范亞兵，王明海，潘靜原，任政圭

（61363部隊，陜西 西安 710054）

正射影像作為一種數(shù)字測繪產(chǎn)品，同時具有幾何精度、數(shù)學精度和影像特征，信息量大，內(nèi)容豐富，直觀真實，應用前景廣闊［1］。傳統(tǒng)攝影測量的方法生產(chǎn)正射影像精度高，但生產(chǎn)周期長，費用高。隨著國民經(jīng)濟和國防建設的快速發(fā)展以及獲取特殊突發(fā)性自然災害地區(qū)的第一手災情影像等諸多應急需求，傳統(tǒng)正射影像制作技術顯然很難滿足上述需求。

激光雷達技術（Light Detection And Ranging，Li－DAR），有些文獻也稱之為激光掃描（Airborne Laser Scanner，ALS），它是一種主動式對地觀測系統(tǒng)，可用于快速獲取大面積三維地形數(shù)據(jù)、快速生成DEM等數(shù)字產(chǎn)品，LiDAR可以實現(xiàn)全天候?qū)Φ赜^測，能直接獲取真實地面的高精度三維地形信息，在一些特殊困難地區(qū)如森林地區(qū)，LiDAR可以在一定程度上穿透樹木遮擋，具有傳統(tǒng)攝影測量方法無法取代的優(yōu)勢。在許多場合，激光雷達測量技術可以彌補現(xiàn)有其他航空傳感器的不足，通常將LiDAR與中幅數(shù)字相機集成在一起，同時獲取地表影像信息與地形數(shù)據(jù)［2－3］。

基于LiDAR數(shù)據(jù)與數(shù)字相機快速生成正射影像技術正是利用激光雷達和數(shù)字航攝相機這兩種技術優(yōu)勢，通過系統(tǒng)的硬件集成和相應的數(shù)據(jù)處理軟件快速生成正射影像，該技術與傳統(tǒng)技術相比較，制作成本降低，周期短，影像質(zhì)量可靠，極大地滿足了應急測繪的需求。

1 DSS/LiDAR系統(tǒng)原理與組成

DSS（Digital Sensor System）數(shù)字航攝相機是Applanix公司研發(fā)的航空型相機系統(tǒng)，與Riegl公司的LiDAR系統(tǒng)集成在一起，可以安裝在直升飛機或固定翼飛機上。

LiDAR對地觀測定位純屬幾何定位，利用激光脈沖測距儀可精確測定發(fā)射點到地面反射點（激光腳點）的斜距ρ，慣性導航系統(tǒng)（INS）測定飛行器在空間的姿態(tài)參數(shù)，GPS提供飛行器精確的位置信息，聯(lián)合可求出每個激光腳點精確的三維空間直角坐標［4］，如圖1所示。

圖1 LiDAR對地觀測原理示意圖

如圖2所示，DSS/LiDAR系統(tǒng)的主要組成部分包括：①確定激光雷達信號發(fā)射參考點空間位置的動態(tài)差分GPS接收機；②測定掃描裝置主光軸位置、姿態(tài)參數(shù)的慣性測量裝置，一般采用慣性導航系統(tǒng)INS，也可稱為慣性測量單元IMU；③測定激光雷達信號發(fā)射參考點到地面激光腳點間距離的激光測距儀；④成像裝置，一般為CCD數(shù)字相機，用于獲取對應地面的彩色數(shù)碼影像，用于最終制作數(shù)字正射影像；⑤工作平臺，可以是固定翼飛機、飛艇或直升機等航空器［5］。

圖2 機載LiDAR系統(tǒng)及其IMU/DSS相機

2 正射影像制作原理與數(shù)據(jù)處理

DSS相機直接獲取地面數(shù)字影像，由于傳感器姿態(tài)或地形起伏等原因，存在地物位置偏差及地物變形的問題。正射糾正是解決這一問題的有效途徑，可以有效地剔除由于傳感器和相機旋轉(zhuǎn)、地形起伏以及在圖像獲取和處理過程中產(chǎn)生的位置誤差，最終生成無變形、同時具有地圖幾何精度和影響特征的圖像，即數(shù)字正射影像（DOM）。

