PAGE122改建工程設計中的應用研究（項目技術報告）中交第一公路勘察設計研究院長安大學

二00七年十月

報告內容目錄：

第一章 項目背景及立項依據交通部制定的《公路、水運交通科技發展“九五”計劃和到2010年長期規劃》指出：“在大規模地進行國道主干線系統的建設中，公路規劃、可行性研究、勘察設計和現代化的公路管理是做好系統建設的技術關鍵。目前影響我國公路設計測設水平和效率的重要因素，依然是沒有突破傳統的設計模式和方法，技術含量低，特別是高科技含量不足；為進一步提高規劃、設計的效率、質量與科學性，迫切需要利用計算機技術、電子信息技術和光電技術等高新技術改造規劃、設計的傳統技術構成，實現公路勘測設計自動化”。在《公路水路交通中長期科技發展規劃綱要（2006-2020年）》指出：“當今世界科技發展日新月異，人類社會正在經歷一場新的科技革命，以信息技術、生物技術、新能源技術、新材料技術和空間技術等為代表的高新技術，對經濟發展與社會進步起到了巨大的推動作用，也必將為我國公路水路交通科技實現新的跨越創造條件”，并在此綱要中明確提出三點方針：(1)綜合集成，就是要結合交通行業的特點，注重現代信息技術、……和空間技術等高新技術在交通領域的消化吸收和集成應用，提升交通行業的科技水平。(2)強化創新，就是要結合交通行業特點開展具有自主知識產權的創新活動。知識創新、技術創新與制度創新相結合，自主開發和引進消化相結合，原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新并重，大力增強交通科技創新能力和核心競爭力。(3)重點突破，就是要按照有所為、有所不為的要求，優化配置交通科技資源。以對交通發展具有戰略性、基礎性、關鍵性的重大技術為切入點，突破牽動性技術，攻克關鍵性技術，儲備前瞻性技術，以點帶面，全面推進根據上述兩個綱要規劃和方針要求，本項目針對我國公路規劃設計中的現狀，提出《航空三維雷達掃描技術在公路建設中的應用研究》項目。項目立足國際最新技術，將最新型的主動式遙感技術、3S技術、計算機技術等引入公路規劃設計中，解決“……影響我國公路設計測設水平和效率的重要因素，依然是沒有突破傳統的設計模式和方法，技術含量低，特別是高科技含量不足”的問題，提高我國公路設計的水平，增加公路規劃設計中的高技術含量。(1)公路改擴建項目缺少行之有效的精確測量路面空間位置的方法，傳統的測量方法存在測量效率低、安全隱患大等問題。(2)新建公路路線方案仍不同程度依賴于設計者經驗和主觀判斷的局限性，其根本原因仍然是缺少高精度的數字地面模型的支撐。在國外，自從上世紀90年代初期以來，主動式的航空激光雷達遙感技術已經得到普遍應用，許多常規攝影測量任務逐漸轉向采用這種直接獲取數字地面模型的技術。這種基于主動式遙感的激光雷達掃描技術無論從獲取的數據的精度、可靠性、作業效率上，還是成本、費用和作業周期等方面都比攝影測量的方法有很大的優勢。為了盡快趕上國際上最新的研究水平，引進國外最新的技術，在公路交通設計領域實現“跨越式”發展，我們急需進行這方面的研究。同時，大量采用航空激光雷達遙感技術可以為國家節省數目可觀的費用，而且可以大大降低數據獲取的周期，以公路交通部門為例，今后十年里，國家每年在這一領域投入數千億元以上，如果采用航空激光雷達技術用于公路的勘探設計，每年預計可以節省數千萬元以上的數據采集和處理費用。考慮到數據獲取產業的普及，大量采用航空激光雷達掃描可以為國家節省數目可觀的費用，而且可以大大降低數據獲取的周期。發達國家公路交通規劃設計占有十分重要的地位。20世紀50年代以來，攝影測量技術、數字地面模型技術首先在公路交通規劃設計中得到應用，開始了攝影測量技術和數字地面模型技術的普及。進入20世紀90年代，美國、日本、歐洲等國開展了遙感技術在公路規劃設計中的應用研究和技術開發，并將信息、通信、電子、計算機、控制等先進技術綜合應用于公路交通領域，目前已成功地推出一批研發成果，得到了廣泛地應用。國外知名大學如美國的麻省理工學院、加州大學（伯克利）、密執安大學、德國和歐洲其它國家等，結合交通規劃設計領域的高層次人才培養，從事遙感、地理信息系統等前沿問題的研究，并擁有先進的試驗手段，在公路規劃設計中，除了傳統的遙感技術外，更先進的主動式遙感技術（航空激光雷達技術）已經普遍用于公路交通建設中。我國正處在公路建設高速發展時期，自上世紀80年代我國開始大規模的高速公路建設以來，至今已修建了近4萬公里高速公路，其中大部分是4車道高速公路。隨著社會經濟的快速發展，公路交通量迅速增長，局部路段已呈超飽和狀態，如滬寧高速公路最大路段已達60159pcu/d；另一方面，由于重載、超載嚴重，加劇了公路病害的發生，導致服務水平降低，也極大地影響了公路通行能力，種種原因已影響到了高速公路自身及沿線經濟的可持續發展。因此，除了建設新的公路外，公路的改擴建技術同樣成為當前國內公路建設與發展的一個重要課題。公路建設中引入先進的勘察設計技術是保證公路建設和改擴建工程獲得成功的前提條件，控制著工程的整體質量和工程建設周期。目前我國在公路建設中已經引入了數字化勘察設計技術，例如在滬寧高速公路擴建、貴遵二級公路改為高速公路建設中引入了高分辨率衛星遙感技術、低空大比例尺航空攝影測量技術、數字攝影測量技術以及高精度的GPS-RTK技術等現代數據獲取技術。這些技術的引入對于獲取高精度的DEM數據起到了重要作用。本項目引入最新的主動式航空激光雷達遙感技術，將國外成熟的技術和觀念引入到我們國家公路交通行業，實現公路交通規劃設計的“跨越式”發展。其主要目的是獲得高精度的數字地面模型的采集方法，為舊路改建、新建公路勘測提供高精度的數字地面模型，在國內具有領先水平，達到國際先進水平。為提高我國舊路改建、新建公路勘測水平、質量和效益創造前提。

第二章 現代地學信息獲取技術概況§2.1 攝影測量手段攝影測量是利用攝影機或其它傳感器采集被測對象的圖像信息，經過加工處理和分析，獲取有價值的可靠信息的理論和技術。攝影測量的創立和發展，已經經歷了百余年的歷史，百余年來，攝影測量作為一門科學得到了廣泛的應用。在技術方法上，隨著光學、機械學、電子學、航空航天技術、電子計算機技術、圖形圖像技術等相關科學的發展，也取得了非常迅速的發展。提到攝影測量，人們首先想到的是航空攝影測量。實際上，攝影測量的概念要遠遠早于飛行器出現之前，當然，攝影測量的快速發展及大規模應用要歸功于航空飛行器的出現和使用，其歷史可以簡單回顧：（1）1759年：數學家LAMBERT第一次提出了攝影測量的基礎—透視幾何學的概念；（2）1839年：法國人DAGUERRE報道了第一張攝影照片的誕生；（3）1851-1859年：被稱為攝影測量之父的法國陸軍上校LAUSSEDAT在巴黎第一次試驗了用像片來測制地形圖的方法和過程；（4）1859年試制了照相機，從而誕生了航空攝影測量。在飛機發明以前，雖然借助于氣球和風箏也取得了空中拍攝的照片，但是并沒有形成真正意義上的航空攝影測量。在飛機發明以后，特別是第一次世界大戰大大加速了航空攝影測量的發展；（5）20世紀初由奧地利人OREL按照這些思想制成了立體測圖儀，后由CARL-ZEISS生產了世界上第一臺實用意義上的立體自動測圖儀；（6）在中國，在上世紀的30年代，德國HANSA航空攝影公司在浙江進行了所知的國內第一次航空攝影飛行，并獲取了第一張航空影像。當然，攝影測量的發展是以儀器的研制為主要標志的，譬如在全球曾經大規模使用的多倍儀、視差儀；到后來的其它模擬型的測圖儀，如WILD公司B系列、TOPOCART系列、A系列等、模擬儀器的解析改裝、解析測圖儀等。現在普遍使用的是（全）數字攝影測量系統，攝影測量儀器的發展過程基本上也反映了現代攝影測量的發展里程。至今，攝影測量已經形成了許多分支，對攝影測量可以從不同的角度加以分類，一般說來，可以按下列方法進行分類，即按距離分類、按用途分類和按技術方法分類。（1）按照距離，可以將攝影測量分為外太空、航天（衛星）、航空、地面、近景和顯微攝影測量；（2）按照用途，可以將攝影測量分為地形攝影測量和非地形攝影測量；（3）按照技術方法，可以將攝影測量分為模擬、解析和數字攝影測量等。