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感的原理與實踐 --以上海市第三輪航空遙感調查為例
在人類即將告別20世紀，并邁步跨入21世紀之際，上海市人民政府要求: 對20世紀末的上海城市發(fā)展狀況，作一次全面的航空遙感調查，這是繼1988年和1994年前兩輪航空遙感調查之后的上海市第三輪航空遙感調查。本次航空遙感調查的目的是：運用現(xiàn)代信息技術手段，將20世紀末的上海城市發(fā)展狀況，以數(shù)字化的形式真實、詳細地記錄下來，建立相應的遙感影像資料數(shù)據(jù)庫，并對這些數(shù)據(jù)充分加以分析和利用，以便為未來的上海城市發(fā)展提供信息服務和決策參考。
一、遙感的基本原理
（一）基本概念
遙感一詞來源于英語“Remote Sensing”，其直譯為“遙遠的感知”，時間長了人們將它簡譯為遙感。遙感是20世紀60年代發(fā)展起來的一門對地觀測綜合性技術。自20世紀80年代以來，遙感技術得到了長足的發(fā)展，遙感技術的應用也日趨廣泛。隨著遙感技術的不斷進步和遙感技術應用的不斷深入，未來的遙感技術將在我國國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮越來越重要的作用。 關于遙感的科學含義通常有廣義和狹義兩種解釋: 廣義的解釋: 一切與目標物不接觸的遠距離探測。 狹義的解釋: 運用現(xiàn)代光學、電子學探測儀器，不與目標物相接觸，從遠距離把目標物的電磁波特性記錄下來，通過分析、解譯揭示出目標物本身的特征、性質及其變化規(guī)律。
（二）系統(tǒng)的組成
遙感是一門對地觀測綜合性技術，它的實現(xiàn)既需要一整套的技術裝備，又需要多種學科的參與和配合，因此實施遙感是一項復雜的系統(tǒng)工程。根據(jù)遙感的定義，遙感系統(tǒng)主要由以下四大部分組成（參見下圖）: 1、信息源 信息源是遙感需要對其進行探測的目標物。任何目標物都具有反射、吸收、透射及輻射電磁波的特性，當目標物與電磁波發(fā)生相互作用時會形成目標物的電磁波特性，這就為遙感探測提供了獲取信息的依據(jù)。 2、信息獲取 信息獲取是指運用遙感技術裝備接受、記錄目標物電磁波特性的探測過程。信息獲取所采用的遙感技術裝備主要包括遙感平臺和傳感器。其中遙感平臺是用來搭載傳感器的運載工具，常用的有氣球、飛機和人造衛(wèi)星等; 傳感器是用來探測目標物電磁波特性的儀器設備，常用的有照相機、掃描儀和成像雷達等。 3、信息處理 信息處理是指運用光學儀器和計算機設備對所獲取的遙感信息進行校正、分析和解譯處理的技術過程。信息處理的作用是通過對遙感信息的校正、分析和解譯處理，掌握或清除遙感原始信息的誤差，梳理、歸納出被探測目標物的影像特征，然后依據(jù)特征從遙感信息中識別并提取所需的有用信息。 4、信息應用 信息應用是指專業(yè)人員按不同的目的將遙感信息應用于各業(yè)務領域的使用過程。信息應用的基本方法是將遙感信息作為地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，供人們對其進行查詢、統(tǒng)計和分析利用。遙感的應用領域十分廣泛，最主要的應用有: 軍事、地質礦產(chǎn)勘探、自然資源調查、地圖測繪、環(huán)境監(jiān)測以及城市建設和管理等。
（三）遙感原理
振動的傳播稱為波。電磁振動的傳播是電磁波。電磁波的波段按波長由短至長可依次分為: γ-射線、X-射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波。電磁波的波長越短其穿透性越強。遙感探測所使用的電磁波波段是從紫外線、可見光、紅外線到微波的光譜段。 太陽作為電磁輻射源，它所發(fā)出的光也是一種電磁波。太陽光從宇宙空間到達地球表面須穿過地球的大氣層。太陽光在穿過大氣層時，會受到大氣層對太陽光的吸收和散射影響，因而使透過大氣層的太陽光能量受到衰減。但是大氣層對太陽光的吸收和散射影響隨太陽光的波長而變化。通常把太陽光透過大氣層時透過率較高的光譜段稱為大氣窗口。大氣窗口的光譜段主要有: 紫外、可見光和近紅外波段。 地面上的任何物體（即目標物），如大氣、土地、水體、植被和人工構筑物等，在溫度高于絕對零度（即0°k=-273.16℃）的條件下，它們都具有反射、吸收、透射及輻射電磁波的特性。當太陽光從宇宙空間經(jīng)大氣層照射到地球表面時，地面上的物體就會對由太陽光所構成的電磁波產(chǎn)生反射和吸收。由于每一種物體的物理和化學特性以及入射光的波長不同，因此它們對入射光的反射率也不同。各種物體對入射光反射的規(guī)律叫做物體的反射光譜。遙感探測正是將遙感儀器所接受到的目標物的電磁波信息與物體的反射光譜相比較，從而可以對地面的物體進行識別和分類。這就是遙感所采用的基本原理。
（四）遙感的分類
