.遥感飞机与航空遥感系统[J].中国科学院院刊,2012,(Z2):124-133.

遥感飞机与航空遥感系统

        航空遥感系统是以飞机为载体的对地观测系统，在飞行中获取陆地、海洋和大气的观测数据，经数据处理形成遥感信息。主要包括3个部分：①高性能航空遥感飞行平台；②航空遥感信息获取系统；③航空遥感数据综合处理与管理系统。

        为推动我国遥感事业的发展，经中科院批准于1985年5月成立中科院航空遥感中心，1986年在国家计委和中科院的支持下，配备了两架性能先进的美国赛斯纳“奖状S/II型”（CITATION S/II）高空遥感飞机。航空遥感飞机运行基地设在北京良乡机场，机场建有设备齐全的机库和工作间。飞机最大航程3 300公里、航高13 000米、起飞重量1.4吨、航速746公里/小时，配有精确的GPS导航和POS等系统，具有全天候飞行作业的能力。先进的航空飞机平台实现了遥感设备选择的系列化和模块化，可装载航空照相机、成像光谱扫描仪、成像雷达等多种遥感传感器，并具有吊仓采集大气采样和酸雨样本等功能。

        在遥感飞机投入运行后，由中科院航空遥感中心牵头组织了国内20多个科研单位联合攻关。在5年时间内，自主研制完成了一套以遥感飞机为高空平台，集成了包括：可见光、近红外、热红外和微波光谱波段的13台（套）遥感仪器，构成了中国第一套最为先进和规模最大的航空遥感技术系统。该项目获得中科院科技进步奖特等奖，国家科技进步奖二等奖。

        1980年中科院正式向国家有关部门提出配备高空遥感飞机，1982年国家经委经防[82]131号文批复：“科学院等部门申请购置飞机问题，由于国内研制的飞机性能难以满足，故可购置几架以应急需”； 1984年，国家计委计科（贸）[1984]2441号文批准中科院引进两架高空遥感飞机；

        1985年5月，中科院航空遥感中心成立； 1985年11月4日，胡耀邦总书记为遥感飞机题写“中国科学院航空遥感中心”；

        1988年，中科院航空遥感中心并入中科院遥感所；

        1994年，遥感飞机被列入中科院8大科学装置；

        1998年，获国家颁发的甲级测绘资质；

        2007年，中科院航空遥感中心并入中科院对地观测与数字地球科学中心。

        遥感飞机为中科院的遥感技术的研究提供了实用化的高空平台。中科院航空遥感中心负责管理遥感飞机运行已有近20年的历史，造就形成了一支作风过硬的专业化飞机运行管理与技术队伍，建立了完善的指挥、飞行、地面保障体系，保证了遥感飞机高效、安全运行。曾多次受到国家表彰与奖励，航空遥感中心曾被国家人事部和中科院联合授予“先进集体”称号。航空遥感中心在长期飞行实践中，已逐步与军队、民航系统建立了全国空域协作网络，保证了遥感飞机的应急反应能力和运行效率。

        航空遥感系统以变化的陆地、大气、海洋等为探测对象，多遥感设备综合集成，为地球系统科学研究提供综合观测数据，是对地表物质的遥感信息机理、应用模型和参数验证等遥感信息科学研究的有效技术手段。其主要任务是：促进我国地球系统科学的研究；支撑我国遥感技术的发展；有效应对各类突发事件；为经济建设和社会发展提供基础数据。

        遥感飞机运行以来，应用领域不断扩大，合作部门不断扩展，作业范围包括全国28个省、市以及大江大河、青藏高原。具不完全统计，累计承担了近百项各种类型的航空遥感应用项目，领域涉及：农业、林业、城市、矿产、油气、环境、海洋、灾害、交通、测绘、国防等，飞行面积超过200万平方公里。