地面攝影測量、航空攝影測量和航天攝影測量，主要用于測制地形圖和相應的數據庫，所以這三者也都屬于地形攝影測量。近景攝影測量的攝影距離一般在100米以內，主要用于工業建筑、文物考古、礦山工程測量以及生物醫學等諸多非地形攝影測量領域，由于二者有很強的對應性，所以也常稱近景攝影測量為非地形攝影測量。按距離遠近或按用途分類的每一種攝影測量方法，都是由一種或一種以上的按技術方法分類的攝影測量實現的，例如，航空攝影測量，既可以是模擬的方法，也可以是解析的或者是數字的方法。而按技術方法分類的每一種攝影測量方法，又都必然體現在按距離或按用途分類的多個攝影測量方法之中，例如解析攝影測量，既可以用于航空、航天攝影測量，又可以用于地面或近景攝影測量。航空攝影測量是以空中攝影像片構成的立體像對為基礎，從幾何和物理方面加以分析和量測，獲取所攝對像信息的一門學科。由于信息量大，反映物體細致、客觀，真實和詳盡地記錄了攝影瞬間的地表形態，具有良好的量測精度和判讀性能，能方便地獲得被攝地區的大比例地形資料。交通部和國家從“六五”期間就開始不斷大力推進公路航測技術研究與應用，經多年的研究、推廣，公路航測技術已廣泛地應用于我國高等級公路勘察設計中。實踐表明，航空攝影測量是大規模、快速、大范圍獲取設計所需的各種地面要素的最佳手段之一。但由于改擴建公路勘察設計技術的復雜性，傳統的航測技術需要有新的突破。老路改擴建最重要的是解決航測高程精度問題。公路攝影測量規范規定，航測高程誤差可達1/2～1倍等高距，相當于1:2000比例地形圖上0.5～1m（平原區）和1～2m（山區）的高程誤差。改擴建項目涉及到路面加寬、橋梁拼接等，在方案設計階段就需要對老路中線平縱面進行恢復和擬合，因此對地面、尤其是既有路面及結構物的高程精度要求非常高。顯然上述常規航測精度不足以滿足改擴建公路勘察設計的要求。理論上航測高程精度可達航高的1/4000～1/6000，整體提高航測精度最可行的方法應盡量降低攝影航高。但航高的降低在攝影測量學上有一定的技術難度，需要研究解決包括安全航高的限制、相對航速的增加使像點發生位移、攝影死角增多、單幅像片覆蓋面積減小、近地層氣流擾動使像片變形增大等一系列技術問題及相應的經濟合理性等問題。可以采取以下綜合性的技術措施予以整體解決：根據路線走向和比較方案分布，精細設計航帶；根據地面起伏相對高差和安全高度要求，嚴密規劃攝影比例尺，盡可能降低航高；采用長焦距鏡頭，可在相同航高下獲取更大比例尺的航攝影像；采用低速攝影平臺、前移補償裝置、高感光度底片等措施消除影像漂移；采用機載GPS導航系統和機載GPS輔助空中三角測量技術，盡量減少野外作業；制定更合理的野外像片控制測量和內業加密控制方案，提高工作效率和精度。隨著計算機技術以及數字圖像處理、模式識別、人工智能、專家系統以及計算機視覺等學科的不斷發展，航測技術現在已進入了數字攝影測量階段。數字攝影測量起源于攝影測量自動化實踐，即利用數字相關技術實現真正意義上的自動測圖和數字測圖。數字攝影測量與傳統攝影測量的區別在于它是利用相關技術自動處理數字化影像，以計算機視覺代替人眼的立體觀測，其設備只是通用計算機和相關外部設備；其產品是完全數字形式的。這種全數字化、全自動化的測繪方式為是數字化公路勘察設計提供了一種可靠的數據源。在公路勘察設計實踐中，數字攝影測量主要用于以下三個方面：（1）利用航攝像片并配合少量外業測量，為公路勘測設計提供像片平面圖和大比例尺地形圖，供選線和紙上定線用。（2）快速制作大比例尺正射影像地形圖，通過立體觀察、判釋和少量實地調查工作，充分利用航片豐富的影像信息進行規劃、選線、經濟調查、工程地質遙感分析等。（3）借助于數字攝影測量，直接產生設計所需的地表三維坐標數據，建立工程數字地面模型，為公路測設自動化系統提供原始地形數據。老路改擴建對地形圖和三維數據有特殊要求，獲取的地面數據和老路數據必須使每種地面或路面要素采用唯一可識別的要素編碼，尤其是需要對高速公路上的各種空間交叉和架空設施進行特殊處理，以確保建立數字地面模型的準確性和地物空間關系的合理性。此外，高速公路上的一切可見設施，如電話、告示牌、監控設施、防護設施、路外設施及廣告牌等均需測繪，已便后續交通工程設施的再利用和建立數字公路GIS系統。與傳統的公路勘測手段相比，數字攝影測量具有明顯的優點：把繁重的外業工作大部分變為室內作業；提高地形圖和地面數據的精度；大面積獲取地表數據，在大區域內進行路線多方案比選，不遺漏優秀方案；可充分利用數字影像所反映的地面信息和地表現象，進行屬性特征判釋，獲得測區地貌、地質、水文、環境等多種信息，為合理選線提供更充分的資料。對于老路改擴建，可以方便地獲取完整的現有路基、結構物、道路各種附屬物的空間幾何數據和屬性信息。§2.2 常規遙感技術遙感，廣義上可以這樣定義：通過不與物體、區域或現象直接接觸的情況下對目標或者自然現象遠距離感知，獲取調查數據，并對數據進行分析得到物體、區域或現象的有關信息的一門科學和技術。英文RemoteSensing，法文Teledetection，德文Fernerkundung，以及其它一些語言上的描述，從字面上表達的都是遠距離探測的意思。在許多方面，遙感可以被看成是一種閱讀過程，利用各種傳感器收集遠處的數據，分析這些數據從而可以獲取被調查的物體、區域或現象的信息。遠距離收集數據有多種形式，包括力的分布、聲波分布或電磁能量分布的變化等。例如，重力計獲得重力分布變化的數據，聲納就象蝙蝠的導航系統一樣獲得聲波分布的變化數據，我們的眼睛則獲得電磁能量分布的變化數據等。遙感在早期是作為攝影測量學發展的一個分支而看待的，這一點可以從國際攝影測量與遙感協會的縮寫ISPRS的變遷而看出攝影測量的發展歷史。ISPRS的前身叫ISP（國際攝影測量協會），世界上第一個攝影測量協會于1907年5月5日在奧地利成立，1908年法國成立了自己的攝影測量協會，1909年10月德國成立德國攝影測量協會（DGP），當時有46個會員。國際攝影測量協會（ISP）于1910年7月4日以德國和奧地利的相應協會為基礎成立的，第一屆國際ISP大會于1913年9月24-26日在奧地利維也納召開。在1980年以前，人們習慣于將遙感看成是攝影測量的分支，或者說攝影測量的一部分而對待。盡管遙感數據在上個世紀的50年代已經得到應用，遙感手段、傳感器等也早就在多個領域被普遍使用，直到1980年的國際攝影測量協會ISP漢堡大會上，ISP才正式改名成國際攝影測量與遙感協會ISPRS。在衛星遙感方面，自從1957年10月前蘇聯把第一顆人造地球衛星送入環繞地球軌道開始，世界各國成功地實施了一系列空間計劃。截止1997年底已經累計有約5000顆各類衛星發射升空，見表2-1，其中，通訊衛星、導航衛星的數量居于首位，緊跟其后的便是各類對地觀測遙感衛星，這些遙感衛星又以服務于軍事和資源環境監測居多，表2-2是一個截止1998年1月的統計結果（張永生1998）。表2-1：截止1997年遙感衛星的基本情況年份國家195719601961196519661970197119751976198019811985198619901991199519961997統計蘇聯/俄國9143338484549590529320553017美國353113241391081271041731291450英國236137325加拿大214254119意大利112114313法國251213511140國際通信衛星組織111851159757澳大利亞22138歐洲空間局447757337德國231357122國際宇宙衛星組織410621124日本16131220151077中國1439138442其它141117204633132合計444626986867087917166112474963表2-2：截止1998年遙感衛星的分類類別成像偵察電子偵察海洋監測導彈預警測地雷達校正通用遙感通信導航氣象其它合計數量10161414111317387541768618隨著空間技術的快速發展，目前，空間遙感中所使用的傳感器的工作波段幾乎擴展到電磁波譜的各個部分，這些遙感傳感器不僅包括可見光范圍，在夜晚也可以沒有任何困難地獲取所需地區的各種影像信息、數據等。