為了便于專業(yè)人員研究和應用遙感技術，人們從不同的角度對遙感作如下分類: 1、按搭載傳感器的遙感平臺分類 根據(jù)遙感探測所采用的遙感平臺不同可以將遙感分類為: 地面遙感，即把傳感器設置在地面平臺上，如車載、船載、手提、固定或活動高架平臺等；航空遙感，即把傳感器設置在航空器上，如氣球、航模、飛機及其它航空器等; 航天遙感，即把傳感器設置在航天器上，如人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間實驗室等。 2、按遙感探測的工作方式分類 根據(jù)遙感探測的工作方式不同可以將遙感分類為: 主動式遙感，即由傳感器主動地向被探測的目標物發(fā)射一定波長的電磁波，然后接受并記錄從目標物反射回來的電磁波; 被動式遙感，即傳感器不向被探測的目標物發(fā)射電磁波，而是直接接受并記錄目標物反射太陽輻射或目標物自身發(fā)射的電磁波。 3、按遙感探測的工作波段分類 根據(jù)遙感探測的工作波段不同可以將遙感分類為: 紫外遙感，其探測波段在0.3～0.38um之間; 可見光，其探測波段在0.38～0.76um之間; 紅外遙感，其探測波段在0.76～14um之間; 微波遙感，其探測波段在1mm～1m之間; 多光譜遙感，其探測波段在可見光與紅外波段范圍之內，但又將這一波段范圍劃分成若干個窄波段來進行探測。高光譜遙感是在紫外到中紅外波段范圍內，并且也將這一波段范圍劃分成許多非常窄且光譜連續(xù)的波段來進行探測。 4、按遙感探測的應用領域分類 根據(jù)遙感探測的應用領域，從宏觀研究角度可以將遙感分類為: 外層空間遙感、大氣層遙感、陸地遙感、海洋遙感等; 從微觀應用角度可以將遙感分類為: 軍事遙感、地質遙感、資源遙感、環(huán)境遙感、測繪遙感、氣象遙感、水文遙感、農(nóng)業(yè)遙感、林業(yè)遙感、漁業(yè)遙感、災害遙感及城市遙感等。
（五）遙感技術的特點
遙感作為一門對地觀測綜合性技術，它的出現(xiàn)和發(fā)展既是人們認識和探索自然界的客觀需要，更有其它技術手段與之無法比擬的特點。遙感技術的特點歸結起來主要有以下三個方面: 1、探測范圍廣、采集數(shù)據(jù)快 遙感探測能在較短的時間內，從空中乃至宇宙空間對大范圍地區(qū)進行對地觀測，并從中獲取有價值的遙感數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)拓展了人們的視覺空間，為宏觀
地掌握地面事物的現(xiàn)狀情況創(chuàng)造了極為有利的條件，同時也為宏觀地研究自然現(xiàn)象和規(guī)律提供了寶貴的第一手資料。這種先進的技術手段與傳統(tǒng)的手工作業(yè)相比是不可替代的。 2、能動態(tài)反映地面事物的變化 遙感探測能周期性、重復地對同一地區(qū)進行對地觀測，這有助于人們通過所獲取的遙感數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并動態(tài)地跟蹤地球上許多事物的變化。同時，研究自然界的變化規(guī)律。尤其是在監(jiān)視天氣狀況、自然災害、環(huán)境污染甚至軍事目標等方面，遙感的運用就顯得格外重要。 3、獲取的數(shù)據(jù)具有綜合性 遙感探測所獲取的是同一時段、覆蓋大范圍地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)綜合地展現(xiàn)了地球上許多自然與人文現(xiàn)象，宏觀地反映了地球上各種事物的形態(tài)與分布，真實地體現(xiàn)了地質、地貌、土壤、植被、水文、人工構筑物等地物的特征，全面地揭示了地理事物之間的關聯(lián)性。并且這些數(shù)據(jù)在時間上具有相同的現(xiàn)勢性。
二、遙感的調查實踐
（一）資料獲取
上海市第三輪航空遙感調查采用1: 10000和1: 50000兩種航攝比例尺，以彩紅外的成像方式對上海全市范圍展開調查。航空遙感調查的第一步是資料獲取。資料獲取是整個航空遙感調查的基礎性工作，其進行的好壞將直接影響以后各項工作的質量與效果。資料獲取的工作大致可分成四個階段來進行:
1、第一階段為前期工作，前期工作主要有：確定調查的時間、擬定調查的航線和完成航攝任務的招投標。
（1）確定調查的時間 城市航空遙感調查的時間一般選擇在秋季或冬季。因為秋季或冬季這段時間，我國大部分地區(qū)通常晴好天氣較多，空氣能見度較高，地面植被的遮擋較少，因而所獲取的影像資料也就較為清晰。在航空遙感調查中，針對大區(qū)域的大比例尺、完整覆蓋的航攝飛行來說，其很難在一個較短的時期內完成。因此需要結合當?shù)氐臍庀笄闆r，選擇一個合適的時間段，來實施針對大區(qū)域的大比例尺、完整覆蓋的航攝飛行。根據(jù)氣象部門提供的氣象資料，表明調查當時上海地區(qū)正值暖冬和春寒，在此期間晴好天氣為多，空氣能見度也高，經(jīng)過反復斟酌，我們把調查的時間段定在1999年12月至2000年5月。
（2）擬定調查的航線 擬定調查的航線首先要確定飛行的航向，其次要在有經(jīng)緯度的地圖上畫出詳細的飛行路線。飛行的航向一般是根據(jù)被調查地域的形狀來確定。通常地域形狀呈南北向延伸，其航向定為南北向; 地域形狀呈東西向延伸，其航向定為東西向。畫詳細的飛行路線應充分考慮航片的縱向重疊和旁向重疊。一般說來縱向重疊按40-60％左右考慮，旁向重疊按25-30％左右考慮。本次航空遙感調查按照市有關部門的要求，結合上海的實際情況，我們把1: 10000比例尺的飛行航向定為東西向飛行，1: 50000比例尺的飛行航向定為南北向飛行，飛行的詳細路線與上海市地形圖圖幅的中心線相一致，航片的縱向重疊按60％設計，旁向重疊按30％設計。這樣做不僅有利于航片的后期處理，也有利于測繪部門用航片來修測地形圖。