        遥感飞机承担了国家科技攻关项目黄土高原、“三北”防护林等大型遥感应用工程项目的遥感飞行，获取的遥感数据直接用于国家决策。为配合国家矿产资源调查，遥感飞机装载多光谱扫描仪和光学航空相机多次飞往新疆的戈壁、沙漠无人区及东北的大兴安岭原始森林等进行大范围金矿、多金属矿、油气资源调查和公路选线等航空遥感应用试验，取得一批重要成果。同时资源环境的科学家根据油气、矿产遥感分析研究，光谱与地学特征提出了遥感仪器的设计指标和波段选择，由此建立了遥感技术与应用紧密结合的机制，为中科院遥感仪器研制的实用化起到了关键作用。遥感飞机7次进入西藏高原飞行作业，完成了珠穆郎玛、唐古拉山地区；雅鲁藏布江、拉萨河、年楚河流域及拉萨市等航空遥感飞行，为中科院开展青藏高原资源环境研究和全球变化研究提供了大批宝贵的科学数据，在2005年国家组织对重新测量珠峰高度的项目中，即采用了遥感飞机获取的珠峰遥感图像。

        遥感飞机面向国家重大需求，为国土资源调查及基础测绘等提供了大批高质量的航空遥感数据，完成了山西省全省16万平方公里的彩红外遥感飞行，成为全国第一个以省为单元开展航空遥感的省份。遥感成果及时应用于山西省的土地利用、水土保持、农业区划、农业种植结构等，为山西省的建设起到了重要作用。与此同时，遥感飞机还承担了：东胜煤矿环境调查、海南岛高速公路选线、三峡水库建设、黄河中下游水利工程等国家重点建设项目的航空遥感调查；在北京、上海、天津、郑州、太原、拉萨、长春、呼和浩特、香港等成功进行了遥感飞行。遥感飞机承担了国家基础测绘15个测绘区的航空摄影项目，获取数十万平方公里的高分辨率遥感影像，处理后的遥感资料全部进入国家地理信息中心数据库，面向全国开放服务。

        在国家科技攻关项目的支持下，遥感飞机连续8年对北京奥运地区进行了环境遥感监测飞行，积累了丰富的高分辨率的航空遥感环境变化监测系列资料。开展了奥运规划区及周边地区的环境、建设、绿化、交通等监测与分析研究，以图件、年报、季报的形式定期上报奥组委，为奥运场馆的规划建设及区域内环境保护与规划提供科学依据。

        为解决我国西南（云、贵、川等）多阴雨地区长期无法获取光学遥感信息的难题，遥感飞机装载高分辨率合成孔径雷达首次在四川自贡地区开展大范围的雷达测绘应用飞行试验，测绘面积近1万平方公里，取得了初步成果。为实现全天候遥感技术应用奠定了基础。

        遥感飞机配合国家“863”项目，在山东地区完成了“遥感应用示范工程总体技术研究”航空遥感综合飞行实验，成功地开展了干涉雷达的应用实验飞行，首次获取大面积的三维雷达图像。

        为满足基础研究对航空遥感信息源的需求，为遥感科学国家重点实验室提供了大量的科学实验，在雷达遥感研究方面，开展了南方水稻估产、地质灾害、环境、考古等飞行实验。在高光谱研究方面：开展了矿产与油气资源、城市等飞行实验。在遥感科研人员的积极建议下，利用遥感飞机进行了新一轮的“腾冲航空遥感综合实验”，系统总结了航空遥感20年取得的成果。

        在遥感实验场建设阶段，装载国内最先进的光学和微波传感器在实验场成功开展了两次飞行实验，并在“十一五”期间结合“863”计划、航天论证、航空遥感系统建设等项目，在遥感实验场进行长期的航空遥感实验，全方位地为遥感基础研究提供实验支持。

        2009年配合国家重点基础研究发展计划（“973计划”）项目“空间观测全球变化敏感因子的机理与方法”，遥感飞机搭载多光谱和高光谱相机，再次飞临青藏高原，获取近红外与高光谱航空数据达1.2TB，这些数据为建立我国特有的全球变化遥感监测系统，提升我国空间观测全球变化敏感因子的理论与技术研究水平，树立我国在全球变化研究及全球协同遥感观测的地位奠定了实验基础。