在光譜探測方面，成像光譜儀的出現，使每個波段的波區變得越來越窄，已經可以達到10nm以下，波段數多達288個以上（機載成像光譜儀），使得獲取的光譜信號更加豐富，可以更有效地反映地物的真實譜貌。與此同時，遙感傳感器的空間分辨率也在不斷地迅速提高，目前，有些民用遙感傳感器的空間分辨率可以達到1m以下，到0.5m左右，譬如，美國軌道科學公司（OSC）、GDE系統等公司的立體觀測衛星的空間分辨率都可以達到1m，其影像數據已經可以測制1：2.5萬比例尺的地形圖，可以用于修測1：1萬比例尺的地形圖。最新的主動式雷達微波遙感開辟了一種新型的數據及信息獲取手段，在航天遙感領域，微波遙感傳感器已經被大量地安裝在各類遙感衛星上，如日本JERS-1、歐洲空間局ERS及加拿大發射的雷達衛星Radarsat系列等，使微波遙感成像技術得到了進一步的發展。多平臺、多傳感器、多時相遙感數據獲取和綜合應用試驗已經取得很大的進展。一般而言，攝影測量與遙感的方法和過程可以以圖2-1來簡單演示。數據獲取是遙感的基礎，數據獲取過程的要素是能量來源、能量通過大氣層的傳播、能量與地球表面物體的相互作用、能量再次穿越大氣層、機載和(或者)星載傳感器、傳感器獲取的數據以圖和（或者）以數字形式生成，簡而言之，利用傳感器記錄地球表面的各種地物的反射和發射的電磁能量變化。數據獲取的手段根據目的的不同，可以有多種形式，譬如為了測制地形圖可以使用航空攝影測量及航天攝影測量的方法；為了獲取數字地面模型，可以使用航空攝影測量/航天攝影測量/雷達測量的方法以及航空激光雷達遙感的方法等。數據（影像）的存儲是遙感的另外一個重要的組成部分，特別是對于實時數據的獲取，數據或數字影像以合適的方法和手段進行存儲和傳輸具有重要的意義。這一過程中，一個重要的任務是數據（影像）的壓縮和解壓縮。數據或數字影像以壓縮的方式傳回到地面數據處理中心，在對數據或影像進行數據分析之前，對壓縮了的數據或影像解壓縮。數據或影像的分析過程是利用各種觀測和解譯設備來分析各種圖形/圖像數據、以及輔助數據。如果數據源可以包括同時同地的其它參考數據（例如土壤圖、農作物統計資料或者野外數據），這些參考數據可以用于幫助數據的分析。數據分析的目的是在數據所能覆蓋的區域內分析出有關地面目標的類型、內容、位置以及條件信息等。數據分析一般包括數據或影像的各種濾波、信息提取、統計分析以及信息分類等。數據處理的結果可以以模擬的方式（圖紙），也可以通過各種數字的方式表達，一般而言，數字產品已經是大部分使用者最主要的方式。攝影測量與遙感攝影測量與遙感數據獲取數據存取模擬像片數字影像（線狀，面狀）數據壓縮數據傳輸等數據處理分析結果及產品模擬像片沖洗數字影像處理（濾波，增強，改善等）信息提取統計分析信息分類信息融合等地圖DEM正射影像GIS產品3D-景觀圖決策態勢圖混合產品等航空攝影航天攝影雷達多光譜紅外線激光雷達等圖2-1：攝影測量與遙感的過程及組成一般而言，公路改擴建方式主要有兩種形式：一是開辟新的走廊帶，二是在原有走廊帶內對老路進行加寬擴建。開辟新的走廊帶實際上是一種廣義的通道擴容；加寬擴建是指在原有走廊帶內以老路為基礎進行改造以提高公路的通行能力，包括單側加寬、雙側拼寬、局部分離等多種形式。擴建方式的選擇需要從宏觀方面進行深度的社會、經濟、技術和發展觀比選。影響改擴建方式選擇的主要因素有：路網分布、經濟布局、土地利用、交通適應性、現有路況及沿線自然與環境因素等。對此，衛星遙感技術以其豐富的地表信息和直觀圖像在老路改擴建方式的優化比選方面提供了一種非常好的選擇。遙感是根據地球物體吸收、發射和反射能量并以不同的電磁波譜表現物體特征這一原理來遠距離探測、識別物體并提取其信息。隨著衛星遙感圖像定位精度的越來越高，空間分辨率越來越細，使衛星遙感技術可以更加快速、更加精密和更加詳細地獲取地表信息，從而得以在工程應用領域也有了突破性發展。1999年美國發射升空IKONOS遙感衛星標志著高分辨率衛星遙感時代的到來。該衛星距地681km，重約817kg，每98分鐘繞地球一圈，每3天就可對同一地區進行重復采樣。IKONOS影像含有1個分辨率為1m的全色光譜波段和藍、綠、紅與近紅外4個分辨率為4m的多光譜波段，其遙感圖像在無地面控制點時水平精度12m，垂直精度10衛星不受空域和地面障礙物的限制，能迅速獲取全球任何地區最新的立體影像；高分辨率全色和多波段影像不僅能解譯出區域地表的各種最新的自然、經濟現象，而且通過多時段和多波段遙感信息分析，可獲取詳細的工程地質、水文、地貌變化、地質災害、自然災害等多種信息；IKONOS圖像的定位精度使之無需野外工作即可直接生成1:10000數字地形圖；僅用少量野外控制點且不必嚴格控制點位分布即可生成1:5000～1:2000數字地形圖，這對困難地區獲取地面數據具有極大的價值；而且由于視點高，其攝影死角比航攝更少，可獲取更隱蔽地區的資料；IKONOS衛星影像的像幅比同分辨率的常規航空攝影寬4～6倍，達11km，因此更有利于路線走廊帶優化選擇。2004年，中交第二公路勘察設計研究院主持完成了交通部西部交通建設科技項目“IKONOS衛星圖像在西藏墨脫公路勘察設計中的應用研究”，課題在世界公路建設的極限地區、我國唯一不通公路的西藏墨脫公路項目中首次研究并應用IKONOS衛星遙感技術，取得了墨脫地區環境、地質、地形地貌、自然災害判譯等8項重大科技成果和9項主要科技成果，獲取了3個方案440km路線長的1:10000、1:5000數字地圖和DTM，1個方案約220km路線長的1:1200數字地圖和DTM，為墨脫公路的方案選擇和勘察設計提供了科學全面的基礎資料。目前，已在廈門東通道海底隧道、南京外環公路、大連灣跨海通道、四川內江繞城公路、西藏省道306線等多個項目的勘察設計中廣泛地應用了IKONOS高分辨率衛星圖像技術。§2.3 GPS-RTK技術GPS單點導航定位與相對測地定位是GPS應用的兩個方面，對常規測量而言，相對測地定位是主要的應用方式。相對測地定位是利用L1和L2載波相位觀測值實現高精度測量，其原理是采用載波相位測量局域差分法；在接收機之間求一次差分，在接收機和衛星觀測歷元之間求二次差分，通過兩次差分計算解算出待定基線的長度。求解整周模糊度是其關鍵技術，根據算法模型，設計了靜態、快速靜態以及RTK等作業模式。靜態作業模式主要用于地殼變形觀測、國家大地測量、大壩變形觀測等高精度測量；快速靜態測量以其高效的作業效率與厘米級精度廣泛應用于一般的工程測量；而RTK（實時動態定位技術）測量以其快速實時、厘米級精度等特點廣泛應用于數據采集（如碎部測量）與工程放樣中。RTK技術代表著GPS相對測地定位應用的主流。GPS測地型接收設備是實現測地定位的基本條件，接收機有單頻與雙頻之分，雙頻機能以L2觀測值修正電離層折射影響，最適宜于中、長基線（大于20km）測量，具有快速靜態測量的功能，可升級為RTK功能；單頻機適宜于小于20km的短基線測量，對于一般工程測量具有良好的性能價格比。RTK系統由GPS接收設備、無線電通訊設備、電子手薄及配套設備組成，整套設備在輕量化、操作簡便性、實時可靠性、厘米級精度等方面的特點，完全可以滿足數據采集和工程放樣的要求。鑒于GPS系統在軌衛星數有限，在對空通視受遮擋的條件下，不能保證正常解算，影響定位的精度和可靠性。實踐表明，單頻GPS系統由于多環境的制約，存在著很大的局限性。隨著俄羅斯的全球導航衛星系統（GLONASS）的不斷完善，利用GLONASS來改善GPS性能的雙星座系統（GLONASS+GPS）已由美國Ashtech公司研制成功，這種全天候、全地域、高精度的系統為用戶提供了更為完善的接收設備，雙星座系統的接收設備GPS接收設備的新水平。實時動態（RTK）定位技術是以載波相位觀測值為根據的實時差分GPS（RTDGPS）技術，它是GPS測量技術發展的一個新突破，在公路工程中有廣闊的應用前景。