（3）完成航攝任務的招投標 資料獲取的實質性工作是要完成航攝任務。但作為遙感調查的業(yè)主單位，一般不具備這方面的條件和能力來承擔這項任務。因此，必須通過市場招投標，選擇一家有儀器設備、有技術經(jīng)驗的專業(yè)化企業(yè)來完成此項任務。我們在開展航攝任務招投標的過程中，首先是編制好航攝任務的招標書。編制招標書的關鍵是要明確航攝任務的技術要求，其中應包括: 航攝的時間、區(qū)域，航攝的比例尺、攝影種類，航攝的飛行路線、飛行姿態(tài)，航攝的縱向和旁向重疊率，航攝相機的規(guī)格，航攝膠片的規(guī)格，飛行器（飛機）上的必要裝備等。其次是進行航攝任務的投標、開標、評標和商務談判。其中評標是由我們業(yè)主選定的專家們對各投標方的投標書進行技術評價，主要是評價各投標書中提出的航攝實施方案是否真正滿足招標方的航攝技術要求。在投標方的實施方案能夠真正滿足招標方的技術要求的前提下，再根據(jù)開標時投標方的商務報價，按最低價中標的原則確定中標單位，然后業(yè)主和中標單位通過商務談判最終簽訂項目合同。
2、第二階段為航攝準備，航攝準備的主要工作有：檢查儀器設備及采購材料、召開航空遙感飛行協(xié)調會和進行航攝試飛。
（1）檢查儀器設備及采購材料 航攝準備首先要對航攝的各種儀器設備作嚴格的檢查。檢查的內容主要包括: 飛行器及飛行器上的通訊與導航設備，航攝相機和航攝平臺。檢查的目的是要確保這些儀器設備能正常工作，并達到儀器設備本身所規(guī)定的性能指標。其次是采購有關的材料，主要有航攝的膠片和膠片沖洗液。為了獲得大面積、高質量的遙感影像資料，目前這些材料仍需從國外進口。要注意的是：由于從國外進口這些材料得有一個周期，因此必須提前一段時間預先訂購，并確保這些被訂購的材料在正式實施航攝之前到貨。
（2）召開航空遙感飛行協(xié)調會 召開航空遙感飛行協(xié)調會是航攝準備一項很重要的工作。召開這個協(xié)調會就是把負責上海地區(qū)空中管制及參加本次航攝任務的各有關單位請來，圍繞本次遙感調查的航攝任務進行充分地討論和協(xié)商，在參加會議的各方達成共識的基礎上，確定航攝飛行的管制方案，明確各自的保障任務和責任，最后將會議結果形成航空遙感飛行協(xié)調會會議紀要。該會議紀要應就飛機的地面保障、飛行的空中保障、航攝區(qū)域與飛行高度、航攝飛行的調配和航攝飛行的管制等內容作出具體規(guī)定，明確業(yè)務要求。會議紀要一旦形成，便成為各方執(zhí)行任務的行動規(guī)范，參加會議的所有單位都必須嚴格遵守。
（3）進行航攝試飛 航攝試飛也是航攝準備的一項必要工作。在上述兩項工作均已順利完成的基礎上，便可開始進行航攝試飛。航攝試飛的主要任務是檢驗航攝飛行的協(xié)調與配合、熟悉航攝區(qū)域的地理環(huán)境、校正航攝儀器和進行航攝的試拍。其中檢驗航攝飛行的協(xié)調與配合是檢驗航攝人員在航攝飛行過程中，與氣象部門、空中管制部門和地面指揮塔的協(xié)調與配合；熟悉航攝區(qū)域的地理環(huán)境是熟悉被攝地區(qū)地物基本要素的分布情況; 校正航攝儀器是校正裝載航攝相機平臺的基準; 進行航攝的試拍是選擇具有明顯地形地物特征的小范圍區(qū)域進行試拍。在結束航攝試飛后，要立即對以上的試驗結果進行分析和總結，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，以便為正式實施航攝創(chuàng)造良好的條件。
3、第三階段為實施航攝，主要工作有: 收集氣象資料、執(zhí)行航攝任務和監(jiān)控航攝質量。
（1）收集氣象資料 收集氣象資料對實施航攝來說至關重要。為了確保航攝任務的順利實施，航攝人員必須與氣象部門保持密切聯(lián)絡，及時收集每一天、每一周的氣象預報，隨時掌握航攝期間的天氣情況及變化趨勢。同時，要根據(jù)所收集到的氣象資料，設計好具體的航攝飛行方案，主要是確定每次航攝飛行的具體時間和區(qū)域。由于天氣狀況變幻莫測，因此在設計航攝飛行方案時，往往要同時擬定幾套方案
以供備用。一旦天氣發(fā)生突變，首選方案無法實施時，便可選擇備用方案付諸實施，這樣就不會耽擱執(zhí)行航攝任務的進度。
（2）執(zhí)行航攝任務 執(zhí)行航攝任務就是對航空遙感被調查區(qū)域進行正式拍攝。在每次執(zhí)行航攝任務之前，仍需對飛機的機務狀況作常規(guī)檢查，如飛機的儀表是否正常、機械是否有故障、燃料是否充足等。另外還要檢查是否攜帶了本次航攝的飛行路線圖。若飛機的常規(guī)檢查未發(fā)現(xiàn)異常情況，便可開始進行航攝飛行。當飛機起飛升空后，飛行員要及時校準飛行航線，注意保持飛行高度，并控制好飛機的飛行姿態(tài)。航攝人員要注意控制好航攝平臺的基準，監(jiān)視航攝相機工作是否正常，并認真作好航攝記錄。在航攝飛行的過程中，飛行員要聽從機場塔臺的指揮，服從指揮人員的調度，一旦遇到特殊情況，應按命令及時返航。
（3）監(jiān)控航攝質量 在每次執(zhí)行完航攝任務之后，應及時把航攝膠卷從航攝相機中取出，并立即送交承擔航攝任務單位的洗印中心進行處理。處理的過程主要有：顯影、定影、水洗、晾干和曬印像片。在沖洗膠卷時，須控制好沖洗液的濃度、溫度和沖洗的時間，要盡可能使膠片的色飽和度達到最佳處理效果。待沖洗完膠卷并晾干后便可曬印成像片。監(jiān)控航攝質量主要是通過曬印出來的航攝像片，對航攝的質量進行技術評定，著重是評定航攝像片的覆蓋區(qū)域與航攝路線的基線是否有偏差，航攝像片的縱向與旁向重疊是否滿足設計要求。若發(fā)現(xiàn)有這兩種問題造成的“航攝漏洞” ，必須做好有關的記錄，另行擬定補飛的航攝計劃，安排航攝補飛。
