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第 四 篇 摄影测量和遥感测量技术的 应用与规范管理 第一章概述 第一节摄影测量学的定义与任务 传统的摄影测量学是利用光学摄影机获得的像片，研究和确定被摄物体的形状、大 小、位置、性质和相互关系的一门学科和技术。它包括的内容有获取被摄物体的影 像，研究单张和多张像片影像的处理方法，包括理论、设备和技术方法，以及将所处理 和量测得到的结果以图解或数字形式输出的方法和设备。 认识世界，改造世界，以推动人类的文明和社会的进步是全中国和全世界人民义不 容辞的职责。由于客观世界和所要研究的对象具有从宏观到微观，各种各样的复杂特 性，人们不可能总是亲身去接触这些物体。因此借助于非接触传感器获得影像，通过对 影像的研究，实现对客观世界的认识，是非常重要而有意义的。例如，通过对月球和其 它星体的摄影像片的量测和处理可以测出它们的表面形状和特征。通过 光透视片， 医生可以方便地诊断出人体内部是否有某种疾病。利用航空摄影测量和卫星摄影测量。 可以比人工实地测量更加快速和方便地测制和更新地球表面的各种比例尺地形图和专题 图，为国民经济和国防建设服务。 摄影测量学的主要任务是测制各种比例尺地形图、建立地形数据库，并为各种地理 信息系统和土地信息系统提供基础数据。因此，摄影测量学在理论、方法和仪器设备方 面的发展都受到地形测量、地图制图、数字测图、测量数据库和地理信息系统的影响。 摄影测量学作为影像信息获取、处理、加工和表达的一门学科，又受到影像传感器技 术、航空航天技术、计算机技术的影响，并随着这些技术的发展而发展。 摄影测量学的主要特点是对影像或像片进行量测和解译，无需接触被研究物体本 身，因而很少受各种条件，如人不能到达，人不能触及等条件限制，而且可摄得瞬间的 动态物体影像。像片及其它各种类型影像均是客观物体或目标的真实反映，信息丰富、 图像逼真、人们可以从中获取所研究物体的大量几何和物理信息。 由于现代航天技术和电子计算机技术的飞速发展，摄影测量的学科领域更加扩大 了。可以这样说只要物体能够被摄成影像，就可以使用摄影测量技术研究所摄物体的 几何和物理特性。这些被摄物体可以是固体的、液体的，也可以是气体的；可以是静态 的，也可以是动态的、变化着的；可以是微小的，如在电子显微镜下放大几千倍的细 胞，也可以是巨大的，如宇宙星体，这些灵活性使得摄影测量成为可以多方面应用的一 “ 第一章概述 种测量手段和数据采集与分析的方法。由于摄影测量的非接触传感的特点。自 “ 世纪 “ 年代以来，从侧重于解译和判读应用的角度出发，人们又提出了“遥感”一词。 “ 世纪 “ 年代，美国地球资源卫星（H 型解析测图仪乃是在 AI 这一 航测与制图通用数据库系统下进行数据采集；威特厂和 . 子像素精度，主要用于汽车 工业中的形体测定。 离线的数字摄影测量系统是利用功能强大的电子计算机系统或工作站对数字化影像 进行处理的，如海拉瓦博士研制的 , - 计算机工作站上进行数字图 像加工，包括图像增强、纠正、点量测、细化、内定向、外定向、边缘增强和提取、立 体、单像及屏幕劈开显示等。该系统用分层次松弛相关方法自动建立数字高程模型并进 而获得正射数字影像，每秒钟可量测到最多 . 个点，成功率一般为 0 A /1B，是目前 世界上较成功的一个系统。武汉测绘科技大学王之卓教授和张祖勋教授经过多年研究的 C“’ 全自动化数字测图系统也属于这种类型，其相应的软件已有 ’D“’ ,型和 “型，在 ’） ，利用德国蔡司厂 .3-3 万航天像片，地面分辨率为 83（每毫米线对） ，相当于像元素地面大小为 -。 ,*-0 年美国宇航局发射的航天飞机载有大像幅摄影机 ，其像幅为 8. 05A8，其地 面分辨率为 ,1，相当于 5 像素。,*-5 年 8 月和 ,**3 年法国发射的 9B2/ ,、8 卫星， 利用两个 C 线阵列构成数字式推扫仪，像素地面大小对全色为 ,3，通过侧向镜面 倾斜可获得基线D航高比达到 ,,E8 的良好立体影像，从而可采集 C6’ 和立体测图， 并可制作正射影像，也可用作 ,1 万地图测制或修测。9B2 影像在海湾战争中得到广 泛应用。前苏联的 7 / ,333 航天像片，相当于像素地面大小为 0，分辨率极高。计 划在 ,**5,** 年，美国将发射 ,. 分辨率遥感商用卫星。此外，作为主动遥感的 侧视雷达进行地球海洋和陆地资源遥感也极有发展前途。,*- 年美国海洋卫星 6772 的合成孔径雷达 7 系统，尽管只工作了三个月，它不仅可用来测量全球海洋动力学 及其物理特征，而且对陆地的地质构造、土地利用也很有价值。作为航天飞机成像雷 达，,*-, 年的 F / 7 和 ,*-0 年的 F / ;，尤其令人振奋。前者显示了微波对超干旱 地区散沙覆盖的穿透能力，测定出埋在流沙下面几厘米甚至 , 处的流溪、渠道和基 岩；后者用以研究雷达不同参数的效果，探查淹没的古城、冰山，估计断层地震的可能 性及寻找地下水源等，在 ,**,D,**8 年发射的 F / DG / 7 采用 / ，G / 和 / 波 段成像，将构成彩色雷达。日本于 ,**, 年发射的地球资源卫星 6 / , 上的侧视雷达分 辨率可达到 ,-，而加拿大的 7C772 最高分辨率定为 ,3，这就为遥感影像的定性 和定量分析创造了条件。在今天和未来，利用空间影像测图已是一种重要途径。 从另一方面讲，我们也应当看到解析摄影测量，尤其是数字摄影测量对遥感技术发 展的推动作用。众所周知，遥感图像的高精度几何定位和几何纠正就是解析摄影测量现 代理论的重要应用。数字摄影测量中的影像匹配理论可用来实现多时相、多传感器、多 种分辨率遥感图像的复合和几何配准。自动定位理论可用来快速、及时地提供具有“地 学编码”的遥感影像。摄影测量的主要成果，如 C6’，地形测量数据库和专题图数据 库，乃是支持和改善遥感图像分类效果的有效信息。至于像片判读和图像分类的自动化 和智能化，则是摄影测量和遥感技术共同研究的课题。一个现代的数字摄影测量系统与 一个现代的遥感图像处理系统，已看不出什么本质差别了。 事实上，包括像片判读在内的摄影测量学历史，就是遥感发展的历史；而摇感技术 则是经典摄影测量的必然扩展。两者有机地结合起来，成为 HF 技术中的数据采集和更 新的重要手段。 5*0 第四篇摄影测量和遥感测量技术的应用与规范管理 二、摄影测量、遥感与地理信息系统（“）的结合 由于数字测图、全数字化摄影测量和遥感图像处理技术的发展需要有一个数据库或 空间信息系统来存贮、管理这个数字数据，并与其它非图形的专题信息相结合、进行分 析、决策，以回答用户所要回答的有关问题。图 已经建立了将航测、制图与 “ 相结合的 新专业 地学信息工程（1..AB3C） ，加拿大拉瓦尔大学和卡尔加里大学的专业也 作了类似改动（改为 1.AB3C） ，我国武汉测绘科技大学的“信息工程”新专业也已不 失时机地建立起来了。 总之，摄影测量、遥感与地理信息系统的结合是历史发展的必然。 三、影像信息科学的崛起 摄影测量、遥感与地理信息系统技术的结合，导致了一门新的信息科学分支 影 像信息科学的崛起。 什么是影像信息科学呢按照王之卓教授的定义，影像信息科学是一门记录、存 ’ 第四篇摄影测量和遥感测量技术的应用与规范管理 贮、传输、量测、处理、解释、分析和显示由非接触传感器获得的目标及其环境的科 学、技术和经济实体。 