眾所周知，無論靜態定位，還是準動態定位等定位模式，由于數據處理滯后，所以無法實時解算出定位結果，而且也無法對觀測數據進行檢核，這就難以保證觀測數據的質量，在實際工作中經常需要返工來重測由于粗差造成的不合格觀測成果。解決這一問題的主要方法就是延長觀測時間來保證測量數據的可靠性，這樣一來就降低了GPS測量的工作效率。實時動態定位(RTK)系統由基準站和流動站組成，建立無線數據通訊是實時動態測量的保證，其原理是選取點位精度較高的首級控制點作為基準點，安置一臺接收機作為參考站，對衛星進行連續觀測，流動站上的接收機在接收衛星信號的同時，通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數據，隨機計算機根據相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標和測量精度。這樣用戶就可以實時監測待測點的數據觀測質量和基線解算結果的收斂情況，根據待測點的精度指標，確定觀測時間，從而減少冗余觀測，提高工作效率。實時動態(RTK)定位有快速靜態定位和動態定位兩種測量模式，兩種定位模式相結合，在公路工程中的應用可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監理和GIS(地理信息系統)前端數據采集。在靜態RTK模式下，要求GPS接收機在每一流動站上，靜止的進行觀測。在觀測過程中，同時接收基準站和衛星的同步觀測數據，實時解算整周未知數和用戶站的三維坐標，如果解算結果的變化趨于穩定，且其精度已滿足設計要求，便可以結束實時觀測。一般應用在控制測量中，如控制網加密；若采用常規測量方法(如全站儀測量)，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區實施比較困難，而采用RTK快速靜態測量，可起到事半功倍的效果。單點定位只需要5～10min(隨著技術的不斷發展，定位時間還會縮短)，不及靜態測量所需時間的五分之一，在公路測量中可以代替全站儀完成導線測量等控制點加密工作。在動態RTK模式下，測量前需要在一控制點上靜止觀測數分鐘(有的儀器只需2～10s)進行初始化工作，之后流動站就可以按預定的采樣間隔自動進行觀測，并連同基準站的同步觀測數據，實時確定采樣點的空間位置。目前，其定位精度可以達到厘米級。動態定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應用前景，可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作。測量2～4S，精度就可以達到1～3cm，且整個測量過程不需通視，有著常規測量儀器(如全站儀)不可比擬的優點。RTK技術有下列優點：（1）、實時動態顯示經可靠性檢驗的厘米級精度的測量成果(包括高程)；（2）、徹底擺脫了由于粗差造成的返工，提高了GPS作業效率；（3）、作業效率高，每個放樣點只需要停留1～2s，流動站小組作業，每小組(3～4人)可完成中線測量5～10km。若用其進行地形測量，每小組每天可以完成0.8～1.5km2的地形圖測繪，其精度和效率是常規測量所無法比擬的；（4）、在中線放樣的同時完成中樁抄平工作；（5）、用范圍廣—可以涵蓋公路測量(包括平、縱、橫)，施工放樣、監理、竣工、測量、養護測量、GIS前端數據采集諸多方面；（6）、GPS靜態定位技術和動態定位技術相結合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制測量等。§2.4 新型主動式遙感技術2.4.1 干涉合成孔徑雷達技術人們越來越多地使用工作在電磁波的微波波段的雷達技術來獲取地面或其它行星的數據或影像。在傳感器部分，我們知道，所謂的微波并不是表示微小的意思。微波波段的波長大約在1mm到1m之間，而最長的微波波長比最短的可見光波長要長大約2500000倍。從遙感的角度來看，微波能量有兩個明顯的特征：（1）微波能夠穿透大氣層，在其包含的波長范圍內，微波能“看穿”云霧、小雨、小雪、煙塵等；（2）來自地面物體的微波反射或者發射，與類似的可見光或者是（熱）紅外光譜波段的發射或者反射沒有直接的關系。例如，光譜在可見光看來是“粗糙”的平面，而在微波看來可能是平滑的。一般說來，微波響應能讓我們得到一種與感應光和熱的經驗所得到的有明顯區別的“圖像”。微波遙感包括主動式與被動式兩種方式。術語“主動”指一個傳感器使用本身的能源獲取能量或者照明，雷達就是一種主動的微波傳感器，在本書中只介紹主動式的微波遙感部分。作為一個簡單的延伸，將簡單介紹一下與雷達相對應的其它類型的主動式傳感器，例如雷達高度計等。雷達（Radar）一詞是英文“RadioDetectionandRanging”的縮寫，它與激光雷達的區別是其能量源的不同。就像其名字所表明的一樣，雷達是一種使用無線電波作為其能量源的傳感器，主要用于探測目標物體是否存在并確定其距離，有時也要確定目標的角度位置。這個工作過程要求在所感興趣的方向上發射短波脈沖，并記錄下系統觀察范圍內目標物返回或者反射回來的脈沖強度和其來源。雷達系統有的能夠產生圖像，有的不能，它可以在地面上，也可以安裝在航空飛行器或航天飛行器上。一種普通形式的非成像雷達的典型應用是測量車輛的速度，這種系統稱為多普勒雷達系統，因為它們在發射或接收信號時利用了多普勒頻移效應以測量目標的速度。多普勒頻移是傳感器系統和反射物的相對速度的函數，例如，我們能夠感覺到從旁邊駛過的車輛的喇叭聲和火車鳴笛聲有一個音調的變化，這就是聲波多普勒頻移效應。多普勒頻移原理經常用來分析成像雷達系統所獲取的數據。另外一種普通的雷達系統是平面位置顯示器（PPI）系統。這種系統有一個圓形的顯示屏幕，徑向掃描將雷達回應顯示在此屏幕上，本質上PPI雷達使旋轉天線周圍的目標平面視圖連續更新，PPI系統通常應用于天氣預報、空中交通控制和海上導航。由于PPI系統的空間分辨率較差，它不適合于遙感測繪應用。通過在航空器內或航天器的下方固定一個雷達天線并指向一側，航空和航天雷達就完成了雷達遙感系統的安裝，這種系統稱為側視雷達（SLR-SideLookingRadar）。在航空系統中叫機載側視雷達（SLAR-SideLookingAirborneRadar），機載側視雷達系統能夠產生與飛機航線平行的廣大地面區域的連續圖像帶。機載側視雷達系統最初于20世紀40年代開發并用于軍事目的，它能夠成為一個理想的軍事偵查系統，不僅因為它具有幾乎全天候的工作能力，還因為它是一個主動的晝夜成像系統。第一個使用機載側視雷達系統制作大范圍地形圖的工程是對巴拿馬的達聯省（Darien）的地形測量，那次測量從1967年開始，測量的結果是一個20000平方公里地區的鑲嵌圖。在這之前，因為長期覆蓋云層（幾乎是永久的），這片地區從來沒有被照過相或完整地被測繪過。巴拿馬雷達測繪工程的成功，引發了全球性的對雷達技術的利用。從20世紀70年代開始，大范圍的雷達制圖項目被一些政府完成，也被采礦和石油工業大規模應用。1971年，委內瑞拉為了對一片接近500000平方公里的地區進行制圖，進行了一次雷達測量，借助于這次工程，委內瑞拉與鄰國的邊界得到精確定位，并且對國家的水資源，包括幾條主要的河流進行了準確的勘測。同樣始于1971年的還有亞馬遜河流的雷達測量工程，對亞馬遜河流和巴西東北部地區進行了全面的地質勘測，此次雷達測量制圖工程之大超過以往任何一次。到1976年底，工程完成了大約8500000平方公里區域內超過160幅雷達鑲嵌圖。科學人員把這些雷達鑲嵌圖作為基本圖進行了大量詳實的分析研究，包括地質分析、木材總量分析、交通線路的重新定位以及礦產探測等，由此，發現了大量重要的地礦分布。雷達制圖還被廣泛應用于海洋的海面監測，確定海上風、浪和冰凍的狀況，監測臺風的發生、運動、強度、方向等。合成孔徑雷達是一種先進的主動式微波遙感系統，一種用于提供地面（水面）固定目標、移動目標位置和地形資料的新型雷達。在眾多的航天遙感平臺中應用最多，它可以安裝在有人駕駛和無人駕駛飛機上，也可以安裝在航天飛行器（衛星、飛船）上。