4、第四階段為資料驗收，資料驗收的主要工作有: 檢查航攝成果和接收航攝資料。
（1）檢查航攝成果 在接收航攝資料之前，必須對航攝成果進行嚴格的檢查，檢查主要是通過閱讀航攝膠片、像片來進行。首先是檢查航攝像片的覆蓋區(qū)域是否涵蓋了本次遙感調查的全部區(qū)域。其次是檢查航攝膠片的清晰度與色飽和度是否達到業(yè)主規(guī)定的要求。再則是檢查航攝像片是否存在傾斜角偏大，旋轉角突變、漸變等造成的航攝漏洞以及補正航攝質量檢查等。待完成上述檢查內容，未發(fā)現(xiàn)任何重大問題，并航攝的質量完全達到技術考核的標準，方可進行資料的接收。
（2）接受航攝資料 接收航攝資料，應先列出接收內容的詳細清單。接收的內容主要包括: 航攝膠卷、航攝像片和航攝記錄。在接收航攝資料時，要根據(jù)清單的內容一一核對查收。若在接收航攝資料的過程中，沒有發(fā)現(xiàn)航攝資料有任何缺漏，接收人便可在資料驗收書上簽字。至此航空遙感調查資料獲取的整個工作就告一段落。
（二）數(shù)據(jù)處理
航空遙感調查的第一步--資料獲取，僅僅是完成了遙感數(shù)據(jù)的采集工作。此時的遙感數(shù)據(jù)還是未作數(shù)字化加工的原始數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)還不能直接被計算機來加以分析利用。因此，在完成了航空遙感調查的第一步即資料獲取之后，還須進行航空遙感調查的第二步--數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理的主要任務是: 運用攝影測量專業(yè)掃描儀及計算機軟硬件，在有經(jīng)驗的技術人員的人工干預下，對原始的遙感數(shù)據(jù)進行掃描、校正及拼接等加工處理，最后建立相應的遙感影像資料數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)處理的工作大致分為四個方面，這四個方面的工作可以交叉進行。
第一個方面的工作為數(shù)字化掃描。數(shù)字化掃描是航空遙感調查中數(shù)據(jù)處理的首要工作。數(shù)字化掃描的任務是把記錄在膠片上的遙感數(shù)據(jù)轉換成計算機可儲存與處理的數(shù)字化形式。
開展數(shù)字化掃描的工作，實施單位必須具備必要的電子設備，其中最重要的設備是攝影測量專業(yè)掃描儀和計算機。攝影測量專業(yè)掃描儀要求其掃描的分辨率范圍至少要在100～5000dpi，并且要既能掃描大幅面(23cm×23cm以上)的底片，又能掃描大幅面的像片。而計算機則要求CPU芯片的處理速度越快越好，內存至少要512Mb，硬盤至少要75Gb。另外掃描軟件在采購攝影測量專業(yè)掃描儀時也會隨機提供。
在開始數(shù)字化掃描之前，操作人員必須先確定航片的掃描分辨率。對于一幅航片究竟采用什么樣的分辨率來進行掃描非常重要。因為掃描分辨率定得太高，由掃描所得的數(shù)據(jù)其冗余就太多；而掃描分辨率定得太低，由掃描所得的數(shù)據(jù)其損失又太大。因此，選擇合適的掃描分辨率就成了執(zhí)行數(shù)字化掃描任務的關鍵。所謂選擇合適的掃描分辨率，就是要尋找一種能使掃描所得的數(shù)據(jù)既不產(chǎn)生較多冗余又不造成較大損失的掃描分辨率。那么掃描一幅航片其掃描的分辨率到底取決于什么呢？ 經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn): 它只取決于航攝膠卷的解像力。本次航空遙感調查，我們選用柯達2443彩紅外反轉片，其解像力為63線/mm,換算成線密度為15.87u。這就是說膠片感光本身的分辨率為每隔15.87微米的距離能顯現(xiàn)1個像素點，距離再小它就無法分辨。由此我們可以得出，航片掃描分辨率的線密度應大于15.87u，而不能小于15.87u，否則由掃描所得的數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生冗余。然而，航片掃描分辨率的線密度應大于15.87u多少呢？如果大得太多，反過來也會對掃描所得的數(shù)據(jù)造成信息損失，對此只有通過做試驗來確定。經(jīng)過若干次的試驗，我們覺得把航片掃描分辨率的線密度定在17u比較合適，換算成掃描分辨率接近于1500dpi。按這樣的分辨率來進行掃描，雖說會有少許的信息損失，但其影響微不足道。所以最終我們把航片的掃描分辨率定在了1500dpi。
當確定了航片的掃描分辨率之后，即可進行數(shù)字化掃描的工作。在掃描的過程中，對每條航線圖像質量相近的航片必須進行預掃。為了盡量減少掃描過程中的信息損失，預掃時應在充分尊重航攝底片原始信息的前提下，不斷地調整掃描的亮度、色彩飽和度和對比度等參數(shù)，力求使掃描的結果達到地物成像清晰、色調區(qū)域平衡、反差均衡適中。待預掃的亮度、色彩度和對比度等參數(shù)確定以后，便可對每條航線圖像質量相近的航片進行批量掃描。按此程序周而復始地重復，直至完成整個數(shù)字化掃描的任務。