可以用图 “ “ 形象地概括影像信息科学的组成与相互关系，可以看到，影像信 息获取、处理、加工和结果表达的整个过程是互相有机地联系起来，它既包含了模拟 法、解析法和数字摄影测量，又包含了遥感与信息系统。 应当说，影像信息科学是由摄影测量学、遥感、地理信息系统、计算机图形学、数 学图像处理、计算机视觉、专家系统、航天科学和传感器技术等相结合的一个边缘学 科，它提供了基于影像认识世界和改造世界的一条途径，因而具有无限的生命力。 图 “ “ 中还列出了与影像信息密切有关的专业课程和专业基础课程（图中用 号表示） ，从中看出，影像信息科学是信息科学中的一门高新技术。 图 “ “ 影像信息科学的组成与相互关系 在本书中，主要讲述摄影测量学的基本原理和用模拟方法进行摄影测量的仪器和方 法，即图 “ “ 中的回路 “ “ 。这样可以使读者从较直观的概念上掌握本学科的 基本知识，并为进一步学习解析摄影测量和数字摄影测量打下坚实的基础。 第一章概述 第二章航空摄影测量技术与应用 第一节航空摄影 一、航空摄影 采用摄影测量方法测制地形图，必须对测区进行有计划的空中摄影。将航摄仪安装 在航摄飞机上，从空中一定的高度上对地面物体进行摄影，取得航摄像片。运载航摄机 的飞机飞行的稳定性要好，在空中摄影过程中要能保持一定的飞行高度和航线飞行的直 线性（见图 “ “ ） 。飞机的飞行航速不宜过大，续航的时间要长，实施飞行直至把 整个航摄区域摄影完毕，经过室内摄影处理（显影、定影、水洗、晾干等） ，从而得到 了覆盖整个航摄区域的航摄像片。目前所采用的像幅大小有两种一种是 ）提出了资源环境与海岸的制图；“）处理，其标准误差即均方根误差（-1 和精确定位编制 7 万或更大比例尺地形制图产生积极的作用，而且对自然界的专题分析监测与制 图有着重大意义。 利用雷达图像与其他平台的卫星图像融合，对洪水灾情进行实时监测分析取得了理 想的结果。’ 汛前数据进行融合分析，从而获得了汛前的水 情和洪水期间不同日期洪水淹没区、滞水内涝区、未淹作物分布区以及城镇居民点等水 灾实时监测图，取得了上述洪水灾情的不同分布面积，供作洪水灾情的分析评估。 30 世纪 0 年代，随道高新技术的进步，高光谱图像或成像光谱技术，又成为世纪 之交乃至新世纪遥感的前沿课题。 目前世界上，美、加、日、澳、欧洲空间局、法、德及我国相继研制成了高光谱成 像遥感器，它们的波段一般是数十至数百个。如美 “ 2 ’ 卫星的高光谱通道为 7*3 波 段；,ABCD 2 E 卫星与 3 第四章摄影测量与遥感技术的应用 后将这些结果直接送入数据库中，以实现数据库的自动建立和更新、构成地球空间数据 框架。 其三，“ 技术为海量空间数据的存储、管理、分析和应用提供了强有力的技术手 段，特别是由于因特网 “ 技术的发展，人们可以在信息高速公路上寻找所需要的各种 地理空间信息，且可以进行地理空间分析。 最后，“ 定位技术的发展和应用大大加快了数据采集的进程。将 动态定位技 术引入航空摄影测量中，航摄飞行时， 信号接收机与航摄仪协同工作；航摄完毕 后，采用基于载波相位观测量的相对动态 定位方法解求航摄仪在航摄曝光时刻的 摄影中心的三维空间坐标，从而大大减少外业控制点的需求量。现代的遥感卫星均采用 相对动态定位技术进行轨道的跟踪和定位，并采用惯性导航系统（“）进行传感 器姿态的测定，由此提供遥感图像空间定位所需要的外方位参数。 三、我国地球空间数据框架的建立 我国已由国家测绘局采用现有地图数字化的技术建成了国家 -.。我国利用 “ 年以来，我国先后在永定河、黄河、长江、淮河等地区开展了大规模的防 汛遥感综合试验。