发布时间：2024-04-27 04:22:06 来源：M6官网注册 作者：M6米乐手机登录APP入口
基金项目：国家自然科学基金(41941019;42074040);科技部国家重点研发计划(2020YFC1512000);陕西省科技创新团队项目(2021TD-51);陕西省地学大数据与地质灾害防治创新团队项目(2022);欧洲空间局-科技部国家遥感中心龙计划5项目(59339);中央高校基本科研业务费专项资金(1;1;2;2;8;1)
摘要：随着遥感卫星系统的逐渐增多, 影像为研究地球形状和大小等大地测量参数提供了更高精度、更高分辨率的数据支持, 推动了大地测量学科的发展, 也衍生出影像大地测量学(Imaging Geodesy)。影像大地测量学是大地测量、遥感科学、数字摄影测量、计算机视觉等学科的交叉融合, 在减灾防灾、环境保护和新能源开发利用等领域发挥了重要作用。本文梳理了其发展历程、定义内涵、关键技术、研究内容和发展趋势5方面的内容。基于遥感卫星系统和影像处理技术的发展历程, 本文将影像大地测量学的发展划分为起步萌芽、初期飞跃、深度创新和全面应用4个阶段。顾及研究对象空间位置的不同, 影像大地测量学的主要研究内容包括地球大气环境观测与反演、地球表面环境监测与演化以及地球内部物理结构与动力学反演。引入数字高程模型反演、大气水汽监测、活动滑坡探测与监测、地震周期研究以及土壤湿度监测等应用案例, 分析了影像大地测量学的现代应用。最后, 提出多源海量影像的融合和近实时化处理是目前影像大地测量学面临的主要挑战。本文研究将有助于大地测量学者对影像大地测量学内涵的了解和认识, 进而更好地应用于教学和科研工作中, 以及服务国家重大战略和工程建设。
大地测量学是一种以应用数学和卫星测量为基础，对地球进行研究的学科[1]。该学科在一定的时间与空间参考系中，确定和监测地球的形状、重力场，并追踪地球动力学的变化，如极地运动、地球潮汐和构造运动等。同时，也可进一步精确确定地球表面任意点的空间位置和重力场及其时间的变化，服务于各行各业的基准坐标系统和数据等。近年来，随着航空航天技术的发展，大地测量可测量参数的范围进一步扩充，提高了地球动力学随时间变化的测量精度[2]，为国民经济和国防建设、重大工程建设和人类社会经济的可持续发展等做出了突出贡献[3]。
自19世纪60年代法国人Félix Nadar利用气球作为载体获得第一张航拍照片伊始，非接触、远距离摄影或扫描的遥感技术的飞跃发展给传统大地测量带来了深刻变革[4]。遥感技术可以获取高空间分辨率、大范围覆盖、高精度的影像资料，对这些影像进行处理、分析、展示和传输，能够更加深入地服务于大地测量学，由此衍生出影像大地测量学(Imageodesy/Imaging Geodesy)的概念。1993年Crippen提出了Imageodesy的术语[4]，1995年国际大地测量学与地球物理合会(IUGG)首次给出Imageodesy的定义，认为其是一种提取两个卫星图像之间发生亚像素地表位移的方法[5]。1998年，我国摄影测量学之父王之卓院士对Imageodesy定义进行了扩展，将利用合成孔径雷达(SAR)和合成孔径雷达干涉测量(InSAR)对地面观测也称为影像大地测量学[6]。2002年，陈俊勇院士在为廖明生和林珲教授编著的《雷达干涉测量：原理与信号处理基础》一书作序时也认为InSAR技术的应用是空间大地测量学的一个重要领域，其获取高时空分辨率地表形变信息的特点衍生了Imageodesy[7]。2010年，德国宇航中心Eineder等首次使用Imaging Geodesy这个术语表达基于高分辨率SAR影像提取厘米级距离精度的技术[8]。2014年笔者首次使用Imaging Geodesy作为教授职位名称，并在英国纽卡斯尔大学组建了Imaging Geodesy研究团队。2015年，休斯敦大学的Carter教授等进一步拓展了Imaging Geodesy的技术范畴，认为机载激光雷达是Imaging Geodesy的重要技术手段之一[9]。近年来，随着SAR、光学遥感和LiDAR等对地观测成像技术的迅速发展[10]，影像大地测量学已成为大地测量、遥感科学、数字摄影测量、计算机视觉等学科相互交叉融合的重要研究方向，在减灾防灾、环境保护和新能源开发利用等领域都发挥了重要作用。归纳总结，影像大地测量学的发展历程大致可划分为以下4个阶段，如图 1所示。