第二個方面的工作為幾何校正。航空遙感調查是通過航空攝影來獲取遙感影像資料的。由于航空攝影采用的是中心投影，即空間任意一點均通過某一固定點(投影中心)被投射到一平面(投影面)上而構成其影像。因此，當被攝地區(qū)地面起伏較大或航攝的飛行姿態(tài)出現(xiàn)較大傾斜時，均會使航片上的像素點產(chǎn)生像點位移，從而造成遙感影像的幾何畸變，同時也造成航片上各處的比例尺不盡相同。由被攝地區(qū)地面起伏較大所引起的遙感影像幾何畸變稱為投影誤差，由航攝的飛行姿態(tài)出現(xiàn)較大傾斜所引起的遙感影像幾何畸變稱為傾斜誤差。對于這兩種誤差，包括比例尺的差異，我們都要予以消除。這樣中心投影的航片才能被當作正射投影的平面圖來使用。
鑒于上海地區(qū)地面較為平坦，基本沒有地勢起伏，所以對因地勢起伏較大而產(chǎn)生的投影誤差我們可以忽略不計。然而，上海的地面上有許多高樓，這些高樓的高低起伏也會引起投影誤差，但是對因這種情況造成的投影誤差，無須消除也無法消除。另外，由于空中存
在著氣流的緣故，航攝的飛行姿態(tài)較難控制，航攝時其飛行姿態(tài)難免會出現(xiàn)較大的傾斜。所以，本次航空遙感調查所獲得的航片存在著一定程度的傾斜誤差，同時也存在著航片各處的比例尺不同。為此，對已經(jīng)完成數(shù)字化掃描的航片，我們還須對其影像所含的傾斜誤差和比例尺的不同進行幾何校正，擬通過幾何校正來消除該影像的幾何畸變和比例尺差異。
所謂幾何校正，就是將一幅含有幾何畸變和比例尺差異的原始遙感影像，通過一種數(shù)學變換，生成一幅符合數(shù)字化地圖實際的新的遙感影像。幾何校正的具體方法為: 先在每幅原始遙感影像上選取若干個控制點，再求出這些控制點在數(shù)字化地圖上對應點的真實坐標，然后把這些已知坐標的控制點代入計算機的校正軟件進行運算。校正運算實際上包含著兩個基本的運算過程: 一是將每個原始像素點的行列值換算成它在新生成的遙感影像中的坐標值，二是重新計算出每個原始像素點在新生成的遙感影像中的像元亮度值。當所有的控制點被選好后，其校正運算的過程由計算機校正軟件自動完成。而控制點的選取則需要人工干預，其選擇的準確性與合理性將直接影響到校正的處理效果。
在幾何校正的過程中，我們需要著重把握好兩個關鍵環(huán)節(jié)。一是選取什么樣的像素點作為控制點。根據(jù)以往幾何校正的經(jīng)驗，通常選擇原始遙感影像上地面的突變點來作為控制點，比如道路的交叉口、河流的分叉或拐彎處等。另外像小河的橋梁、建筑物的房基等也適合選作控制點。這樣選擇的好處是: 作為控制點的地物標志明顯，易于識別。二是在每幅原始遙感影像上選取多少數(shù)目的控制點。從理論上講被選擇的控制點的數(shù)目應越多越好，但選擇得太多會使幾何校正的工作量太大，反過來選擇得太少又達不到幾何校正所需的精度。這個問題究竟應該如何把握，目前還沒有很好的解決辦法，仍需通過幾何校正的具體實踐，視每幅原始遙感影像的幾何畸變程度來逐一確定。按照我們的實踐經(jīng)驗，對幾何畸變程度較小的原始遙感影像來說，被選擇的控制點的數(shù)目可以少一些，通常不少于15個; 對幾何畸變程度較大的原始遙感影像來說，被選擇的控制點的數(shù)目可以多一些，通常要在30個以上。在同一幅原始遙感影像中，不同的區(qū)域其幾何畸變的程度也不同。原則上也是幾何畸變較大的區(qū)域，被選擇的控制點的數(shù)目多一些; 而幾何畸變較小的區(qū)域，被選擇的控制點的數(shù)目少一些。另外在選取控制點時，每幅原始遙感影像的中心區(qū)域應少選一些，四周區(qū)域應多選一些，因為中心區(qū)域的幾何畸變要比四周區(qū)域的幾何畸變來得小。但是控制點的分布應盡量地均勻，尤其是在幾何畸變程度相近的同一區(qū)域要均勻地分布。這樣所獲得的校正影像其精度才能滿足要求，并且整體性也好。
第三個方面的工作為圖像拼接。經(jīng)過數(shù)字化掃描及幾何校正后的數(shù)字化遙感影像，均為一幅幅具有相同比例尺的影像圖。這些影像圖互相之間都存在著部分的重疊。所謂圖像拼接就是通過對相鄰影像圖的無縫拼接處理，把這些影像圖相互間的重疊部分去掉，從而為在邏輯上將這些影像圖整合成覆蓋上海全市的一幅影像圖創(chuàng)造條件。圖像拼接的具體工作步驟為: 首先是進行色差處理，借助PhotoShop軟件中的色彩調整功能，將需要拼接的兩幅相鄰影像圖的色彩調整到盡可能和諧。其次是選擇拼接線，在兩幅相鄰的影像圖上，用彩色線把需要進行拼接的界線勾畫出來。再則是拼接影像圖，當選好拼接線后，由I/RAS C軟件沿著拼接線的軌跡自動進行拼接處理。最后是拼接后的檢查，著重檢查沿拼接線的接縫處是否存在著錯位，若存在錯位，還需要對拼接后的影像作進一步的修補。
在進行圖像拼接時，必須注意以下三個問題: 一是拼接線要盡可能沿著道路、河流、田埂、空地、陰影等延伸，盡量將拼接線選擇在兩旁無高樓的區(qū)域。二是注意兩幅相鄰影像圖在拼接處的高樓單中心投影傾向，要盡可能使拼接線兩側的樓房保持相似的傾向，同時也要防止在拼接后將某一側樓房切掉一部分的情況。三是拼接線要盡可能避免穿越高架、橋梁、鐵路等地物，假如必須要穿越高架、橋梁、鐵路時，應盡量從銜接較好的地方或陰影區(qū)內穿過。
