以下文章来源于石头人看遥感 ，作者stoneren299
今年2月中旬去云南昆明出差，靠窗的座位，我喜欢看旅途航线上窗外的景色。在航班要落地前，陆续看到起伏的山体，平地上成片的农业大棚，农业大棚与我此行的工作还有关系，我拿起手机对地面的农业大棚拍照。同时我也想起了2年前看到的民航客机遥感的论文，当时感觉很有意思，我倒是也有意愿成为一个民航客机遥感数据源的贡献者。
卫星遥感有较强的广域和局部监视能力，但在一些具体的应用中，特别是高频次监测需求上，还存在短板，往往无法同时做到高空间分辨率和高时间分辨率，当然未来可以通过小卫星星座解决。飞机是遥感的经典和主要平台之一，商业航班飞行高度远低于卫星，同时有较高的飞行密度，理论上可以同时做到高空间分辨率和高时间分辨率，但是其拍摄的照片可以实际用起来吗？商业航班遥感是否可行？
一、
什么是商业航班遥感
商业航班遥感是指使用执行商业航班任务的飞机作为平台，使用安装在商业航班飞机上的传感器和摄像机或乘客手持的相机或手机来收集遥感数据，如航空图像、视频和其他类型的地理空间信息。商业航班遥感主要有2类形式：（1）航班上靠窗的旅客拿手机拍照，并上传到云平台，拍摄的照片将会非常丰富，形成一种众包遥感；（2）在单个商业客货机上固定搭载成像传感器，对地面拍照并下传，形成较为稳定的高空间分辨率和高时间分辨率遥感图像数据。
商业航班飞机的飞行高度一般在10000米(见图1)。商业航班遥感是收集地理空间数据的一种强大且成本效益高的工具，但是需要注意的是，该数据采集方式必须符合当地法规和隐私法。
图1 遥感平台及其高度▼
二、志愿者模式商业航班遥感
志愿者商业航班遥感(Volunteered Passenger Aircraft Remote Sensing, VPARS) 由深圳大学地理空间信息团队汪驰升研究员课题组提出，指的是在商业(民航)客机飞行途中，通过手持相机或手机拍摄获取遥感图像数据。
当前每个乘坐飞机的成年人几乎都有智能手机，而且手机的摄像头拍照水准和像素越来越高，使VPARS成为可能。在航班上通过手机摄像头拍照，可以根据光照条件收集不同的遥感数据，白天拍摄生成传统的光学图像，而夜间获取夜光遥感图像。
汪驰升研究员在其论文中指出，飞机上有许多靠窗的座位，为了便于摄影测量处理，图像捕获最好遵循两个重要规则：（1）图像需要有一定的重叠量(>50%)，以确保它们能够成功对齐；（2）需要低入射角，以便在一张照片中包含更多的地面细节，并且密集点匹配会容易得多。当乘客坐在飞机的两侧时，VPARS具有侧视成像几何结构(见图2)。倾斜图像的一个缺点是图像上不同像元的分辨率是变化的，为了减少其对图像质量的影响，入射角应尽可能小。智能手机摄像头的平均视场约为60°，商用飞机通常飞行高度是9至11千米。根据倾斜成像几何结构，成像条带宽度约为17千米。假设条带宽度有3000个图像像素，地面分辨率约为3.3至6.6米。
图2 志愿者商业航班遥感成像几何示意图▼
与经典的航空遥感和摄影测量相比，VPARS方法具有成本低、覆盖范围广、空域限制少、重访周期短等优点。但是由于手机相机相比专业传感器成像质量较低、缺方位及定位参数、倾斜拍摄和被窗户遮挡等原因，VPARS图像的处理也比传统的航空遥感数据处理更复杂。汪驰升团队在其论文中提出一系列解决上述问题的处理方法并测试了这种创新的遥感模式，该团队使用手持iPhone X相机在商业航班上采集三个数据集(包括白天和夜晚的图像)，进行数据处理生产了类似传统遥感数据的产品(图3和图4)。
图3 谷歌地球图像(a)和VPARS正射镶嵌图像(b)对比图▼
图4 VPARS夜光图像(a)和VIIRS夜光图像(b)对比图▼
