[科普中国]-三维遥感

机载三维仪可以准实时地获取地面的三维位置和光谱信息,可以保证从信息获取到提供三维建筑物信息在很短时间内而成,从而适应城市快速发展的要求。

机载三维成像仪能够从空中同步获取地面目标的三维位置和遥感光谱信息，实现定位、定性数据的一体化获取。我们把三维位置和遥感光谱数据套合在一起的一体化遥感信息称为三维遥感信息。也就是从三维的角度来获取的遥感信息,而不像传统的遥感技术仅能获取二维位置上的遥感信息,回归遥感信息本身的特点。过去由于技术的限制,一般只能获取二维阵列的遥感信息,往往需要通过立体观测或匹配来获取地面三维信息,并且必须依赖地面控制点来进行遥感的数据处理。1

机载三维成像仪由GPS接收机、姿态测量装置(即INS)、扫描激光测距仪、扫描成像仪四个主要部分构成。GPS能得到三维成像仪在空中的精确三维位置; 姿态测量装置能测出三维成像仪在空中的姿态参数; 扫描激光测距仪可以精确测定三维成像仪到地面点的距离。根据几何原理就可以计算激光点的三维位置。同时扫描成像仪同步获取地面的遥感图像,扫描成像仪和扫描激光测距仪在硬件上共用一套扫描光学系统而组成扫描激光测距- 成像组合传感器( AL-Hi ) ,从而保证地面的激光测距点和图像上的像元点严格匹配。系统原理如图。

在事后处理中,这些具有三维位置的激光像元点作为“控制点”来精确纠正所获得的遥感图像,从而快速提供地学编码影像(正射影像)。此外这些激光测距点也可以作为“种子点”来求出DTM。和常规的遥感器以及国外的机载激光系统相比,机载三维成像仪具有如下的特点：

DEM和遥感图像的准确匹配并同步获取。在硬件上共用一套主光学系统,实现图像数据和激光测距数据的同步采集。

高效率。获取的原始数据只要软件处理就可以生成DEM和地学编码图像等三维数据产品,无须地面控制,效率比常规技术提高数倍以上。

视距测量原理的实现。应用GPS、IN S、SLR直接按几何原理测得地面的三维位置。

既是位置测量系统,又是遥感系统。利用它可以得到地面的三维位置,又得到图像,可以生成DEM和地学编码图像。

机载三维成像仪和国外的机载激光扫描系统具有明显的区别,它以硬件方式同步获取三维位置和光谱数据,生成的数据产品也比国外系统多了地学编码图像,因此在数据处理中也和国外的机载激光扫描系统有所不同。1

在机载三维成像仪获取的数据中,激光测距数据和图像数据是在空间位置上严格同步获取的,但由于激光器的能量和重复频率有限,因此不能在获取每个像元图像时都进行激光测距,而是每隔固定数量的像元来获取一个激光测距值。根据飞行速度的不同,扫描的速率一般为每秒扫描20-40行。由于姿态测量装置采集姿态数据的反应速率等原因,一般也只是在每个扫描行图像的中间像元(称机下点)时才发送信号,以便姿态测量装置采集当时的姿态参数。GPS和姿态、激光测距数据的同步是与时间同步进行的, 即控制单元向GPS发送一个同步信号,并在原始数据中存储该同步信号的序列号, GPS接收到该同步信号后,存储该同步信号的精确时间(精确到100ns)和序列号。

机载三维成像仪在工作时,由扫描激光测距-成像组合传感器的中心控制单元控制各种数据的获取。电机旋转一周码盘的计数为2048,正好对应于扫描镜旋转一周,即获得一行扫描数据。每扫描一行图像就向姿态测量装置发出一个采样信号,并在其装置接收到这个信号后,立即采集当前的姿态参数，并通过接口发送给扫描激光测距- 成像组合传感器。1

三维遥感信息处理的是规格化采样的数据, 因而采用了规则格网的栅格数据结构来进行表示和处理, 这样便于计算机的处理和存储。

信息处理系统是以机载三维信息获取系统采集的原始数据为数据源进行处理, 即把时间和位置上同步获取的GPS 数据、INS 数据和激光测距数据、扫描图像数据进行处理, 以生成DEM 和遥感地学编码图像。机载三维成像仪在工作时, 中心控制单元控制各种数据的获取。每扫描一行图像就向姿态测量装置发出一个采样信号, 姿态测量装置接收到这个信号后, 立即采集当前的姿态参数, 并通过接口发送给扫描激光测距—成像组合传感器。每扫描固定行, 控制单元向GPS 发出一个事件脉冲信号。GPS 能测出该脉冲的精确时刻, 并存储在GPS 内存中。

这样在每一条扫描线上, 按固定的间隔(以像元为单位), 有一个与此像元严格匹配的激光测距点, 激光测距点是待求三维地理坐标的点, 这个激光测距点在地面上的位置正是与其同步匹配的扫描影像像元的地面位置, 激光测距点的地理坐标即是这个同步像元的地理坐标。三维遥感信息的处理流程如图所示。2