在進行錯位修補時，必須遵循以下四個原則: 一要遵循客觀性的原則，即在尊重原始影像的基礎上，經(jīng)過對影像錯位的修補，使修補后的影像能客觀地體現(xiàn)地物的原有面貌。二要遵循準確性的原則，即只對幾何校正不準的影像部分作錯位修補處理，而對幾何校正準確的影像部分保持其原狀不動。三要遵循整體性的原則，即無論是大尺度地物還是小尺度地物，只要拼接時在它的拼接處呈現(xiàn)錯位，就要對整個地物作整體性地修補。四要遵循連鎖性的原則，即對原有的影像錯位作了鎖定修補后，不要在其它地方再產(chǎn)生新的錯位。
第四個方面的工作為影像建庫。當所有的影像圖都被拼接完后，此時的影像圖在物理上均為一個個覆蓋一定區(qū)域的圖塊，要將這些圖塊從物理上整合成覆蓋上海全市的一幅影像圖幾乎是不可能的。原因很簡單，因為若要整合的話，其數(shù)據(jù)量太大，現(xiàn)有的軟、硬件技術均難以支撐。另外，即使有某種軟、硬件技術能夠給予支撐，但其影像圖的調用和瀏覽也是極慢的，以致使用者不堪忍受。為了今后使用的方便，較好的選擇是通過影像建庫，將這些圖塊從邏輯上整合成覆蓋上海全市的一幅影像圖。影像建庫最主要的工作是選擇合適的軟硬件、確定數(shù)據(jù)庫的結構及進行影像圖的切割。 在著手進行影像建庫時，首先要選擇合適的軟、硬件。其中對硬件的選擇，要求服務器內CPU芯片的處理速度越快越好，最好選用含最新一代CPU芯片的服務器; 服務器中內存和硬盤的容量也要越大越好，內存容量的配置至少在1Gb以上，硬盤須采用磁盤陣列，其容量的配置也至少在3Tb以上。對軟件的選擇，著重是選擇GIS開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)庫軟件。GIS開發(fā)平臺是被用來建立對遙感影像數(shù)據(jù)進行調用和瀏覽的運行環(huán)境，這一環(huán)境是重要的數(shù)據(jù)處理和加工過程，要備有足夠的緩沖空間，將大大提高工作效率。而數(shù)據(jù)庫軟件則被用來儲存和管理遙感影像數(shù)據(jù)。選擇GIS開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)庫軟件應盡可能選用市場上較流行、應用較成熟且功能強大的商用軟件，如GIS開發(fā)平臺方面的Arcinfo、Intergraph等軟件以及數(shù)據(jù)庫方面的Oracle、SQL server等軟件。選用這樣的軟、硬件才能保證影像建庫獲得較滿意的效果。
其次要確定數(shù)據(jù)庫的結構。這里講的確定數(shù)據(jù)庫的結構是指對遙感影像數(shù)據(jù)究竟是采用一個數(shù)據(jù)文件的集中存取方式還是采用多個數(shù)據(jù)文件的分散存取方式。顯然如前面所敘，由于拼接后的影像圖塊不可能在物理上被整合成覆蓋上海全市的一幅影像圖，即這些影像圖塊不可能被拼接成一個數(shù)據(jù)文件，所以采用集中存取的方式不可取，只能采用分散存取的方式。所謂分散存取就是將拼接后的影像圖塊在物理上分割成許多個擁有合適數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)文件分別進行存儲；但在訪問時，又將以許多個數(shù)據(jù)文件分散存儲的遙感影像數(shù)據(jù)視作邏輯上覆蓋上海全市的一幅影像圖來加以管理和使用。
最后還要進行影像圖的切割。其實現(xiàn)方法為: 先根據(jù)上海市地形圖的分幅
標準，按照上海市的邊界范圍，對遙感影像圖進行圖形分幅并建立相應的索引文件。其中1: 50000比例尺的影像圖按1: 10000地形圖的圖幅標準進行分幅，1: 10000比例尺的影像圖按1: 2000地形圖的圖幅標準進行分幅。這樣進行分幅的好處是: 每幅影像圖的數(shù)據(jù)量大小適中，便于使用者的調用和瀏覽。然后根據(jù)索引文件中的分幅圖，運用I/RAS C軟件對這兩種比例尺被拼接過的影像圖塊進行影像切割，切割的過程由計算機軟件自動完成。當每幅影像圖被切割完后，還需建立它的數(shù)據(jù)文件并輸入到數(shù)據(jù)庫中儲存。待所有的影像圖塊都被切割完，并建立其數(shù)據(jù)文件及輸入到數(shù)據(jù)庫中儲存后，技術人員還得利用數(shù)據(jù)庫軟件提供的開發(fā)工具，編制相應的數(shù)據(jù)庫管理程序，以便使用者按索引文件對庫內的遙感影像數(shù)據(jù)進行調用和瀏覽。至此航空遙感調查數(shù)據(jù)處理的整個工作就告一段落。
(三)信息提取
綜上所述，此時所生成的遙感影像數(shù)據(jù)已是人們可對其進行應用的數(shù)字化遙感影像數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)的應用按應用方式可分為兩種: 一種是將遙感影像數(shù)據(jù)作為現(xiàn)狀或背景資料直接加以利用，如用于地形圖的修測、城市規(guī)劃設計以及工程項目的詳細設計等; 另一種是通過對遙感影像數(shù)據(jù)的分析、解譯，從中提取某些專題地物要素的信息來加以利用。對于第一種應用，由于我們只是向有關的部門提供數(shù)據(jù)，并未就其進行深入地研究，因此在這里將不作陳述。本節(jié)著重是討論如何通過對遙感影像數(shù)據(jù)的分析、解譯，從中提取某些專題地物要素的信息。信息提取的真正意義在于將內容豐富的遙感影像數(shù)據(jù)轉化為具有各種專題的有用信息，以便管理人員利用這些信息更好地為領導決策提供服務。信息提取的工作大致可分為三步來進行:
1、影像特征分析