尤其是 99 年在江淮流域、99 年在三江流域（福建闽江、广东西 江和北江） 、99, 年在鄱阳湖、洞庭湖和辽河的洪水监测和灾害评估中取得了重大研究 成果，整个技术方案和流程已达到实用化水平。 二、洪水灾害评估信息系统的构成 洪水灾害评估信息系统是一种专题地理信息系统，它以洪水灾害为分析对象，研究 洪水灾害发生的时序规律与空间分布，评估区域洪水灾害损失，辅助决策部门制订防洪 抗洪、抢险救灾方案等。一个较完善的洪水灾害评估信息系统除应具有一般 所应具 备的功能以外，还应具有专业模型分析功能和专家系统功能，如图 “ “ 所示。 美国田纳西河流域管理局自 ;* 年代起，就利用 技术处理和分析各种流域数据， 为流域管理和规划提供决策服务。我国在“七五”和“八五”期间，通过国家攻关项目 和国际合作研究，分别在黄河下游、黄河三角洲、洞庭湖、太湖流域等地区开展了洪水 险情预报与灾害对策信息系统的研究，取得了丰富的经验和一定的科学积累。 随着遥感与 以及与 集成技术与应用的深入研究，可以预料，遥感到 在 洪水灾害监测与评估中将发挥更大的作用。 第十二节遥感技术在地震灾害监测中的应用 地震的孕育和发生与活动构造密切相关。许多资料表明多组主干断裂或群裂的复 合部位，横跨断陷盆地或断陷分地间有横向构造穿越的部位以及垂直差异运动和水平错 动强烈的部位（如在山区表现为构造地貌对照性强烈，在山麓带表现为凹陷向隆起转变 7, 第四篇摄影测量和遥感测量技术的应用与规范管理 图 “ “ 洪水灾害评估信息系统分析功能 的急剧，在平原表现为水系演变的活跃）等，是多数破坏性强震发生的关键部位，即发 生破坏性强震特定的构造背景，因为此处既有利于应力积累，又有利于应力释放。例如 ’ 年 月 日发生的 级唐山大地震，就是在五组主干断裂交汇的构造背景上发 生的。对于这一特定的构造背景，震前很少了解，而在卫星图像上却表现得十分清晰。 因此，为了预报地震，特别要深入揭示和监测活动构造带中潜在于孕育和发生破坏性强 震的特定的构造背景。 我国大陆受欧亚板块与印度板块的挤压，主应力为南北向压应力。同时，在地球自 转（北半球）顺时针扭动和大陆飘移、海底扩张、太平洋板块的俯冲作用的共同影响 下，形成扭动剪切面，主要表现为我国大陆被分割成三个大的基本地块，即西域地块、 西藏地块、华夏地块。各地块之间的接合部位，多为深大断裂带、缝合线或强烈褶皱 带。这里是地壳薄弱地带，新构造运动及地震活动最为强烈。大量事实说明，任何破坏 性强震都发生在特定的构造背景。对于我国这样一个多震的国家，利用卫星图像进行地 震地质研究，尽快尽早地揭示出可能发生破坏性强震的构造背景，合理布置观测台站， 有针对性地确定重点监视地区，是一件刻不容缓的任务。 地震前出现热异常早已被人们发现，它是用于地震预报监测的指标之一。但是，如 何区分震前热异常一直是当代地震预报中的一个难题，因为在地面布设台站进行各项地 震活动的地球化学和物理现象的观测，一来很难布设这么大的范围，二是瞬时变化很难 捕捉到。卫星遥感技术的测量速度快，覆盖面积大，卫星红外波段所测各界面（地面、 水面及云层面）的温度值高以及其多时相观测特性，使得用卫星遥感技术观测震前温度 异常可以克服地面台站观测的缺点。 *’ 第四章摄影测量与遥感技术的应用 观察卫星热红外像片可知，在正常气象背景及地壳稳定状态下，地球表面温度具有 其正常分布规律。当地壳受力在未发生大破裂之前，往往在震中区周围发生裂隙，变化 极快，此时在土壤和岩层中会释放出二氧化碳、水蒸气、氢气、氮气和甲烷等气体。这 种作用称之为“地球放气” 。