數(shù)字微分糾正是指根據(jù)有關的參數(shù)與數(shù)字地面模型，是目前最為有效、快捷的正射影像糾正方法，其制作原理是采用小區(qū)域作為糾正單元，通過糾正單元的實際地面高程來控制影像糾正元素，以此實現(xiàn)從中心投影到正射投影的投影變換。通常通過采用雙線性內(nèi)插進行灰度內(nèi)插運算，然后將像點的灰度值賦值給糾正后的像元素，依次對每個糾正元素進行運算處理，從而獲得糾正的數(shù)字圖像［6］。

航空攝影時機載LiDAR設備采集地表三維信息，DSS獲取影像信息，GPS/INS記錄飛行器位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)后處理過程中，首先解算POS數(shù)據(jù)，并將提取后的LiDAR原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LiDAR點云；對DSS影像數(shù)據(jù)進行輻射糾正得到真彩色影像；利用航帶間重疊區(qū)域的LiDAR點云可以進行LiDAR設備的檢校，檢校后重新生成LiDAR點云，再對點云進行濾波分類處理，編輯后生成DEM；結合POS數(shù)據(jù)以及LiDAR提供的DEM數(shù)據(jù)，無需空三處理即可快速生成正射影像，其流程如圖3所示。

圖3 DSS/LiDAR數(shù)據(jù)處理流程

3 DSS相機與LiDAR設備檢校

高精度的正射影像制作需要高質(zhì)量影像與地表三維數(shù)據(jù)，同時需要對設備進行檢校，即確定GPS、IMU、DSS相機與LiDAR之間的精確幾何關系［7］，需要檢校的參數(shù)有：①GPS、DSS相機、LiDAR與IMU之間的偏心分量（Lever Arm）；②DSS相機與LiDAR的 偏 心 角（Bore sight Misalignment）；③IMU與LiDAR的偏心角；④DSS相機的內(nèi)方位元素：焦距F、像主點、鏡頭畸變差。

DSS相機系統(tǒng)的檢校可以采用傳統(tǒng)攝影測量中的相機自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法，LiDAR系統(tǒng)誤差對定位結果的影響一般表現(xiàn)為系統(tǒng)性的，為了獲取高精度的三維地表信息，必須采取措施消除系統(tǒng)誤差，一般采用飛行檢校場方法消除系統(tǒng)誤差的影響。將多條激光掃描線覆蓋同一掃描區(qū)域時彼此重疊，航帶之間測定的同一點的坐標和高程會有所差異，根據(jù)這些差異建立相應的參數(shù)模型，利用最小二乘匹配技術求解這些參數(shù)，對檢校場飛行的要求如下：

1）在不同的高度飛行同一區(qū)域（如2km2），即不同的GSD；

2）4條南北方向，兩條東西方向（也可其他方案）；

3）地形需一定的起伏；

4）測區(qū)4角與中心布設控制點。

表1為DSS439相機系統(tǒng)在不同焦距、不同地面采樣間隔（GSD）時的檢校場航攝飛行參數(shù)方案設計；圖4為40mm鏡頭DSS相機檢校場航攝飛行方案示意圖，GSD分別為20cm與30cm。

圖4 檢校場飛行方案示意圖

表1 相機檢校場飛行方案設計

4 試驗與分析

本文通過從LiDAR系統(tǒng)中的點云數(shù)據(jù)提取DSM，對同步采集的數(shù)字影像進行數(shù)字微分糾正快速生成正射影像。

4.1 原始LiDAR數(shù)據(jù)預處理生成規(guī)則DSM

原始LiDAR點云數(shù)據(jù)按照時間采集和存儲，分布圖呈現(xiàn)離散的點云，直接處理相對困難，需要進行預處理，即針對原始點云數(shù)據(jù)進行重采樣，獲得通過距離進行采樣的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)。本試驗中首先將原始點云數(shù)據(jù)格網(wǎng)轉(zhuǎn)換成光柵圖像，然后采用最臨近距離的算法進行重采樣。為了消除圖像中的漏洞點，采取數(shù)據(jù)內(nèi)插濾波補值法，即利用像素周圍的3×3鄰域像素值平均值作為該像素值。