其探測目標的真實性、準確性、可靠性和及時性是其它雷達系統無法比擬的，不失為空中探測的奪目“名星”。這種雷達在設計中通過雷達與目標的相對運動及單元雷達波合成技術，使其在普通雷達中可傲視群雄。因為就理論而言，雷達天線越大，其探測監視范圍也越大，但從隱藏性、機動性和生存需要等因素考慮，又不能將天線做得過大，而合成孔徑雷達正是在這樣一種技術需求與客觀現實的矛盾中另辟蹊徑，它在方位向探測上采用合成孔徑技術，即利用雷達與目標的相對運動，來合成一較大的等效天線孔徑，解決了雷達發展中的天線難題，世界“美景”便可一覽無余。合成孔徑雷達的分辨率高，與可見光、紅外傳感器相比具有獨特的優勢和無法替代的作用，被廣泛應用于工農業生產、科研和軍事等領域。目前，在航空測量、遙感、衛星海洋觀測、航天偵察、圖像匹配制導中正發揮著突出作用。歸納起來合成孔徑雷達具有以下幾種功能：（1）全天候、全天時觀測能力：當雷達工作于高頻波段時，能在云層、雨、霧和煙塵環境下獲得清晰的目標圖像。由此看來，在未來高技術戰爭中，試圖利用惡劣氣象條件作掩護，實施部隊機動將很難達成預期目的；（2）穿透探測：選用合適的工作頻率，可探測到一定厚度植被中的目標，還可探測地表以下一定深處的地道、加固掩體和地下管道等目標，在軍事上如發現導彈地下發射井、叢林中的部隊等，在地質礦藏探測、考古中同樣具有重要作用；（3）識別目標：使用多種工作模式，即通過不同的極化方式，不同的波束入射角，不同的觀測次數和測繪走向，獲取同一目標的幾種圖像并加以對比分析，可鑒別出目標的真偽、對不同目標進行分類；（4）縱深探測：在不飛越目標上空的情況下可探測到縱深100～200km的目標，像目前美俄等國采用的天基合成孔徑雷達，如同其它外層空間的航天飛行器一樣，有超越國界的自由，肆意窺視“他人家園”卻無侵犯領空之嫌；（5）運動目標顯示：合成孔徑雷達不僅能對地面（海面）固定目標進行探測，而且能夠監視和跟蹤地面移動目標及低空飛行的目標，諸如巡航導彈之類飛行物也將盡收“眼底”；（6）雷達成像：用這種雷達系統獲取的目標圖像與空間照相的效果相近，其圖像分辨率可以達到0.7m甚至幾個cm，在軍事上如在導彈圖像匹配制導中，采用合成孔徑雷達攝圖，能使導彈順利地擊中目標；（7）信息時效處理：能將高分辨率的數據流在飛機或空間飛行器上進行實時處理，也可通過高速數據傳輸系統發送到地面站進行處理。自上世紀50年代初期出現天線合成孔徑概念以來，合成孔徑雷達已有50多年的發展歷史，其中以美國、俄羅斯的軍用合成孔徑雷達水平較高。美國在“長曲棍球”1號衛星上使用合成孔徑雷達，在675至700km的軌道上，其地面分辨力已達到lm。我國從20世紀70年代中期開始對機載、星載合成孔徑雷達技術進行研究，這也是我國的重大科研工程項目，先后取得了很多成果。其中我國第一顆合成孔徑雷達衛星已躋身于國際先進行列，目前已進入實際應用階段，并在國土測繪、資源普查、城市規劃、重點工程選址、搶險救災等領域發揮了重要作用，它標志著我國的綜合國力和科技水平業已達到了一個嶄新的高度。未來的合成孔徑雷達將向著作用距離更遠、探測范圍更廣、抗干擾性能更強、造價便宜、多種極化方式、多種平臺、多波段和小型化的方向發展。可以預見，新世紀的合成孔徑雷達將成為“空地一體化”、全天候、立體探測監視系統的主力軍。美國于20世紀50年代初期研制成功世界上第一臺工作在微波頻率的、能夠產生地面圖像的機載真實孔徑側視雷達（RealApertureSideLookingAirborneRadar，RA-SLAR）。真實孔徑側視雷達雖然可以通過脈沖壓縮技術獲取雷達圖像距離向的高分辨率，但是方位向的分辨率與波長和觀測距離成反比，與雷達的天線孔徑成正比。若要提高方位向的分辨率，則飛行平臺或者必須要攜帶一個孔徑很大的雷達天線，或者要縮短雷達的工作波長。攜帶一個孔徑很大的雷達天線的選擇顯然在飛行器及傳感器的結構上受到限制，而以縮短雷達的工作波長的方式提高分辨率的選擇則會大大削弱雷達天線的全天候工作能力，因而，機載真實孔徑側視雷達在遙感中的應用有較大的局限性。為了解決雷達天線設計中高分辨率的要求與大天線、短波長之間的矛盾，1951年6月，Goodyear宇航公司的CarlWiley首先提出了所謂的合成孔徑側視雷達（SAR-SyntheticApertureRadar）的概念，并于1952年研制成功一種稱為“多普勒波束銳化”的系統，這是合成孔徑雷達的最初形式。1953年7月，伊利諾斯大學控制系統實驗室用機載X波段相干脈沖雷達對地面和海面的反射信號進行了研究，第一次證明了合成孔徑雷達的原理，并獲取了第一張合成孔徑雷達的圖像。從數據處理方面來看，早期主要是基于光學處理的方法，將膠片形式的雷達信號轉換成圖像。從20世紀60年代中期開始，逐步引入了數字處理的方法。從70年代開始，人們實現了帶運動補償的實時數字式合成孔徑雷達。航天雷達遙感一直是雷達遙感的重點。從1972年12月美國“阿波羅17號”登月計劃將SAR投入遙感開始，到1978年6月28日NASA發射第一顆SAR海洋雷達衛星Seasat，標志著SAR時代的開始。Seasat雷達衛星系統采用近極地軌道，軌道高度800km，波長23.5cm（L波段），水平極化方式（HH），固定視角200，掃描帶寬100km，系統采用光學和數字處理兩種方式，光學處理后的圖像分辨率在距離向為45m，在方位向為25m，數字處理后兩個方向的分辨率都為25m。1987年7月前蘇聯成功發射了鉆石雷達衛星（Almaz），1991年3月又發射了另外一顆鉆石雷達衛星，分辨率達到15～30m，波長9.6cm（S波段），HH極化方式，可對地球上780N～7801991年，歐洲空間局（ESA-EuropeanSpaceAgency）發射了第一顆自己的雷達遙感衛星ERS-1（EuropeanRemoteSensingSatellite）。該衛星高度為785km，軌道周期為100分鐘，軌道傾角為98.50。ERS-1攜帶的SAR傳感器為右側視，視角為230，工作頻率為C波段，VV極化方式，距離向分辨率為26m，方位向為30m，輻射寬度為100km，采用數字記錄和數字處理。該衛星主要用于研究海洋環流、洋流、潮汐、分析全球風浪的變化、分析極地冰層覆蓋以及海冰和海面溫度等。1995年發射的ERS-2號雷達衛星與ERS-1的SAR的參數相同，兩顆雷達衛星在同一軌道上以一天的時差飛過同一地區，這樣就可以產生干涉圖像。日本宇宙開發事業團（NationalSpaceDevelopmentAgency）于1992年2月發射了地球資源衛星JERS-1（JapaneseEarthResourcesSatellite-1）。該衛星軌道高度為568km，軌道傾角為97.6620，偏心率小于0.0015，半長軸為6946.165km，軌道重復周期為44天，軌道周期為96.146分鐘。該衛星安裝有兩種傳感器，即光學傳感器和合成孔徑雷達傳感器。合成孔徑雷達SAR的側視角為350，工作波段為23.5cm（L波段），HH極化模式，距離向和方位向的分辨率都為18m，成像寬度為75km加拿大于1995年11月發射了其第一顆雷達遙感衛星Radarsat。衛星軌道為796km，傾角98.60，周期為100.7分鐘，重復周期為24天，每天繞地球14條軌道。Radarsat的一個特點是它在早晨6點和傍晚6點過境，目的是為了使衛星上升和下降階段總是處于太陽光照下，以便能充分利用太陽能，節省能源。同時，上升和下降的方式能更好地對農作物進行監測，因為在夜晚植被的水分含量最高，所以適合于夜晚對農作物進行監測。航天飛機雷達是雷達遙感的另外一個受到重視和取得成就的系統。美國航天飛機雷達系統有三種型號，SIR-A、SIR-B和SIR-C。1981年11月，美國“哥倫比亞號”航天飛機第二次飛行時攜帶的SIR-A合成孔徑雷達與海洋SAR基本相同，也是一臺具有單一工作頻率（L波段，波長23.5cm）和單一極化模式（HH）的合成孔徑雷達，不同之處是它們的信號記錄方式和天線波束的入射角。