        遥感飞机为我国历次重大洪水灾情快速遥感监测做出了突出贡献。从1986年首次对东辽河进行洪水监测以来，坚持每年汛期为洪水应急监测做好充分的技术准备。曾先后对太湖流域洪水；广东西江、北江流域的重大洪水；河南黄河花园口；洞庭湖；鄱阳湖等水灾和辽宁、吉林省大面积洪水进行了快速航空遥感灾情监测飞行，在十分恶劣的天气条件下获取到水灾遥感图像。为及时抗洪抢险，灾后重建家园提供科学依据。

        1998年，我国长江流域发生百年不遇的特大洪水，遥感飞机在第一时间飞往受灾最严重的湘、赣两省。快速对洞庭湖和鄱阳湖地区的洪水灾情飞行，为抗洪抢险发挥了重大作用，受到了国家及灾区政府的表彰。2003年淮河流域发生了自1991年以来最大的一次洪水。遥感飞机紧急出动飞赴淮河流域，圆满完成了淮河洪灾航空遥感飞行任务。灾害监测成果得到了国家防总等部门的较高评价。温家宝总理、曾培炎副总理、陈至立国务委员、路甬祥院长等分别做了重要批示。

        2008年5月12日，汶川地震发生后，中科院紧急启动雷达和光学两架高空遥感飞机获取高分辨率数据，构成空、天、地一体化监测网络，形成了全天候、全天时震灾观测体系，获取灾区0.5米分辨率光学图像5.3TB、飞行覆盖面积达2.37万平方公里，获取灾区0.5米分辨率雷达图像14.9TB、飞行覆盖面积达3.9万平方公里；2009年5月，值汶川地震一周年之际，两架航空遥感飞机再次飞赴汶川灾区，历时25天，针对灾区环境研究以及灾后重建开展高分辨率光学与雷达遥感科学试验，获得高分辨率光学航空数据约2.5TB，X、L和C波段高分辨率雷达航空数据约3TB。两次飞行为灾区应急监测、灾情评估和灾后生态环境变化、恢复评估、灾后重建等需求提供了丰富的科学数据。

        北京时间2010年4月14日7时49分，青海省玉树藏族自治州玉树县发生7.1级地震。15时30分，B-4101遥感飞机克服高原地形和气象复杂等困难飞抵玉树上空，开始航空摄影作业,成功获取了地震灾区第一批空间分辨率为0.33M的高分辨率遥感图像。经14日、15日和16日连续3天飞行作业，第一时间获取玉树地震灾区主要受灾区域的全部遥感资料。本次救灾飞行共飞行时间13个小时，获取数据约6T。及时为国家和各级部门做好抗震救灾工作提供灾情数据。

         玉树地震发生后不到24小时，温家宝总理在办公室看到遥感飞机获取的地震监测遥感图像并听取郭华东主任的遥感监测情况汇报；

        玉树地震遥感工作得到了全社会几乎所有的重要平面和网络媒体的广泛报道和社会工作的广泛参与。在玉树地震期间，项目组在新浪网站上发布的31张灾区高分辨率航空遥感影像图累计总浏览量逾2 000万次，对地观测中心网站访问量达50余万次。

        遥感飞机在玉树地震遥感监测中，应急反映能力创历史最好水平，对地观测中心被中共中央、国务院、中央军委授予“全国抗震救灾英雄集体”称号。

        目前，遥感飞机已列为国家用于重大自然灾害及突发性事件遥感应急监测的主要技术系统。

        传感器是遥感系统的核心技术，一直是发达国家向我国限制出口的技术。航空遥感系统已成为我国开展遥感设备自主研发、突破技术壁垒的空中实验室。从“八五”计划至今，在中科院重大项目、国家科技攻关、“863”项目等的支持下，实验了新一代航天、航空遥感器和校飞试验，包括国家航天计划中的中巴资源卫星CCD相机；对地观测军事卫星的微波传感器等重要星载遥感器，这些经过在遥感飞机上校飞的仪器，在发射到太空后运行状态良好，可靠性得到了大幅提高。