当它们从地下溢出向空间扩散过程中，会吸收太阳辐射或 受地应力加强作用、电磁场的激发作用而发射出红外辐射，从而使孕震区周围出现增温 异常，这种增温异常在卫星热红外辐射仪图像上表现为光谱异常，称为热红外异常。它 是遥感技术应用于地震监测的基础 我国地震部门自 ““ 年以来开展了利用卫星热红外图像进行地震短临预报的研究 工作，并取得了一定的进展。但是，从热红外异常来反演地震仍是一个十分复杂的问 题，有待进一步研究。 第十三节气象卫星在非气象领域中的应用 一、我国气象卫星在非气象领域中的应用回顾 自 年代初美国 ’ * 系列极轨业务气象卫星投入运行以来，由于其快速、宏 观、动态、低成本和相对丰富的多光谱数字信息的特点，气象卫星在气象之外的环境遥 感领域中的应用得到了很大的发展。在我国，运用气象卫星在非气象领域中的遥感应用 工作起始于 年代中期，最初的应用实例是将 ,-.’’ 用于植被动态遥感和海岸带泥沙 扩散研究。 当时，利用我国引进的第一套全数字化 ’ * 卫星地面接收处理系统的条件， 采用了多时相准同步 ,-.’’ 数据对我国东部植被季相动态规律进行了系统研究，同时 也探讨了 ,-.’’ 数据的植被指数构成并对黄淮海平原冬小麦长势进行了评级；另一长 时间序列的 ,-.’’ 数据集被用于分析黄河入海泥沙的扩散运动规律并为港口建设工程 的科学选址提供了可靠的依据。这些最初期的成功应用为我国气象卫星非气象遥感应用 的宣传推广和普及起到积极作用。早期在地质遥感领域的尝试是使用 ,-.’’ 数据对郯 庐断裂带的北端延伸的分析及福建沿海地区地热点分布状况的研究与验证。 随后在我国经委的支持下，由中国气象局为主组织开展了北方 省市冬小麦估产 试验，这标志着气象卫星在非气象领域中工程化应用的开始，也是我国首次开展的大规 模遥感估立工作。目前利用气象卫星进行农作物估产的应用已得到了普及和深化并作为 一种业务化的手段，估产对象也从冬小麦扩展到玉米、水稻等其他作物。最早对泥沙遥 感所做的较深入的应用研究是杭州湾的应用实例，随后对其他的一些近海泥沙扩散现象 都有不同程度的研究和应用，前者曾就 ,-.’’ 泥沙遥感中的定量化发展进行了有益的 探讨研究，虽然 ,-.’’ 的空间分辨率有限，但在海岸带泥沙动态调查中对于获取无云 影像及配合潮位成图方面可以发挥重要的优势作用。植被遥感是 ,-.’’ 在非气象领域 /01 第四篇摄影测量和遥感测量技术的应用与规范管理 中最为广泛和成熟的应用之一。目前以归一化植被为主已发展了很多的其它植被指数类 型。以植被指数信息着手的应用也是多种多样的，除了作物长势、估产外，还包括作物 旱情调查、时间系列组合分析宏观植被类型区划及自然地理地带性研究等。目前国家卫 星气象中心在日常业务上以旬为单位进行全国 “ 低分辨率植被指数产品生成和旬月 报分析工作。 气象卫星的快速动态遥感能力使得在灾情监测和预警方面获树一帜，典型的范例是 火灾早期敬报和火情跟踪监测方面。’ 年大兴安岭特大森林火灾时气象卫星遥感监 测有效地指导了整个灭火指挥工作。在此之后，利用气象卫星多次成功地向有关部门提 供了火点警报。气象卫星用于火点监测得到全面的推广应用，众多小型地面系统相继建 立，有些专用的林火卫星监测系统已成功地投入业务化应用。 年我国内蒙古草原 森林大火中，气象卫星也发挥了很大作用。 由气象卫星对洪涝灾害的典型监测应用可见于 年江淮特大洪水的实例。当时 运用了航空侧视雷达、陆地卫星和气象卫星三种手段联合作业，对水灾损失评估提供了 有价值的依据。 利用气象卫星热红外信息对地震前地面温度场异常进行监测，进而辅助地震预报的 研究探索是气象卫星在非气象应用中很有特点的高难度应用，这一方面已进行了一定程 度的研究并建立了相应的试验性运行系统。