SIR-A接收數據采用機上光學記錄，然后在地面上進行成像處理，為了適應地質遙感領域的要求，其視角增大到500。NASA于1984年7月發射的“挑戰者號”航天飛機攜帶了另外一種雷達傳感器SIR-B，SIR-B的主要目的是研究在軌道上不同視角情況下的后向散射特性和立體成像能力。SIR-B與SIR-A的工作參數基本相同，區別則有兩點：其一是SIR-B采用了可變的多視角技術，通過改變航天飛機的姿態，其視角可以在150～600的范圍內變動，從而實現了立體成像；其二是SIR-B增加了數字記錄方式。1994年4月，NASA與德國和意大利聯合進行了兩次航天飛機雷達遙感試驗，這次試驗使用了SIR-C及X波段的SAR傳感器系統（SIR-C/X-SAR）。該系統有三個波段，美國研制了L、C波段雷達系統，德國和意大利研制了X波段雷達。L、C波段有4種極化方式，即HH、VV、HV、VH極化方式，X波段有兩種方式，即HH和HV方式。每個波段可以獨立工作，也可以同時工作，視角在150～600之間可變。數據主要以記錄在磁帶上為主，也可以通過中繼衛星實時地傳輸到地面處理。SIR-C/X-SAR發展了4種先進技術：即干涉雷達成像技術；掃描雷達成像技術；定標技術和SAR數據實時處理技術。NASA于2000年2月12日使用SIR-C進行了10天轟動性的航天飛機雷達遙感飛行，那次飛行完成了一次所謂的“航天飛機雷達地形測繪任務”（SRTM-ShuttleRadarTopographyMission）。此次使命的主要目的是使用雷達干涉技術采集北緯600至南緯560之間約占地球表面80%的區域的地形數據，從而生成地面的三維地形圖。SRTM采用了1994年SIR-C兩次飛行中成熟的硬件設備，同時，在航天飛機上安裝了一根直徑為1.12m，長度為60m的天線桿，在航天飛機的內部安置了一副天線，在航天飛機左側的天線桿末端安置了另外一副天線，這樣就構成了具有固定基線的單軌式橫跨軌跡干涉測量系統圖2-2：航天飛機雷達測量（SRTM）我國研制合成孔徑雷達系統始于1976年。1979年9月使用X-波段的機載遙感雷達獲取了第一批合成孔徑雷達圖像，由于沒有采用脈沖壓縮技術，距離向分辨率只有180m，方位向為30m。1980年10月采用了線性調頻脈沖壓縮技術的雷達傳感器后，所獲取的雷達影像的空間分辨率達到了15x15m。1987年研制成功了新一代機載合成孔徑雷達。同時，我國已經研制成功星載雷達遙感系統。在20世紀70年代只有一顆SAR雷達遙感發射升空，80年代世界上也只有兩次航天飛機合成孔徑雷達飛行試驗，而90年代則已經有6顆星載SAR升空。部分遙感雷達系統的性能、參數等用下表2-3來說明。表2-3：部分雷達遙感系統的參數型號性能Seasat美國SIR-A美國SIR-B美國SIR-C/X美國等Almaz-1前蘇聯ERS-1歐洲空間局ERS-2歐洲空間局JERS-1日本Radarsat加拿大發射時間78.681.1184.1094.491.391.795.492.295.11數據處理類型光學數字光學光學數字數字數字數字數字數字數字波段/波長（cm）L23.5L23.5L23.5L23.5C/5.8X/3.1S9.6C5.7C5.7L23.5C5.6方位向分辨率（m）4036252515～3030301810～100距離向分辨率（m）253617-5810-6015～3026261810～100測繪帶寬（km）1005010-6015-90401001007550～500極化方式HHHHHH多種HHVVVVHHHH視角（度）205020-5515-6030～6023233510～59軌道高度（km）800259224225300785797568798軌道傾角（度0）1083857577398.597.797.698.6干涉合成孔徑雷達是通過兩副天線同時對地觀測，或者通過一副天線兩次對同一地面目標進行重復觀測，從而獲取同一地區的兩幅復值影像。這樣的兩幅復值影像由于具有相位差（見圖2-3），因而可以形成雷達干涉圖，人們可以通過測定相位差的方式計算地面目標的高程，因此，雷達相位干涉測量的方法與傳統的雷達立體測量的方法有本質的區別。傳統的雷達立體測量是通過兩張雷達像片立體觀測的方式獲取地面的三維信息，而雷達干涉測量則是通過測量干涉雷達像片的干涉相位差的方式獲取地面目標的三維信息。另外，傳統的雷達立體測量像傳統的光學投影方式的攝影測量一樣，它們同樣受到影像的像素分辨率和立體像對基高比的影響。因此，傳統的雷達立體測量的方法獲取的地面目標的高程精度相對較低。圖2-3：雷達干涉原理干涉合成孔徑雷達（InSAR-InterferometricSyntheticApertureRadar）測量和遙感是一種利用合成孔徑雷達對同一地區進行重復觀測獲取的兩幅復值影像（影像既有幅度，同時也有相位）進行相干處理，以獲得地球表面信息的技術。干涉合成孔徑雷達技術首先由美國人Rogers和Ingalls等于1969年提出，當時提出這一設想的主要目的是為了測量金星和月球。1972年，美國利用干涉合成孔徑雷達獲取了月球表面的地形數據，精度高于500m。而機載的合成孔徑雷達用于地形測量始于1974年NASA的Graham，他當時使用光學處理的技術證明了使用InSAR測制地形圖的可能性。1986年，在Zebker和Goldstein之后，才真正開始了數字化干涉雷達測量技術和數據的處理。而星載InSAR技術用于對地觀測和地形測圖，則首先開始于美國1978年發射的海洋衛星Seasat之后，這種海洋衛星獲取了大量的地球表面和海洋的雷達InSAR影像。1988年，Goldstein等人從機載數據處理轉到利用Seasat星載數據處理上，他們獲得了死亡谷Cottenball盆地的數據，采集數據的時間間隔為3天。1989年，美國第一次公布了使用這種衛星差分干涉合成孔徑雷達（D-InSAR）技術獲得的對地面變形實時檢測的研究成果，從而證明了干涉合成孔徑雷達的巨大潛力，也演示了差分干涉合成孔徑雷達進行地面變形監測的巨大價值。早期的合成孔徑雷達干涉測量主要是利用機載系統，由于機載系統飛行軌道的不穩定性，所以很難得到較精確的基線參數，從而影響了生成的DEM的精度，而且機載系統也無法提供足夠豐富的并且合適的雷達數據用于干涉測量。1991年，歐洲空間局（ESA）發射ERS-1后，由于其豐富的SAR數據，InSAR的應用及數據處理成為研究的熱點。特別是JERS-1、ERS-2和RADARSAT-1的先后發射成功，為全球提供了豐富的、適合于進行干涉處理的星載數據，InSAR技術逐步從純理論研究跨入到了實用階段，從而也開創了一個全新的研究領域。從上個世紀90年代開始，由于InSAR數據源的增多和數據質量的提高，干涉合成孔徑雷達測量技術得到了迅速的發展。在70年代時，SAR數據還主要是用于基礎研究，80年代也只有兩次航天飛機SAR專門飛行，而90年代則有超過6顆各類雷達衛星升空。而在數據質量方面也取得了令人振奮的進展，SAR影像數據的分辨率可以達到5～10米級，而其空間分辨率可以達到光學遙感衛星可以達到的水平。在頻率方面，現今的雷達遙感系統已經從單一波段發展到多波段。與此同時，雷達遙感理論、技術和數據處理方法、手段和算法的日趨完善也為雷達技術的發展和普及提供了保證。經過近30余年的發展，特別是近10年來，雷達遙感已經從機載雙天線橫跨軌跡干涉測量，發展到機載、星載雷達單天線重復軌道干涉測量。而單天線并且在重復軌道上獲取同一地區的兩幅復值影像是相干的，這就是干涉雷達測量技術。另外一個重要原因是GPS技術的發展、普及和完善，特別是機載GPS技術的成熟，為雷達遙感和微波遙感的發展打下了有利的基礎和前提。GPS技術主要是解決了傳感器空間定位的問題，為高效地獲取地面的高精度的三維模型創造了基礎。雷達干涉測量能全天候、全天時地獲取地面的三維信息。美國于1991年采用基于GPS技術的機載InSAR傳感器進行了一次成功的實驗，使用那次試驗獲取的InSAR數據處理的結果，其高程精度達到了2m（平地），在山地達到了5～6m。