        始终坚持面向国家应用需求，不断改进遥感仪器的性能指标，以实用化的目标，在推动遥感设备的技术进步方面发挥了不可替代的作用。

        航空遥感技术系统中以成像光谱仪和合成孔径雷达系统等为主体的机载遥感仪器，长期以来由于不断开拓新的应用领域，在遥感飞机上进行了数百次的航空遥感试验，使其在技术上得到快速发展。成像光谱仪已从过去的3波段提高到128波段。合成孔径雷达系统从单极化发展到多极化，分辨率从10米提高到0.5米，图像由光学模拟记录发展为数字实时成像，技术上实现突破性进展。目前，这两项传感器的技术性能已接近国际先进水平，并以成套技术方式，成功出口到马来西亚，在遥感技术产业化和经济效益方面取得重大进展，表明我国自行研制的航空遥感高技术产品，已在国际上占有一席之地。在国家“863”计划等支持下，航空遥感技术系统不断创新，新型遥感器陆续问世，双天线干涉雷达系统、大面阵多光谱数字航空相机等飞行试验获得成功，应用示范项目全面展开。

        高空平台——遥感飞机，为配合各类航空遥感飞行试验，除需要保持高效率运行外，平台本身不断进行技术升级改造。为满足机载传感器的空中飞行姿态记录，在科研人员的努力下，成功利用飞机上的LTN-72惯导中空中实时定位与姿态信息，使遥感飞机具备了承担高精度航空遥感飞行的技术条件，先后承担了多项大型星载传感器的航空模拟飞行试验，均取得较大成功，保证了星载遥感器发射到太空后能够运行正常。在中科院支持下，遥感飞机上配备了先进的GPS导航与管理控制系统、姿态测量系统等关键设备，提高了遥感飞机的导航、定位和控制管理等性能。基本达到飞行设计和操作自动化，提高了飞行精度和成果水平。

        目前，遥感飞机已由装载单一遥感仪器发展到多种遥感仪器同时飞行作业。如：同时装载两台航空照相机，使用不同镜头或胶片进行航空摄影；同时装载成像光谱仪和航空照相机等，一次飞行中同时完成获取两种以上遥感信息。并可根据需要加载CCD数字照相机、摄像机；激光测高仪等，使飞行效率大幅提高。

        2010年1月，国家发改委批准并投资航空遥感系统建设。建设内容包括遥感飞机平台、遥感信息获取系统、遥感数据综合处理与管理系统以及配套的土建工程。项目建设总经费8.74亿元人民币。航空遥感系统的科学目标：获取我国陆地、大气、海洋电磁波信息和形态信息；开展我国地球系统区域要素与变化规律的研究和地球系统科学研究，在地表物质的遥感信息机理、应用模型和参数验证等遥感信息科学方面获得原始创新成果；为发展具有国际领先水平的遥感设备，满足国家在空间信息获取技术上的急需，为国家地球观测计划做出贡献。

        在科学发展方面，航空遥感获取的空间数据是支持地球系统科学发展和地球环境变化研究的重要数据源，是对地球系统过程与资源、能源、环境和灾害研究的重要信息来源。

        利用航空遥感系统可对我国陆地、大气、海洋进行观测，获取并积累其电磁学、形态学及地球物理学的多维观测数据和信息，将这些数据信息与卫星和现场观测获取的数据信息同化与融合，立足我国开展气溶胶与光学厚度；海平面下降、冰覆盖面积、湖泊减少；土地资源的保护和恢复、沙漠化；居民区分布与生态要素变化等地球系统区域要素与变化规律的研究、地球系统响应研究，为国家经济社会与资源环境和谐发展提供重大基础性信息支持，促进人类对地球的认识及人与自然的协调发展。