VPARS有低成本、短重复周期、不受小云层的影响以及高夜间图像分辨率的优势，在许多依赖遥感数据的领域具有巨大的潜力，例如应急管理、人类活动监测、资源管理、城市三维重建等。但现阶段VPARS方法仍有许多局限性和挑战：（1）由于消费级的相机，最终遥感产品的质量无法与专业产品相比，几何和辐射精度较低；（2）只能获得倾斜的图像，会带来不同的分辨率和不一致的质量；（3）在自愿地理信息采集中，数据由各种设备在不同的参数设置下采集，导致成像质量参差不齐，时间和空间覆盖不规则，这给进一步的应用带来了挑战；（4）大量VPARS非结构化数据的数据处理是复杂的，需要更灵活、自动化和复杂的算法。
三、平台模式商业航班遥感
平台模式商业航班遥感是指用商业固定翼载人或载货飞机作为机载平台搭载遥感传感器进行航空成像获取遥感数据。
欧洲克罗地亚的研究人员Toni Mastelic于2020年在Sensor期刊上发表了首次分析平台模式商业航班遥感适用性的论文《Aerial Imagery Based on Commercial Flights as Remote Sensing Platform(以商业航班作为遥感平台的航空图像)》。
“以商业航班作为遥感平台的航空图像”的论文考察了商业飞行作为机载遥感平台的利用情况。该论文模拟了一种情况，所有商业航班上的飞机都安装配备了一台用于空中摄影的摄像头。使用Flightradar24的欧洲航班数据集(包含一天内32459次飞越欧洲的商业航班)的飞行轨迹(见图5和图6)，模拟估计了商业航班航空图像采集数据的覆盖范围、时间和空间分辨率以及存储所有图像数据所需的存储容量。结果显示采集图像的欧洲覆盖率为83.28%(未考虑云)，平均每半小时进行1次航空摄影，空间分辨率为0.96米。这样的采集每天会产生2000万张图像或4PB的图像数据。文章还给出了欧洲不同国家/地区、单个商业航空公司和联盟以及三个不同型号专业相机的更详细结果。模拟的结果非常令人鼓舞，但是真实实施还有很大的挑战，包括完整的系统设计、协调航空公司安装相机、标准化、符合当地法规等。
图5 三架搭载不同相机的飞机的轨迹插值和视场多边形示例图▼
图6 全球飞行网络▼
四、总结
VPARS验证了一种在客机上使用消费者相机的新型自愿者遥感模式，这种模式操作简单，非常方便公众以众包方式收集遥感数据。VPARS方法的挑战是如何鼓励乘客共享图像和如何处理倾斜图像等，以及符合当地法规。如果这些问题得到妥善解决，这种新型遥感模式将产生大量免费遥感数据。
平台模式商业航班遥感的欧洲商业航线模拟验证表明方案在83.28%的欧洲覆盖范围内具有现实可行性，与卫星和无人机图像相比，其优势在于高覆盖率、0.96米的高空间分辨率和每半小时1次的高拍照频率。
志愿者模式商业航班遥感和平台模式商业航班遥感被中外研究者实践或模拟验证，技术上是可行的，最大的挑战是合规性，也许未来会有商业公司去尝试商业航班遥感。
参考文献
[1] Wang Chisheng, Wang Yongquan, Wang Leyang, et al. Volunteered remote sensing data generation with air passengers as sensors[J]. International Journal of Digital Earth, 2021, 14: 158-180.
[2] Mastelic T, Lorincz J, Ivandic I, et al. Aerial Imagery Based on Commercial Flights as Remote Sensing Platform[J]. Sensors, 2020, 20(6).
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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