4.2 結合數(shù)字影像生成正射影像

同步獲取的數(shù)字影像與LiDAR點云數(shù)據(jù)，由于二者坐標系統(tǒng)一致，無需進行DSM與航片的圖像配準。同時通過正射影像軟件LPS可以直接利用POS解算的外方位元素值和從已知的數(shù)學表面模型中得到的地面高程數(shù)據(jù)，對航攝數(shù)字影像進行單片正射糾正操作，然后自動鑲嵌生成分幅正射影像圖，根據(jù)需要對正射影像進行調(diào)色處理，得到色調(diào)均勻、反差適中、紋理清晰的正射影像成果。

圖5為基于原始LiDAR點云數(shù)據(jù)獲取的數(shù)字表面模型，生成試驗區(qū)的數(shù)字正射影像成果。經(jīng)過正射糾正后的數(shù)字影像具有真實的幾何信息和詳細的地物信息，地物位置的偏離得到了糾正，為進一步建筑物分類提取、三維幾何模型重建以及建立城市的三維場景等奠定基礎。

圖5 結合航空影像生成的正射影像

5 結束語

機載LiDAR點云數(shù)據(jù)獲取地表三維信息數(shù)據(jù)處理速度快、自動化程度高、作業(yè)安全，與DSS數(shù)字相機集成后可快速生成正射影像。本文對原始Li－DAR數(shù)據(jù)首先進行預處理獲取數(shù)字表面模型，再通過數(shù)字表面模型對以中心投影的航空數(shù)字影像進行正射糾正、鑲嵌，生成消除投影差的真正射影像圖。尤其是在某些特殊應用中，例如林業(yè)、海岸工程等以及特殊突發(fā)性自然災害地區(qū)的第一手災區(qū)影像，快速生成正射影像技術能很好地發(fā)揮作用，在國民經(jīng)濟和國防建設以及防災救災等領域具有廣闊的發(fā)展前景和應用需求。

然而，基于LiDAR數(shù)據(jù)快速制作高精度正射影像仍然處于研究開發(fā)階段，有許多問題需要進行深入的研究，比如系統(tǒng)誤差的模型建立、LiDAR系統(tǒng)的檢校、LiDAR激光點云數(shù)據(jù)的濾波分類算法、以及如何利用LiDAR提取地物和建筑物三維重建等，這些都將是下一步所要具體研究的內(nèi)容。

［1］張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法［M］.武漢：武漢大學出版社，2007.

［2］王之卓.攝影測量原理［M］.武漢：武漢大學出版社，2007.

［3］尤紅建，江月松，李樹楷.機載遙感直接對地定位的誤差分析和精度估計［J］.測繪學報，1998，27（1）：86－91.

［4］江振治，馬曉峰，鄭浩，等.機載GPS天線與航攝相機偏移測定方法及相關問題的討論［J］.解放軍測繪研究所學報，2002，22（2）：9－12.

［5］劉少創(chuàng)，尤紅建，劉彤，等.機載激光測距－掃描成像制圖系統(tǒng)的定位原理與誤差分析［J］.武漢測繪科技大學學報，1999，24（2）：124－128.

［6］劉基余，陳小明，李靜年.GPS動態(tài)載波相位測量的航攝飛行試驗及其分析［J］.導航，1995（2）：76－91.

［7］劉經(jīng)南，張小紅，李征航.影響機載激光掃描測高精度的系統(tǒng)誤差分析［J］.武漢大學學報：信息科學版，2002，27（2）：111－117.