类似的热红外信息的应用工作还包括热惯量 遥感土壤湿度与旱情分析、浅层地下水资源调查；矿产勘查中对油气微渗漏的深测结合 遥感找油；城市热岛研究和热污染调查等方面。在这些领域都有很多成功的应用实例。 如对城市热岛现象使用四个季节的昼夜匹配数据进行的处理和分析，与航空热红外扫描 的结果高度一致，当从最终应用分析的角度来看，两者的应用效果差距极小，而成本是 无法比较的。 由于我国气象卫星站网完全覆盖了全国的海陆疆界，因此第一幅标准的国家卫星影 像地图是采用 * 数据完成的，体现了气象卫星在地图制图学中的应用潜力。这一 成果将我国遥感影像图上升为测绘标准的影像地图产品系列并获得了国际殊荣，在图内 外产生了相当影响。 气象卫星的中车个卓有成效的应用体现在海洋遥感方面。我国在该领域的成功应用 有精度优于 ,的海面温度反演、洋流及中尺度涡旋研究、极地研究（南极已建有气 象卫星地面站） 、海洋上升流及渔场预报指导海洋捕捞业，在黄海就曾用气象卫星进行 了渔场预报试验取得了明显的增产效果。海冰监测主要针对渤海湾、辽东湾的冬季冰 情，服务于交通航运和海洋石油开采。国家卫星气象中心每年冬季例行向有关部门传输 冰情信息。 其他的应用还包括对西北部山地冰川积雪融化动态监测和冰雪融量计算；利用气象 卫星热红外信息揭示隐伏地质构造；沙尘暴监测和雪暴监测；为国外矿业公司提供中国 及邻区 * 数据作为宏观地质格局分析等。 我国在气象卫星非气象应用方面历经十几年的发展，已积累了相当的经验，其应用 领域已渗透到各个方面，有些应用成果已处于相当先进的水平，从而构成地学遥感应用 -- 第四章摄影测量与遥感技术的应用 中的一个重要方面。 二、中国风云极轨卫星计划将促进遥感应用的进一步发展 继风云 “ 和风云 试验型极轨气象卫星发射以来，我国在 年和 年分别 发射了风云 号静止气象卫星和风云 号（’ 批）极轨气象卫星。新的风云 号（’ 批） 极轨卫星采用了 * 高度的漂移极轨特性（同 ,-““ 卫星） ，空间分辨率也是 .* （像底点） ，但光谱通道扩展为 个，是目前 “/011 的二倍，覆盖了可见光、近红外、 中红外和热红外范围。国家卫星气象中心将负责中国气象卫星的运行控制和信息接收处 理及产品分发。通过风云卫星我国不但在气象卫星非气象应用中拥有更为丰富的遥感信 息源，而且具备了准实时的全球覆盖能力。表 2 3 2 3 4 给出了美国 ,-““5“/011、风 云 号和风云 号（’ 批）传感器的对照。 从以上传感器配置上看，新的卫星系统极大增强了海洋遥感、植被旱情监测等方面 的能力。 表 2 3 2 3 4 几种气象卫星传感器对照 ,-““5“/011风云 “5风云 号（’ 批）主要应用领域 .6 7 .8 .2 7 .64 .64 7 .6 .6 7 .8 .24 7 .2 .2 7 .64 .64 7 .6 .6 7 .8 海洋水色、叶绿素、泥沙、海冰和海洋污染 .6 7 ..6 7 . .2 7 . . 7 .86 植被叶绿素高反射、水陆边界、海冰、滩涂、 水汽 4.66 7 4.4 .6 7 .82 4.66 7 4.4 土壤湿度、植物含水量、云雪识别 高温热点、夜间成像 . 7 .4 .6 7 .6 .6 7 .6.4 7 .4 .6 7 .6 地球背景温度场、热污染、 海温、海流和涡旋 新一代气象卫星作为遥感多级平台的一个组成部分，依靠其自有的快速动态、信息 丰富和低成本的优势，在相关遥感应用领域的作用是显而易见的，尤其在减灾快速反 应、海洋遥感、与国际接轨的全球变化研究领域中将成为主导性的遥感信息源。 886 第四篇摄影测量和遥感测量技术的应用与规范管理