三維遙感:使用儀器,設備組成,信息的獲取,信息處理系統,構成,設計及其功能,

機載三維成像儀能夠從空中同步獲取地面目標的三維位置和遙感光譜信息，實現定位、定性數據的一體化獲取。我們把三維位置和遙感光譜數據套合在一起的一體化遙感信息稱為三維遙感信息。

基本介紹

中文名：三維遙感
外文名：3D Remote Sensing
使用儀器：機載三維成像儀
實質：定位、定性數據的一體化獲取
三維遙感信息：三維位置和遙感光譜數據的信息
套用領域：測繪科學、地質資源、計算機科學

使用儀器,設備組成,信息的獲取,信息處理系統,構成,設計及其功能,

使用儀器

機載三維儀可以準實時地獲取地面的三維位置和光譜信息,可以保證從信息獲取到提供三維建築物信息在很短時間內而成,從而適應城市快速發展的要求。

機載三維成像儀能夠從空中同步獲取地面目標的三維位置和遙感光譜信息，實現定位、定性數據的一體化獲取。我們把三維位置和遙感光譜數據套合在一起的一體化遙感信息稱為三維遙感信息。也就是從三維的角度來獲取的遙感信息,而不像傳統的遙感技術僅能獲取二維位置上的遙感信息,回歸遙感信息本身的特點。過去由於技術的限制,一般只能獲取二維陣列的遙感信息,往往需要通過立體觀測或匹配來獲取地面三維信息,並且必須依賴地面控制點來進行遙感的數據處理。

設備組成

機載三維成像儀由GPS接收機、姿態測量裝置(即INS)、掃描雷射測距儀、掃描成像儀四個主要部分構成。GPS能得到三維成像儀在空中的精確三維位置; 姿態測量裝置能測出三維成像儀在空中的姿態參數; 掃描雷射測距儀可以精確測定三維成像儀到地麵點的距離。根據幾何原理就可以計算雷射點的三維位置。同時掃描成像儀同步獲取地面的遙感圖像,掃描成像儀和掃描雷射測距儀在硬體上共用一套掃描光學系統而組成掃描雷射測距- 成像組合感測器( AL-Hi ) ,從而保證地面的雷射測距點和圖像上的像元點嚴格匹配。系統原理如圖。

在事後處理中,這些具有三維位置的雷射像元點作為“控制點”來精確糾正所獲得的遙感圖像,從而快速提供地學編碼影像(正射影像)。此外這些雷射測距點也可以作為“種子點”來求出DTM。和常規的遙感器以及國外的機載雷射系統相比,機載三維成像儀具有如下的特點：

DEM和遙感圖像的準確匹配並同步獲取。在硬體上共用一套主光學系統,實現圖像數據和雷射測距數據的同步採集。
高效率。獲取的原始數據只要軟體處理就可以生成DEM和地學編碼圖像等三維數據產品,無須地面控制,效率比常規技術提高數倍以上。
視距測量原理的實現。套用GPS、IN S、SLR直接按幾何原理測得地面的三維位置。
既是位置測量系統,又是遙感系統。利用它可以得到地面的三維位置,又得到圖像,可以生成DEM和地學編碼圖像。

機載三維成像儀和國外的機載雷射掃描系統具有明顯的區別,它以硬體方式同步獲取三維位置和光譜數據,生成的數據產品也比國外系統多了地學編碼圖像,因此在數據處理中也和國外的機載雷射掃描系統有所不同。

信息的獲取

在機載三維成像儀獲取的數據中,雷射測距數據和圖像數據是在空間位置上嚴格同步獲取的,但由於雷射器的能量和重複頻率有限,因此不能在獲取每個像元圖像時都進行雷射測距,而是每隔固定數量的像元來獲取一個雷射測距值。根據飛行速度的不同,掃描的速率一般為每秒掃描20-40行。由於姿態測量裝置採集姿態數據的反應速率等原因,一般也只是在每個掃描行圖像的中間像元(稱機下點)時才傳送信號,以便姿態測量裝置採集當時的姿態參數。GPS和姿態、雷射測距數據的同步是與時間同步進行的, 即控制單元向GPS傳送一個同步信號,並在原始數據中存儲該同步信號的序列號, GPS接收到該同步信號後,存儲該同步信號的精確時間(精確到100ns)和序列號。

機載三維成像儀在工作時,由掃描雷射測距-成像組合感測器的中心控制單元控制各種數據的獲取。電機旋轉一周碼盤的計數為2048,正好對應於掃描鏡旋轉一周,即獲得一行掃描數據。每掃描一行圖像就向姿態測量裝置發出一個採樣信號,並在其裝置接收到這個信號後,立即採集當前的姿態參數，並通過接口傳送給掃描雷射測距- 成像組合感測器。

信息處理系統

構成

三維遙感信息處理的是規格化採樣的數據, 因而採用了規則格網的柵格數據結構來進行表示和處理, 這樣便於計算機的處理和存儲。

信息處理系統是以機載三維信息獲取系統採集的原始數據為數據源進行處理, 即把時間和位置上同步獲取的GPS 數據、INS 數據和雷射測距數據、掃描圖像數據進行處理, 以生成DEM 和遙感地學編碼圖像。機載三維成像儀在工作時, 中心控制單元控制各種數據的獲取。每掃描一行圖像就向姿態測量裝置發出一個採樣信號, 姿態測量裝置接收到這個信號後, 立即採集當前的姿態參數, 並通過接口傳送給掃描雷射測距—成像組合感測器。每掃描固定行, 控制單元向GPS 發出一個事件脈衝信號。GPS 能測出該脈衝的精確時刻, 並存儲在GPS 記憶體中。

