监测、地形变化等领域发挥了积极作用,而类似三峡库区等重大工程地区的应用案例仍较少。主要的难点在于对现有技术的理解不足,对成果的应用形成了固定思维,不敢勇于进行技术革新。航空高光谱技术在岩性、土壤和植被方面的应用效果良好,而在水质监测领域才刚刚起步。从其技术原理上看,高光谱可形成水质参数的“指纹数据”,能准确对叶绿素、浊度、磷、氮等进行定性识别和定量反演,为库区的水环境提供服务; 水深雷达技术利用蓝绿激光的高反射与高透射特性,精准描绘水下地形,可为库区的航道安全提供支撑; 干涉雷达可对库岸稳定性、工程区地面沉降进行监测,及早发现地质灾害隐患。积极应用新技术来解决老问题,或提高解决问题的效率与精度,而不是固步自封地满足于现有的技术方法,才能从根本上推动地质调查手段的进步,加快地质调查技术的升级转型。
3)多源数据的融合。单一的航空遥感技术所能提供的信息总是有限和片面的,譬如航空摄影主要是获取地物的影像,LiDAR多用于生产高程产品,高光谱则侧重地物的波谱特征差异。为了使不同的手段扬长避短,消除各自信息的不确定性,提升应用能力,就需要开展多源航空遥感数据的融合。所要解决的首要问题就是各种数据如何实现在同一平台的展示,其中将涉及到坐标系的统一、高程基准的一致、几何与辐射纠正、数据格式接口等一系列问题。若加入地质、化探、物探等非遥感信息,情况则更加复杂。首先,数据的选择会直接决定融合处理的方法、效果和应用需求的符合度,因此需要根据具体的用途和目的谨慎决定所使用的各类数据源; 其次是进行数据格式转化、图像增强、滤波、降维等预处理,目的是将各种数据的主要信息保存下来; 最后,依据具体的目的选择一种或几种融合算法,或加以优化和改进,完成融合步骤。上述的每一环节都没有固定的模式,需在实际生产实践中积累经验,评价融合效果,形成经验知识库,再通过神经网络、人工智能等逐步形成面向地质调查需求的自动融合方法,能根据调查目标自主选择数据源并完成数据融合。
4)自动化程度、工作效率有待提升。无论是航空遥感数据的处理,还是后期的识别与解译应用,人机交互仍然是主要的工作方法。该技术在数据量小、工作范围不大的情况下完全可以满足工作所需,但在如今基于海量、高分辨率数据支持下大范围地质调查就显得局限性较多。对航空遥感数据处理来说,应加强影像匀光匀色算法的研究,解决数据保密与充分利用云端资源的矛盾,自主研发面向地质调查应用的飞行控制、质量检查、数据输入、成果输出的一体化软件平台,减少人工干预环节,压缩从飞行到成果的时间间隔,充分体现航空遥感高效的特点。对数据应用来说,摆脱目前仅利用地物光学特征建立特征因子的思维,加强对兴趣地物的拓扑空间、光谱维、时间维、侧面纹理等特征的研究,利用深度学习、专家知识等构建更丰富的识别与解译模型,挖掘不同航空遥感数据的价值,真正实现地物识别与提取的自动化和智能化。
4 结论与建议1)航空遥感技术仍将在未来一段时期内作为地质调查不可替代的工作手段之一。在卫星载荷丰富多样、回访周期缩短、空间和光谱分辨率不断提高的现状下,航空遥感仍具有自主性强、高精度、高效率等优势,特别是无人机低空遥感技术的出现,进一步凸显了航空遥感的机动、灵活、快速的无法比拟的特点。在硬件指标持续提升、软件算法陆续完善的背景下,新兴航空遥感技术层出不穷,传感器的小型化、集成化将是未来一段时间的发展趋势。
2)周期化的航空遥感调查为长江三峡库区的精细化地质调查提供了有力技术保障。自20世纪80年代至今,开展的多轮针对三峡库区的航空遥感地质调查工作,涌现出的航空遥感新技术很好地解决了库岸消落带地形变化、重点地区地质灾害隐患调查、隧道地质环境破坏等地质新问题,为库区可持续发展和自然资源规划及管理提供了宝贵的历史与现势性基础资料与决策支撑。
3)星空地多源数据的融合应用是下一阶段的发展方向。一方面应以三峡库区库岸稳定性等地质调查需求为导向,系统总结和推广新型传感器技术的地质应用,深入开展方法研究和典型示范,提出生态地质保护与系统修复的科学解决方案,努力建立高效有效的自然灾害防治体系。另一方面,应在充分发挥自身技术优势的同时,融合航天对地观测技术、地面调查技术和大数据技术等,形成对三峡库区定期采集、多时相、多手段的动态观测模式,建立航空遥感调查数据库,搭建航空遥感调查三维可视化展示与信息服务系统,依靠科技创新和信息化建设提升地质灾害高精度航空遥感调查技术水平,实现航空遥感地质调查工作的转型与升级。
参考文献（略）
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