第一阶段：1969—1990年，影像大地测量学处于起步萌芽阶段。1969年，雷达干涉测量技术登上影像大地测量学的历史舞台，文献[11]首次将干涉测量技术应用到雷达上，成功获取了金星和月球表面的高程信息。20世纪70年代，数字计算机技术的发展促进了SAR技术的应用，文献[12]首次将雷达干涉测量技术应用到机载雷达上，利用振幅条纹和光学处理技术获取了地表地形。20世纪80年代，文献[13]首次提出差分干涉测量技术并使用SEASAT数据获得了美国加利福尼亚州大面积农田厘米级精度的地表形变。第一阶段的代表性成果是美国在1978年发射的世界上第一颗星载SAR卫星SEASAT。尽管SEASAT仅在太空工作了105天，但其发射成功标志着SAR对地观测新时代的到来。此后的20世纪80年代，NASA在SEASAT-A成功发射后又进行了两次航天SAR系统试验，包括SIR-A和SIR-B飞行试验，这是当时仅有的航天飞机微波遥感试验。在这一阶段，光学卫星遥感迅猛发展，美国、中国、法国等国家相继发射遥感卫星，影像空间分辨率逐步提升[14]。自1972年起，美国陆续发射Landsat系列卫星，依次开启MSS、TM传感器时代[15]。我国1975年首次发射返回式遥感卫星，标志着我国进入遥感卫星时代。1986年，法国发射SPOT系列卫星，用于地球资源遥感调查。此外，LiDAR是激光技术与雷达技术相结合的一种快速、精确获取目标三维信息的新技术，可以获得比光学和微波遥感手段更精确和细致的信息。1960年，休斯研究实验室的Theodore H. Maiman发明了世界上第一台激光仪。20世纪70年代，以美国国家航空航天局(NASA)和德国为代表的一些欧美国家开始了机载LiDAR相关项目的研发。从1980年开始，以Ackermann教授为首的科研团队研制出了世界上第一个激光测量系统，成为LiDAR技术的一项标志性成果。1989年，斯图加特大学将激光扫描仪与全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)相结合，进而研制出LiDAR系统雏形。第一阶段总体特点是影像数据来源相对较少、图像处理技术相对不成熟，影像大地测量学的发展尚处于起步萌芽阶段。
第二阶段：1991—2001年，影像大地测量学处于初期飞跃阶段。1991年，欧空局ERS-1卫星的成功入轨标志着影像大地测量学进入一个全新的发展阶段。次年，日本发射了搭载光学传感器和L波段SAR系统的JERS-1卫星。1995年，欧空局ERS-2和加拿大RADARSAT-1卫星相继入轨，卫星系统稳定性、轨道控制的进一步优化为卫星影像的广泛应用奠定基础。与此同时，一些高空间分辨率的商业卫星(如世界上最先提供米级分辨率的IKONOS和亚米级分辨率的QuickBird-2)陆续发射升空，极大地促进了影像大地测量学的快速发展；数据处理技术也在该阶段取得重大突破，为影像大地测量学的实际应用奠定了基础。文献[16]利用光学影像偏移量来获取地表形变，并成功提取了1989年美国Loma Prieta地震的水平位移场。1993年，基于ERS-1数据，文献[17—18]分别采用InSAR技术获取到Landers地震的同震形变场和南极洲Rutford冰流的速度场，成为第二阶段影像大地测量学最具代表性的研究成果。随后的1999年，文献[19]通过InSAR技术实现了高空间分辨率的大气水汽分布估计。