        我国幅员辽阔、环境复杂多样，在发展高效农业、土壤质量监测、维护边境安全、海域资源监测以及城镇发展、生态环境保护、东西部均衡发展、重大自然灾害监测等诸多方面迫切需要精确、定量的科学数据和时空变化规律认知。我国当前已经建成覆盖全国的生态环境网络、气象台站网络、水文监测网络等，形成了与卫星监测相结合的地球环境监测体系。“航空遥感系统”的建设将极大地提升我国对地球系统的观测能力，为国家地球观测计划和地球系统科学的发展做出贡献。

        航空遥感系统可成为我国遥感技术发展的“空中实验室”。利用“航空遥感系统”，探索电磁波与地表物质的相互作用机理；分析遥感信息特性与地学、宏观生物学、生态与环境科学之间的相互关系；服务于新型对地观测技术发展、突破国外技术壁垒，促进我国遥感设备技术创新和遥感应用领域的开拓。

        航空遥感系统可成为我国天空地一体化的遥感实验平台，开展航天遥感设备实验与应用实验。通过航空试验验证及其获得的模拟数据，在卫星立项前的技术可行性论证、研发阶段的航空定标及应用数据获取中，支撑卫星系统与地面应用系统的建设；有力地支持我国航空航天对地观测系统和技术的创新跨越式发展。

        ● 作为我国民用高分辨率空间遥感数据主要来源；

        ● 承担国家基本地图测绘作业的部分任务；

        ● 有力支持国家的一系列大型发展计划的实施；

        ● 为国家的城市化发展提供数据保障；

        ● 成为我国电子政务建设重要信息支撑系统；

        ● 成为国家环境和灾害监测的信息平台。

        相对而言，目前我国遥感产业化水平仍明显落后于GPS和GIS的产业化水平，其主要原因在于，不能及时获取适用的遥感数据，航空遥感依然停留在谁使用航空遥感数据谁组织获取航空遥感数据的初级阶段，不能形成稳定的、按需获取航空数据的渠道。有些地方采用常规的遥感设备很难获取合适的遥感数据，如西部大部分地区，必须采用SAR和干涉SAR新型遥感设备。而在发达地区，由于飞行平台的性能有限等原因，一次飞行只能获取有限的数据，数据品种单一，很难满足实际应用的具体要求。此外，我国近年来研制了不少新型的航空遥感设备，但因航空遥感飞行平台的不足，限制了其推广应用，阻碍了我国航空遥感的产业化进程。

        航空遥感具有按需求获取数据、灵活机动、新型遥感设备更换简便等特点，航空遥感系统的建设可大大促进我国遥感设备和遥感数据的产业化水平，可较快解决我国社会发展中遇到的中、大比例尺数据专题应用问题，弥补星载遥感数据源的不足，尤其是城市发展和西部地区基础数据不足的问题。

        航空遥感系统配备了新型的遥感设备，其波段覆盖范围宽，一次飞行可获取多种遥感数据，大大缩短了数据获取的周期，减少了遥感数据获取的成本，可有效解决数据源不足的瓶颈问题。以此降低航空遥感数据应用的门槛，加速遥感数据在各部门和行业的应用；同时随着各种航空遥感数据在各行各业的应用和发展，应用需求会要求研制更新的遥感设备来解决实际应用中出现的问题，从而促进遥感设备的研制和应用。

        此外，航空遥感系统还可为我国新研制的航空和航天遥感设备提供极佳的综合试验平台，从而推动这些新型遥感数据的试验和应用推广，缩短遥感数据的产业化周期，提高其应用质量。

        总之，航空遥感系统作为国家科学研究的共享平台，将主要完成科学实验和国家航空遥感基础数据获取两大任务，并具有“科学实验”、“巡航”、“应急反应”、“订单”等运行模式。其运行单位为中科院对地观测与数字地球科学中心，飞行基地设置在石家庄机场。航空遥感系统将成为开展我国地球系统科学研究的有效技术手段，成为提高和发展我国遥感信息科学与技术的实验平台，成为我国信息化建设和国家安全的科学数据源，成为促进我国遥感设备、遥感数据以及遥感应用的产业化的空中载体。