加拿大遙感中心（CCRS）在1991年和1992年進行了兩次機載InSAR試驗，得到的試驗結果的高程精度達到了在平地為0.5～3m，在山地為3～5m左右。在歐洲的一些國家，例如德國、意大利、瑞典等，利用不同的雷達傳感器影像進行了不同的獨立試驗，試驗的結果同樣在1～5m的高程精度范圍內。InSAR技術的另外一個重要的應用是用于獲取地形的變形，前面討論過，InSAR技術充分利用雷達回波信號所攜帶的相位信息來計算地面的三維信息，利用D-InSAR數據可以精確測量地形表面的沉降等微小的變形。這一切說明了雷達遙感的巨大潛力和價值。人們已經可以預期，隨著雷達傳感器相關技術的日趨完善、GPS技術日趨普及，特別是歐洲空間局的伽利略計劃的成功運行，雷達遙感的使用將會更加普及。2007年6月15日，德國最新型雷達遙感衛星TerraSAR-X在俄羅斯位于Kazachstan的Baikonur發射中心發射成功。4天后，第一批雷達數據成功傳回到位于德國Neustrelitz的德國遙感數據中心（DFD）。發射后8周，衛星系統已經完全正常運行，并傳回了超過2500幅雷達圖像。TerraSAR-X雷達遙感系統提供了更有效的方法用于獲取地球表面的三維信息，為主動式遙感領域注入了活力。與其它雷達遙感傳感器相比，這種雷達系統提供了更高的分辨率、更靈活的數據獲取手段，圖2-4演示了基于TerraSAR-X雷達遙感影像生成DEM與航天飛機雷達系統獲取的同一地區DEM的比較。這些的結果充分顯示了TerraSAR-X雷達遙感系統的卓越性能。\o"Clicktoclosewindow"圖2-4：LasVegas地區TerraSAR-X獲取的DEM影像圖與SRTM的比較（Spotlight掃描模式，分辨率為1m，2007年7月7日，極化方式為VV2.4.2 航空激光雷達技術激光雷達（Lidar–LightDetectionandRangging–光探測和測距）和側視雷達一樣，是一種主動式遙感系統，這種技術包括使用激光脈沖定向照射地面并測量脈沖的往返時間，通過處理每個脈沖返回到傳感器的時間，從而可以計算出傳感器到地面或者地面上的目標之間的距離。用航空激光雷達來精確確定地面上的目標的高度，始于20世紀70年代后期。最初的系統是仿型設備，僅能獲得在飛行器路徑正下方的地面目標數據。這些最初的激光地形測量系統也是很復雜的，并且不適合于大范圍地獲取便宜的地面目標的三維數據，所以它們的應用受到了限制（主要受限于原始的激光數據的精確地理坐標的確定，因為沒有高效的航空GPS，也沒有高精度的慣性導航系統INS）。一個比較成功的早期航空激光雷達Lidar系統是用于測定水的深度，在這種情況下，第一次被反射的回波記錄了水面的信號，然后從水體的底部返回相對比較弱的回波信號，水的深度就可以從脈沖的回波傳播時間的差異中計算出來，見圖2-5。從水體底部反射的信號從水體底部反射的信號從水面反射的信號水體表面水體底部圖2-5：激光雷達Lidar海測原理使用航空激光雷達Lidar的優勢在于，對于地形和表面特征制圖時，可以補充和替代傳統的攝影測量方法，這些優點之一是可以獲取大傾斜地區、森林地區以及常規攝影測量手段難以獲取地區的三維信息。2.4.3 地面激光雷達技術地面三維激光掃描系統可以進行水平360度，垂直90度到270度的快速掃描，掃描分辨率可高達毫米量級。系統與數碼相機及GPS接收機結合應用，給出所測物體的絕對三維位置坐標和高分辨的彩色紋理信息，應用配套的處理軟件可以使得用戶能夠在短時間內對感興趣的區域，如樓房，橋梁，室內等獲取詳盡的、高精度的三維立體影像數據，也可根據用戶的需要，為用戶提供豐富的三維立體空間模型，立體影像等成果，并由此生成具備三維地理坐標的、真彩色的三維模型。地面三維激光掃描系統，顧名思義，系統選擇激光作為能源進行掃描測量。系統具有如下特點：（1）快速性：激光掃描測量能夠快速獲取大面積目標空間信息。應用激光掃描技術進行目標空間數據采集，可以及時地測定實體表面立體信息，應用于自動監控行業。（2）非接觸性：地面三維激光掃描系統采用完全非接觸的方式對目標進行掃描測量，獲取實體的矢量化三維坐標數據，從目標實體到三維點云數據一次完成，做到真正的快速原形重構。可以解決危險領域的測量，柔性目標的測量、需要保護對象的測量以及人員不可到達位置的測量等工作。（3）激光的穿透性：激光的穿透特性使得地面三維激光掃描系統獲取的采樣點能描述目標表面的不同層面的幾何信息。（4）實時、動態、主動性：地面三維激光掃描系統為主動式掃描系統，通過探測自身發射的激光脈沖回射信號來描述目標形態，使得系統掃描測量不受時間和空間的約束。系統發射的激光束是準平行光，避免了常規光學照相測量中固有的光學變形誤差，拓寬了縱深信息的立體采集。這對實景及實體的空間形態及結構屬性描述更加完整，采集的三維數據更加具有實效性和準確性。（5）高密度、高精度特性：激光掃描能夠以高密度、高精度的方式獲取目標表面特征。在精密的傳感工藝支持下，對目標實體的立體結構及表面結構的三維集群數據作自動立體采集。采集的點云由點的位置坐標數據構成，減少了傳統手段中人工計算或推導所帶來的不確定性。利用龐大的點陣和高密度的格網來描述實體信息，采樣點的點距間隔可以選擇設置，獲取的點云具有較均勻的分布。（6）數字化、自動化：系統掃描直接獲取數字距離信號，具有全數字特征，易于自動化顯示輸出，可靠性好。掃描系統數據采集和管理軟件通過相應的驅動程序及TCP/IP或平行連線接口控制掃描儀進行數據的采集，處理軟件對目標初始點/終點進行選擇，具有很好的點云處理、建模處理能力，掃描的三維信息可以通過軟件開放的接口格式被其它專業軟件所調用，達到與其它軟件的兼容性和互操作。（7）地面三維激光掃描系統具有同步變化視距的激光自動聚焦功能，可以改善實測精度及提高不同測距的散焦效應，有利于對實體原形的逼近。（8）系統隨機外置(或內置)的數碼相機可以協助掃描工作進行同步的監測、遙控、選位、拍照、立體編輯等操作，有利于現場目標選擇、優化及對復雜空間或不友好環境下的工作。在后期數據處理階段，圖片信息可以對數據進行疊加、修正、調整、編輯、貼圖。同時，軟件通過平臺接口對數碼相機提供參數校準、定向和控制數碼照片的采集功能。使得系統可在二維或三維環境下，以真彩色或色彩編碼形式顯示點云數據。同步現場操作的攝像校準功能，有利于現場發現問題現場解決，減少后處理工作的不確定性及返工。（9）地面三維激光掃描系統對目標環境及工作環境的依賴性很小，其防輻射、防震動、防潮濕的特性，有利于進行各種場景或野外環境的操作。系統提供的掃描視場以及低、中、高三種分辨率的掃描方式，可在振蕩模式下對物體重復掃描，為用戶提供不同精度的掃描選擇。掃描的次數決定采集全景空間內容的多少及后處理中數據拼接的次數，控制工作量的大小。用戶根據需要，控制掃描的次數，進而改善多次拼接點云所引起的空間變形及拼接的接縫誤差。（10）新型掃描系統集成了GPS接收機等高精度定位裝置，通過軟件平臺的內部坐標轉換，可以把點云數據直接輸出為大地坐標系下的坐標，從而方便生產需要。雖然地面三維激光掃描系統和近景攝影測量在操作上有許多相似之處，但二者的工作原理是不同的，因此它們在實際應用中也有不少的差別。（1）獲取的原始數據格式不同。掃描系統獲取的數據是由帶有三維坐標的點所組成的點云集合，可以直接在點云中進行空間量測；而攝影測量所得到的數據是影像照片，單獨的一幅影像照片則無法進行空間量測。（2）拼接各測站間數據的方式不同。掃描系統拼接時采用的是坐標匹配方式，而攝影測量則采用相對定向和絕對定向方式。（3）測量精度不同。采用激光掃描直接測量得到的點位精度高于攝影測量中的解析點，且精度分布相對均勻。（4）對外界環境的要求不同。地面三維激光掃描測量在白天和黑夜都可以進行，光亮度和溫度對于掃描沒有影響，而攝影測量的要求相對要高一些(如高溫會產生影像變形，夜晚無法進行攝影等)。（5）表面模型建立方式不同。在掃描系統中模型的建立可以直接對點云操作來實現。而在攝影測量中，首先需要選擇特定的軟件進行相片間的匹配處理，然后才能進行建模，建模的過程明顯要比點云操作復雜。（6）對實體紋理信息的獲取方式不同。