次年，航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)开始实施并在3年后发布了可靠的DEM产品，使两轨重复轨道干涉法成为主流InSAR技术，也在一定程度上促进了InSAR时序分析技术的发展[20]。在世纪交替之际，InSAR技术实现了质的飞跃，系列时序分析方法被相继提出并产出丰富的研究成果。1998年，干涉图堆叠(stacking)技术问世[21]，并在2001年成功应用到土耳其北安纳托利亚断裂的震间形变测量中[22]。1999年，文献[23]提出的永久散射体干涉测量(PS-InSAR)技术和2002年文献[24]提出的小基线集干涉测量(SBAS-InSAR)技术基本奠定了InSAR时间序列分析方法的两大派系，此后涌现的所有时序InSAR方法几乎都是在此基础上的优化和改进。得益于信息技术的飞速发展，数字摄影测量开始进入实用化阶段，美国Pictometry公司率先开始研究倾斜摄影测量技术[25-26]。20世纪末，美国提出数字地球计划，促进了摄影测量学在地球科学研究和环境监测方面的应用。此外，机载/星载LiDAR进入实用阶段。1993年，德国研发了全球第一个商用机载LiDAR系统TopScan。1994年美国休斯敦高级研究中心采用了类似的硬件系统，获取了机载LiDAR系统[27]。1998年加拿大卡尔加里大学利用机载LiDAR系统获取了三维数据。先后研制的LADS、SHOALS系统在测高、海洋测绘等领域发挥重要作用，倾斜摄影测量中的图像匹配和建模等关键技术也在该阶段取得重大突破。这一阶段的特点是数据处理日趋成熟，创新技术层出不穷，总的来说，影像大地测量学蓬勃发展，学科处在一个飞跃发展的阶段。
第三阶段：2002—2013年，影像大地测量学处于深度创新阶段。2002年欧空局发射了搭载C波段高级SAR(advanced SAR, ASAR)系统的Envisat卫星，该卫星具有多极化、多角度、多模式成像等特点，进一步推动了对地观测成像技术的发展，也标志着影像大地测量学进入了深度创新阶段。随后，L波段的ALOS-1、X波段的TerraSAR-X/TanDEM-X和COSMO-SkyMed以及S波段的HJ-1C等SAR卫星相继入轨。伴随着光学遥感技术的发展与积淀，一系列高质量的光学遥感卫星陆续发射。2003年，中国成功发射ZY-02资源卫星。2008年美国发射GeoEge-1高空间分辨率卫星。同年，美国地质调查局实行的Landsat数据开放政策引发该数据使用的热潮，数据的分发和技术创新呈现出井喷式增长[28]。2010年我国正式启动高分辨率对地观测系统，天绘一号卫星是中国首颗传输型立体测绘卫星，01星于2010年8月24日成功发射。两年后第一颗民用光学立体测绘资源三号01卫星成功发射，填补了自主民用立体测绘卫星的空白[29]。2013年4月，高分一号作为中国高分系列卫星中的首发星成功发射，提高了我国高分辨卫星自给率[30]。此阶段高分辨率对地观测小行星进入蓬勃发展时期，光学遥感数据处理软硬件获得大幅度提升。2003年NASA发射了星载激光测高仪ICESat-1，广泛应用于极地冰雪环境遥感监测。第三阶段的代表性成果是时序InSAR技术的创新和应用场景的扩展。文献[31]提出了SAR层析成像(TomoSAR)技术，实现城市形变动态监测。文献[32]首次提出的多孔径干涉测量(MAI)技术可以实现高精度和高效率的方位向形变量提取。文献[33]提出的StaMPS算法无须先验形变模型且利用三维时空解缠技术来获取目标形变的时序信息。文献[34]首次提出了第二代永久散射体技术SuqeeSAR，该技术联合处理PS和分布式散射体(DS)，适合非城市区域的形变观测。InSAR技术在提取地表形变时会受到大气延迟的影响，降低形变结果的精度。为了克服大气延迟的影响，这一时期出现了利用GPS[35-36]、GPS/MODIS[37]、MODIS/MERIS[38]等外部观测数据的多种大气改正模型。在这个阶段InSAR技术的应用场景逐步拓。