這樣在每一條掃描線上, 按固定的間隔(以像元為單位), 有一個與此像元嚴格匹配的雷射測距點, 雷射測距點是待求三維地理坐標的點, 這個雷射測距點在地面上的位置正是與其同步匹配的掃描影像像元的地面位置, 雷射測距點的地理坐標即是這個同步像元的地理坐標。三維遙感信息的處理流程如圖所示。

設計及其功能

三維遙感信息處理系統是採用VC ++開發的以WINDOWS 為運行平台的軟體系統, 其模組構成如圖。

下面對各處理模組作簡要描述。

數據的分解和檢測。處理時首先將機載三維遙感數據按照設計的數據結構進行分解,分別得到原始圖像數據、GPS 數據、姿態數據和雷射測距數據。然後進行數據的檢測和回放。檢測的目的在於檢查各種數據是否完善和有效。對獲取的三維遙感數據進行檢測是很關鍵的, 因為它關係到各種數據是否可以進行處理而得到滿意的結果, 因而直接影響到三維遙感作業的成本和時間。
GPS 數據處理。利用地面基準站和飛機上流動站的GPS 原始數據進行相位事後差分處理, 可以得到高精度規格化的三維定位結果。規格化的GPS 結果還要經過脈衝時刻天線位置解算、每條掃描線機下點位置的解算、偏心矢量改正、高斯平面投影變換等處理過程才能計算出每個雷射測距點所對應的空中GPS 位置。由於四種數據並不是一一對應的同步關係, 一行掃描圖像對應分布著一定數量的雷射測距數據, 同時對應一組姿態數據, 若干行掃描圖像才對應一組GPS 位置數據。因此要得到每個雷射點對應的位置和姿態, 必須進行數據的內插處理。
三維直接對地定位解算。根據掃描方式, 按照三維成像儀的定位原理, 就可以逐個計算每個雷射採樣點的三維坐標。雷射點位置解算時要利用GPS 的三維位置數據、姿態數據及雷射測距數據, 按照空間三角幾何矢量關係快速解算出每個雷射測距點的三維坐標。
DEM 的生成。依據一條航帶內所有雷射採樣點的數據可以計算出坐標範圍, 加上DEM 格網採樣間隔, 就可以依次計算出所有雷射採樣點對應的格網坐標, 為了將DEM 數據和地學編碼影像數據進行嚴格的匹配,DEM 的採樣間隔和地學編碼影像的像元解析度保持一致, 這樣得到了粗略的DEM 。再對該DEM 進行內插, 以推求出鄰近沒有雷射採樣點的DEM值, 最終得到每條航帶的DEM 影像。
遙感圖像的糾正。三維成像儀掃描獲取地面圖像時, 由於雷射發射的重複頻率有限,因此並不是每個圖像像元都發射雷射來進行測距, 而是每隔一定的間隔發射一次雷射來獲取該像元的雷射測距值。一般每行圖像上均勻分布著若干個具有三維位置的雷射點, 圖像上對應的雷射採樣點作為控制點可以用來糾正原始圖像而得到地學編碼圖像。糾正中採用了多項式方法, 糾正後的圖像再進行灰度內插, 即可以得到地學編碼圖像。
系統誤差的探測和修正。三維成像儀處理的地學編碼圖像生成後, 還必須將多條航帶的地學編碼圖像拼接成整個測區的遙感地學編碼圖像和DEM 影像圖。但是由於系統誤差的存在, 使得航帶拼接出現問題, 因此要對航帶間的系統誤差進行確定和修正。
對於三維成像儀的飛行作業, 利用相鄰飛行相反的兩條航帶就可以確定出航帶間的系統誤差。由於相鄰兩條航帶之間有一定的重疊度, 在重疊區內必然會出現同名地物, 則它們的三維坐標從理論上講應該一致。系統誤差確定的依據是相鄰航帶的所有同名地物點的坐標應該相等, 如果坐標出現不等, 則為系統誤差。
利用航帶重疊區的同名點匹配算法就可以確定系統誤差, 但由於相鄰航帶的重疊區域為不規則區域, 而且在搜尋過程中, 相鄰航帶的重疊的區域大小也是變化的, 同時相鄰航帶重疊區內的灰度可能會存在系統偏差, 因此採用了重疊區域平均灰度差的最小的判斷原則進行重疊區的區域匹配。
航帶無縫拼接。對每條航帶的地學編碼圖像和DEM 影像進行系統誤差確定和修正後, 還必須將測區的所有航帶的圖像拼接在一起, 形成整個測區的地學編碼圖像和DEM 影像, 此時必須處理左右航帶在重疊區內出現的隨機誤差。拼接時要使測區影像拼接無縫, 灰度過渡自然, 就必須考慮重疊部分的左右兩條航帶的圖像數據。利用各航帶的影像坐標和尺度自動進行無縫拼接, 拼接過程中充分考慮重疊區的數據, 對重疊區的數據進行變權加權平均,保證拼接後的數據過渡平滑, 並根據測區內的影像進行統一的輻射校正, 保證整幅圖像的灰度一致性。最後還要對圖像進行平滑濾波和增強處理。
城市DEM 影像的三維顯示。對於城市的三維DEM 影像即城市DEM 影像, 採用一般的商用軟體和顯示方法很難將城市DEM 進行逼真的三維顯示(因為側面沒有信息, 也不同於自然地形)。

三維遙感