地面三維激光掃描系統由反射激光脈沖信號的強度來匹配與真實色彩相類似的顏色或從數碼影像中獲取紋理信息，然后在模型上粘貼定制的紋理信息；而攝影測量則直接利用獲取的影像照片獲得真實的色彩信息。地面三維激光掃描技術作為正向建模的對稱應用，獲取的數據可以直接與地理空間信息庫連接，作為高精度GIS數據源。該技術在建筑物三維重建，在考古測量建檔、存檔，采礦業的地下勘測等不可接觸的實物測量方面有著廣泛的應用前景，尤其是對一些原始資料匱乏的古文物或遺址測量，能快速實現其數字化再現，達到保護和仿制等目的。該技術可以廣泛地應用生產生活中的各個相關行業領域，主要包括如下方面：（1）用于各種項目任務及產品的系統仿真、戰略規劃、實效推延、電腦模擬、預研預演、虛擬現實分析及評估。如工業測量領域內的模具的設計，加工，汽車的檢測以及對產品進行質量監控和技術上的改進。對緊急服務業的反恐怖主義，陸地偵察和攻擊測繪，監視，移動偵察，災害估計，對交通事故和犯罪現場進行反演，掃描生成交通事故現場正射圖，犯罪現場正射圖。動態的監測高危現場的實時變化，如森林火災監控，核電場監控，災害預警和現場監測等等。（2）用于實物原始三維數據及結構形態的現場采集、快速還原、改造改進、逆向三維重構、測繪計量、倉容計量、結構特性分析及逆向反求、校驗正向設計、各種結構特性測試及試驗等。如考古測量中的古跡保護，文物修復測量，遺址測繪，贗品成像，現場虛擬模型建立，現場保護性影像記錄以及土石方計算等應用以及實現對城市的環保評估和三維虛擬城市的模擬和構架。（3）可用于改造工程中的工程規劃、吊裝、裝配、管道布線、方案評估、校驗、三維可視化管操作。如在工程建筑領域內的城市固定資產管理，公路測繪，鐵路測繪，河道測繪，橋梁、建筑物地基測繪，城市環保影響研究，三維虛擬城市及建筑物模擬與設計藍圖進行動態比較，現場實物、場地的實景制圖及線路測量等。（4）可用于設施的變形、老化、維修、檢測、監測、更新、加工、仿制、結構分析、強度分析、加載分析、碰撞試驗等監測任務中。如地質研究應用領域的斜坡穩定性監測，廢料裝卸及處置測量，礦場勘測，發展分析，地下礦場勘測分析，回收監控測量，地表植被測繪等。（5）可用于企業可視化管理及虛擬現實應用，如訓練、培訓、試驗、虛擬制造、虛擬設計、虛擬視景、GIS展示等應用。如用于電影電視產品的設計，為演員和場景設計精彩的鏡頭以及3D游戲的開發等。（6）可用于設施的二維制圖還原及無紙化操作。如對陳舊設施、年久失修的設施、數據缺損的設施、老化變形的設施等實現重建，提供城市大比例尺GIS數據源等。§2.5 多傳感器集成空間信息獲取技術多傳感器集成與融合技術從20世紀80年代初以軍事領域的研究為開端，迅速擴展到軍事和非軍事的各個應用領域：自動目標識別、自主車輛導航、遙感、GIS空間與屬性數據采集與更新、戰場監控、自動威脅識別系統、生產過程的監控、基于環境的復雜機械維護、機器人以及醫療應用等。多傳感器集成是指綜合利用在不同的時間序列上獲得的多種傳感器信息按一定準則加以綜合分析來幫助系統完成某項任務，包括對各種傳感器給出的有用信息進行采集、傳輸、分析與合成等處理。多傳感器集成的基本出發點就是充分利用多個傳感器資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補信息依據某種準則來進行組合，以獲得對被觀測對象的一致性解釋或描述。因為單個傳感器在環境描述方面存在著無法克服的缺點：首先，由于單個傳感器只能提供關于操作環境的部分信息，并且其觀測值總會存在不確定以及偶然不正確的情況，因此，單個傳感器無法對事件做出惟一全面的解釋，無法處理不確定的情況；其次，不同的傳感器可以在不同的環境下為不同的任務提供不同類型的信息，而單個傳感器無法包括所有可能的情況；最后，由于單個傳感器系統缺乏魯棒性，所以偶然的故障會導致整個系統無法正常工作，甚至會給重要的系統造成災難性的后果。多個傳感器不僅可以得到描述同一個環境特征的多個冗余的信息，而且可以描述不同的環境特征。在空間數據特別是三維空間數據采集和更新方面，傳統的測繪手段都存在一定的局限性。航空攝影測量與遙感雖然可以提供目標的空間信息、紋理特征等，但獲取的主要是建筑物的頂面信息，漏掉了建筑物立面的大量幾何和紋理數據；地面攝影測量只能獲取建筑物的立面信息；LRF(LaserRangeFinder)或LS獲取的距離圖像能較好地提供場景的三維描述，但數據含有較多噪聲，目前還難以提取形體信息及拓撲關系。不同的數據獲取手段之間往往存在互補性，因此利用多傳感器獲取多源數據采用融合方法來建立3D模型一直是人們關注的焦點。在這種認識的驅動下，利用多種空間數據采集手段，將各種空間數據采集傳感器進行集成的系統隨著計算機軟硬件技術的發展相繼推出。多傳感器集成空間數據采集系統是指利用多種空間數據采集傳感器進行全面高精度空間數據采集，為地理信息系統和三維空間數據的采集提供全面、可靠、高效的方式。通過GIS、GPS、RS結合的“3S”技術或通過“GPS+CCD+LS”等也可以構成一個集成的地面車載或機載航空數據獲取系統，利用專業建模工具建立模型，從而產生一幅逼真的數字景觀圖。多傳感器集成空間數據采集有以下優點：（1）擴展了系統的時間和空間的覆蓋范圍，增加了測量空間的維數，避免了工作盲區，獲得了單個傳感器不能獲得的信息；（2）提高了系統信息接受與處理的時間分辨率、空間分辨率；（3）提高了系統定位、導航、跟蹤的精度，通過GPS/INS的集成可以相互改正以提高定位定姿數據的精度；（4）由于引入多余觀測，多傳感器集成空間數據采集提高了系統工作的穩定性、可靠性和容錯能力；（5）有利于降低系統成本。由于傳感器集成系統已在體系結構上充分考慮了多傳感器集成的要求，提供了良好的軟、硬件及接口等開發因素，因此有利于降低系統成本；（6）可以進行大范圍快速數據采集，提高空間數據效率。隨著激光測距技術、成像技術、慣性導航技術、計算機技術和GPS技術等的發展以及社會需求的迫切性的增加而發展起來的多傳感器集成技術空間數據采集系統代表了對地觀測領域一種新的發展方向。車載測圖系統基本上屬于一種測量系統，主要用于與道路檢測等有關的領域。而機載系統的作業高度均在1000m以下，這樣是為了減少姿態測量裝置誤差、激光點在地面上的擴散范圍及其他幾種潛在誤差的影響。機載激光地形圖系統是以生成DEM為主的測量系統，可以用于以快速獲取DEM為主要目標的各個領域。多傳感器集成技術三維空間數據采集系統的另外一個發展趨勢是小衛星SAR技術。星載合成孔徑雷達(ASR)已經成為實用化的新型遙感技術手段，按業務操作方式向廣大用戶提供微波遙感圖像數據。作為空間對地觀測系統的有效工具，SAR的技術目前還存在高空間分辨率和高重訪率兩者不能兼顧的嚴重缺陷。恰恰是一些重要的應用項目，例如戰區偵察和自然災害監測等，強烈要求對地觀測系統實現這兩者性能的兼顧。可以以較高的重訪率獲取同一塊地面的高分辨率雷達圖像(SAR)。目前大家都認識到，解決這一題的最為合適的方法是采用由多顆裝載SAR遙感儀的小衛星構成SAR星座。利用高性能小型SAR來獲取高分辨率圖像，利用小衛星星座提高攝取地面圖像的重訪率。

第三章 遙感數據獲取技術在公路規劃設計中應用概況§3.1 公路規劃設計中數據的分類公路是一條帶狀的三維空間體。它的中心線是一條空間曲線，這條中心線在水平面上的投影（平面曲線）簡稱為公路路線的平面。沿著中心線豎直剖切公路，再把這條豎直曲面展開成直面，就成為公路路線的縱斷面。中心線上任意一點處公路的法向剖面稱為公路路線在該點處的橫斷面。公路路線的平面、縱斷面和橫斷面是公路的幾何組成部分。公路路線設計主要是研究公路平面、縱斷面和橫斷面的設計原理和方法。 平面設計： 由于自然條件的限制（主要是地形、地質和地物），公路從其始點到終點在平面上不可能是一條直線，而是由許多直線段和曲線段（包括圓曲線和緩和曲線）的組合而成。公路平面設計的任務是就是著重解決公路平面的線形設計問題，即在符合政策的原則下，既要滿足行車要求，又要結合自然條件正確地確定線路的平面位置。直線是兩點間最短的線形，一般說來，采用直線線