三维遥感信息处理系统是采用VC ++开发的以WINDOWS 为运行平台的软件系统, 其模块构成如图。

下面对各处理模块作简要描述。2

数据的分解和检测。处理时首先将机载三维遥感数据按照设计的数据结构进行分解,分别得到原始图像数据、GPS 数据、姿态数据和激光测距数据。然后进行数据的检测和回放。检测的目的在于检查各种数据是否完善和有效。对获取的三维遥感数据进行检测是很关键的, 因为它关系到各种数据是否可以进行处理而得到满意的结果, 因而直接影响到三维遥感作业的成本和时间。

GPS 数据处理。利用地面基准站和飞机上流动站的GPS 原始数据进行相位事后差分处理, 可以得到高精度规格化的三维定位结果。规格化的GPS 结果还要经过脉冲时刻天线位置解算、每条扫描线机下点位置的解算、偏心矢量改正、高斯平面投影变换等处理过程才能计算出每个激光测距点所对应的空中GPS 位置。由于四种数据并不是一一对应的同步关系, 一行扫描图像对应分布着一定数量的激光测距数据, 同时对应一组姿态数据, 若干行扫描图像才对应一组GPS 位置数据。因此要得到每个激光点对应的位置和姿态, 必须进行数据的内插处理。

三维直接对地定位解算。根据扫描方式, 按照三维成像仪的定位原理, 就可以逐个计算每个激光采样点的三维坐标。激光点位置解算时要利用GPS 的三维位置数据、姿态数据及激光测距数据, 按照空间三角几何矢量关系快速解算出每个激光测距点的三维坐标。

DEM 的生成。依据一条航带内所有激光采样点的数据可以计算出坐标范围, 加上DEM 格网采样间隔, 就可以依次计算出所有激光采样点对应的格网坐标, 为了将DEM 数据和地学编码影像数据进行严格的匹配,DEM 的采样间隔和地学编码影像的像元分辨率保持一致, 这样得到了粗略的DEM 。再对该DEM 进行内插, 以推求出邻近没有激光采样点的DEM值, 最终得到每条航带的DEM 影像。

遥感图像的纠正。三维成像仪扫描获取地面图像时, 由于激光发射的重复频率有限,因此并不是每个图像像元都发射激光来进行测距, 而是每隔一定的间隔发射一次激光来获取该像元的激光测距值。一般每行图像上均匀分布着若干个具有三维位置的激光点, 图像上对应的激光采样点作为控制点可以用来纠正原始图像而得到地学编码图像。纠正中采用了多项式方法, 纠正后的图像再进行灰度内插, 即可以得到地学编码图像。

系统误差的探测和修正。三维成像仪处理的地学编码图像生成后, 还必须将多条航带的地学编码图像拼接成整个测区的遥感地学编码图像和DEM 影像图。但是由于系统误差的存在, 使得航带拼接出现问题, 因此要对航带间的系统误差进行确定和修正。

对于三维成像仪的飞行作业, 利用相邻飞行相反的两条航带就可以确定出航带间的系统误差。由于相邻两条航带之间有一定的重叠度, 在重叠区内必然会出现同名地物, 则它们的三维坐标从理论上讲应该一致。系统误差确定的依据是相邻航带的所有同名地物点的坐标应该相等, 如果坐标出现不等, 则为系统误差。

利用航带重叠区的同名点匹配算法就可以确定系统误差, 但由于相邻航带的重叠区域为不规则区域, 而且在搜索过程中, 相邻航带的重叠的区域大小也是变化的, 同时相邻航带重叠区内的灰度可能会存在系统偏差, 因此采用了重叠区域平均灰度差的最小的判断原则进行重叠区的区域匹配。

航带无缝拼接。对每条航带的地学编码图像和DEM 影像进行系统误差确定和修正后, 还必须将测区的所 有航带的图像拼接在一起, 形成整个测区的地学编码图像和DEM 影像, 此时必须处理左右航带在重叠区内出现的随机误差。拼接时要使测区影像拼接无缝, 灰度过渡自然, 就必须考虑重叠部分的左右两条航带的图像数据。利用各航带的影像坐标和尺度自动进行无缝拼接, 拼接过程中充分考虑重叠区的数据, 对重叠区的数据进行变权加权平均,保证拼接后的数据过渡平滑, 并根据测区内的影像进行统一的辐射校正, 保证整幅图像的灰度一致性。最后还要对图像进行平滑滤波和增强处理。

城市DEM 影像的三维显示。对于城市的三维DEM 影像即城市DEM 影像, 采用一般的商用软件和显示方法很难将城市DEM 进行逼真的三维显示(因为侧面没有信息, 也不同于自然地形)。2