要進行影像特征的分析，必須首先確定從遙感影像數(shù)據(jù)中提取哪些專題地物要素的信息。遙感影像數(shù)據(jù)的信息內容十分豐富，它幾乎涵蓋了人的肉眼可以識別的所有地物要素。然而要把所有這些地物要素的專題信息都提取出來，這幾乎是不可能的，也沒有必要。根據(jù)上海城市建設和管理的需要，從本次航空遙感調查的影像數(shù)據(jù)中提取了綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素的專題信息。
當信息提取的地物要素被確定之后，即可開始對這些地物要素進行影像特征分析。任何可視地物要素在其遙感影像上都具有一定的光譜特征、幾何特征及其它輔助特征。其中光譜特征在視覺上最直觀的反映就是色調，幾何特征在視覺上最直觀的反映就是形狀，其它輔助特征在視覺上的直觀反映有: 陰影、紋理及影像結構。所謂影像特征分析就是從色調、形狀、陰影、紋理及影像結構等方面對擬被提取的可視地物要素進行影像的定性分析。通過對這些地物要素其影像的定性分析，總結、歸納出這些地物要素各自所具有的影像特征，并以此作為技術人員解譯這些地物要素的標志和依據(jù)。
我們從色調、形狀、陰影、紋理及影像結構等方面，對被提取的綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素進行了認真地影像定性分析，總結、歸納出這些地物要素具有如下的影像特征:
綠化: 健康生長的綠化類地物要素其色調通常呈飽和度不同的紅色。綠化還可細分為喬木、灌木和草地。其中喬木、灌木的影像形狀多為尖狀、冠狀、團簇狀或絨球狀，草地則為塊狀。喬木一般都有明顯的陰影; 灌木也有陰影，但不太明顯，且長度較短; 草地則無陰影。人工構筑的公園、苗圃其幾何形狀常為矩形或不規(guī)則的多邊形。
水體: 陸上水體由于光線反射角度及水體深度的不同，其色調也往往有所不同，但大多都呈青藍色、藍色和深藍色。陸上水體還可細分為河流、湖泊和池塘。其中河流的幾何形狀為條帶狀，且常有彎曲。湖泊的幾何形狀為不規(guī)則的面狀。池塘的幾何形狀為長方型的面狀，且分布較集中，排列較規(guī)則。
道路: 城市道路分水泥路和瀝青路。其中水泥路的色調呈灰白色，瀝青路的色調呈灰黑色。城市道路的幾何形狀通常為條帶狀。城市道路的邊緣比較清楚，道路上一般能看到汽車，路上還常常有明顯的車道分隔線，市區(qū)道路的兩旁往往伴有建筑物和行道樹，郊區(qū)的高等級公路一般中間設有隔離帶或兩側配有綠化帶。
建筑物: 建筑物有多種類型。城市中常見的建筑物有: 高層建筑、新工房、花園式住宅、里弄式住宅和簡屋。從遙感影像上看，高層建筑帶有狹長的陰影; 新工房一般為平頂，排列較整齊，且屋頂設有水箱; 花園式住宅為一幢幢排列整齊的單體建筑，且每幢建筑擁有自己的花園; 里弄式住宅為一排排排列整齊的連體建筑，且屋頂為坡面，較多的屋頂還開有天窗，房屋的北面設有曬臺; 簡屋的單體建筑占地面積很小，互相犬牙交錯聯(lián)接，形狀散亂，無規(guī)則。
2、專題信息提取
當綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素的影像特征被總結、歸納出來之后，技術人員便可依據(jù)它們的影像特征來提取這些專題地物要素的信息。提取專題信息的具體過程如下:
首先是對參加信息提取的工作人員進行技術培訓。培訓的主要內容有: 熟悉和掌握被提取的綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素的影像特征。培訓時要在綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素中，選取各種具有代表性的地物對其影像特征作逐一講解。待每位學員比較熟悉這些地物要素的影像特征之后，還要嘗試讓每位學員依據(jù)這些影像特征，去獨立地解譯綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素中的各種地物。這樣的訓練要反復多次，直到他們完全掌握這些地物要素的影像特征為止。
其次是由受過良好培訓的技術人員，依據(jù)綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素的影像特征，在本次航空遙感調查的影像數(shù)據(jù)上對這些專題地物要素進行解譯。這里講的解譯指目視解譯。所謂目視解譯就是技術人員根據(jù)一定的影像特征，在計算機屏幕上通過肉眼的直接觀察，對遙感影像中的目標地物進行辨認及確定。解譯時，技術人員先要依據(jù)以上四類基本地物要素的影像特征，在遙感影像上辨認出這些專題地物要素中的各種地物; 然后借助GIS平臺軟件提供的繪圖工具，用彩色線把已被確認的各種地物的邊界勾畫出來。
再則是對已被確認的各種地物進行定性和定量描述。進行定性描述就是對已被確認的地物賦予它本身所固有的性質。如當某一地物經(jīng)解譯被確認之后，我們應將該地物在綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素中的詳細分類作為它本身所固有的性質賦予該地物。進行定量描述就是對已被確認地物的占地面積或長度及其它定量指標進行量化計算。如在被提取的綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素中，我們應對每個已被確認的地物進行其占地面積或長度及其它定量指標的量化計算，并將量化計算的結果連同前面地物本
身所固有的性質均作為該地物的屬性保存起來。
3、建立地理數(shù)據(jù)庫
經(jīng)過對綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素的分析、解譯，我們從中已提取出這些專題地物要素的有用信息。在已被提取的專題信息中既有圖形數(shù)據(jù)又有屬性數(shù)據(jù)，其中圖形數(shù)據(jù)是以坐標集合的矢量形式來描述，屬性數(shù)據(jù)是以文字與數(shù)值的表格形式來描述，并且這些圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間還存在著關聯(lián)性。為了更好地保存和利用這些已被提取的專題地物要素的有用信息，我們有必要運用GIS軟件來建立含有這些圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的地理數(shù)據(jù)庫。
建立地理數(shù)據(jù)庫首先也要選擇合適的軟、硬件，但該軟、硬件的選擇可以和前面所述的遙感影像建庫的軟、硬件選擇結合起來統(tǒng)籌考慮，不需要另外再單獨選擇。其次要確定地理數(shù)據(jù)庫擬采用的背景圖。實際上地理數(shù)據(jù)庫中的圖形數(shù)據(jù)又細分為地形圖、遙感圖和專題圖等數(shù)據(jù)，其中地形圖和專題圖都是矢量數(shù)據(jù)，而遙感圖則是柵格數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)是以像元陣列的形式來描述。地形圖與遙感圖在地理數(shù)據(jù)庫中均作為背景起地理位置的參照作用。已被提取的專題地物要素的圖形數(shù)據(jù)屬于專題圖，專題圖要被疊加到背景圖上才能加以應用。因此，我們把本次航空遙感調查的影像數(shù)據(jù)即遙感圖作為擬建地理數(shù)據(jù)庫的背景圖之一。影像數(shù)據(jù)的建庫在數(shù)據(jù)處理這一節(jié)已作闡述，這里就不作重復。另外，由于上海市的測繪部門已經(jīng)生產(chǎn)出成系列的數(shù)字化地形圖，所以我們就將該部門生產(chǎn)的1: 2000比例尺的框架要素地形圖作為擬建地理數(shù)據(jù)庫的背景圖之二。
接下來就可著手建立地理數(shù)據(jù)庫。建立地理數(shù)據(jù)庫的主要工作是利用GIS軟件提供的命令，進行數(shù)據(jù)庫定義及輸入和編輯圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，其具體工作步驟如下: 首先是對數(shù)據(jù)庫進行定義，其中包括定義數(shù)據(jù)庫的名稱、組織結構, 定義數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長度。其次是將作為背景圖的地形圖和遙感圖輸入到地理數(shù)據(jù)庫中。其實遙感圖在數(shù)據(jù)處理時就已經(jīng)被輸入到地理數(shù)據(jù)庫中，此項工作可以省略，這里只需要把地形圖輸入到地理數(shù)據(jù)庫中即可。然后是將已被提取的專題地物要素的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分別生成專題圖和屬性表，并也輸入到地理數(shù)據(jù)庫中。再則是建立專題圖的拓樸關系即圖中各幾何圖形元素之間的鏈接關系，以便GIS對這些圖形元素進行查找與分析。最后是在專題圖和屬性表之間構筑一一對應的關聯(lián)標識符，以此作為實現(xiàn)專題圖和屬性表相互鏈接的關鍵字。
在地理數(shù)據(jù)庫被建立起來后，還需運用GIS軟件來開發(fā)一些針對地理數(shù)據(jù)庫進行操作的簡單應用。這些應用通常應包含以下功能：查詢功能、統(tǒng)計功能、分析功能和輸出功能。其中查詢功能主要要求能對圖形和屬性數(shù)據(jù)進行雙向查詢; 統(tǒng)計功能主要要求能對專題地物要素的量化描述進行數(shù)據(jù)匯總; 分析功能主要要求能對不同專題的圖形數(shù)據(jù)進行疊加分析; 輸出功能主要要求能對各種處理結果進行圖形、圖表及報表的輸出。至此航空遙感調查信息提取的整個工作就到此結束，同時也意味著該階段的航空遙感調查工作已基本完成。
回顧本次航空遙感調查的工作實踐，我們深深地體會到: 開展航空遙感調查，是衛(wèi)星遙感分辨率尚比不上彩紅外航空遙感分辨率時，一種行之有效的城市信息化重大基礎工程。實施此類工程的每個環(huán)節(jié)，每個步驟，每項操作，其執(zhí)行好壞都會影響工程的質量。為此我們必須依照以上三大工作步驟，嚴格遵循所定的作業(yè)規(guī)程，切實把握好工作中的重點環(huán)節(jié)，認真、細致地執(zhí)行每項操作，只有這樣我們才能獲得較高質量的遙感影像數(shù)據(jù)，也才能更好地利用這些數(shù)據(jù)為上海的城市建設和管理服務。 同時，遙感的原理已清晰可見，而實踐卻不能一概而論，尚有許多領域、技術和方法有待我們去進一步探索和發(fā)展。
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