城市三维遥感信息的快速获取与数据处理

尤红建、苏林、刘彤、刘少创、李树楷、刘建明
（中国科学院遥感应用研究所，北京 100101）

摘要：三维遥感信息的快速获取和处理一直是遥感对地观测的目标之一，机载三维成像仪就是能够准实时获取地面三维遥感信息的技术系统。在国家863计划的支持下，经过原理样机和实验样机的研制及飞行实验，表明三维成像仪已经完全可以快速同步获取地面目标的地学编码图象和数字地面模型DEM，效率要比常规技术高很多。2000年10月我们利用机载三维成像仪在北京中关村科技园区进行了三维遥感飞行试验，三维成像仪的飞行了两个区域，共340平方公里，分别为14×12km和12×13km。飞行高度650米，作业的瞬时视场30度，航带间重叠为20%进行了航线设计。I区设计了46条航线，II区设计了47条航线，每条航带的覆盖宽度为320米左右。飞行获取的数据包括红外影像，激光测距，GPS数据及姿态数据等原始数据，经过数据的检查和规格化同步，用开发的三维遥感信息处理软件进行了快速处理，最终生成了测区的DEM和地学编码图象。同时利用获取的DEM数据，根据顾及均方根误差的自适应迭代阈值分割算法，有效提取出建筑物的边缘轮廓线。再通过设计的实用边缘规格化处理方法—多边形逼近、方位角分组、确定主方向、边缘线段规格化算法对建筑物轮廓线进行了规格化处理，使得它符合建筑物的本身特点，最终得到中关村地区的建筑物三维信息。
关键词：城市、三维遥感信息、三维成像仪、数据处理

1、引言
城市是人类生活十分重要的场所，也是经济和社会发展的中心。人们迫切需要应用遥感技术来解决城市发展中所遇到的一些问题。城市三维遥感信息是人们关注的焦点之一，因此利用遥感技术来快速获取城市三维遥感信息成为研究的热点问题之一。城市三维遥感信息可以广泛应用于城市的规划设计、城市空气污染控制和环境保护、通讯网络的布设、城市光照研究、城市化进程的监测以及城市的现代化管理，城市建筑物的三维信息也是虚拟城市的关键信息之一。目前由于经济和社会的发展步伐明显加快，使得城市的动态变化速度也大大加快，许多应用中都迫切要求高效提供城市三维信息。象上海浦东的陆家嘴金融贸易区是“一月一个样，一年大变样”，北京的中关村科技园区的建设速度也是日新月异。“数字城市”的发展更要求能高效地获取城市信息，采用一般的方法和手段如地面人工测量、航空摄影测量需要投入大量的人力、物、速度慢，效果也不理想，与城市发展速度不匹配。因此，用传统的手段很难满足应用要求。机载三维仪可以准实时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完成，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。在此，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，而不象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，并且必需依赖地面控制点来进行遥感的数据处理。
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，系统的原理见图1。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：
（1）        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。
（2）        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。
（3）        视距测量原理的实现。应用GPS、INS、SLR直接按几何原理测得地面的三维位置。
（4）        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。

图1：机载三维成像仪的原理

2、城市三维遥感信息的获取
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）时才发送信号给姿态测量装置来采集当时的姿态参数。GPS和姿态、激光测距数据的同步是通过时间进行同步的，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100纳秒）和序列号。各部件之间的功能连接见图2。

图2： 三维成像仪各部件的功能连接示意图

机载三维成像仪在工作时，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，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。


图3：三维遥感地面采样数据示意图

3、城市三维遥感信息的处理
三维遥感信息的快速处理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。再利用机载三维成像仪获取的DSM数据根据阈值分割和边缘规格化处理进行建筑物的自动提取。利用顾及均方根误差的自适应迭代阈值分割算法，可以有效提取建筑物的边缘线。接着对建筑物的边缘线进行规格化处理，以使建筑物符合它本身具有规则的他点，在边缘规格化处理中，主要采用了多边形逼近、方位角分组、确定主方向、边缘线段的规格化。最终就得到了符合建筑物特点的三维信息。  

图4：城市三维遥感信息的处理

4、北京中关村三维遥感试验飞行和处理
2000年10月10-19日机载三维成像仪项目组在北京中关村科技园区进行了三维遥感飞行试验，三维成像仪的飞行区域为I和III区，分别为14×12km和12×13km，共340平方公里。根据飞行高度650米，作业的瞬时视场30度，航带间重叠20%进行了航线设计。I区设计了46条航线，II区设计了47条航线。每条航带的覆盖宽度为320米左右，航线长度分别为14KM（III区）和13KM（I区）。
三维成像仪共飞行8个有效架次，每次飞行后用现场检测软件进行数据的快速检查和回放，发现有问题都在下一架次中进行了补飞。共获得了近100兆的GPS原始观测数据。三维原始数据为600兆，包括红外影像，激光测距，及姿态数据。
飞行实验时的具体参数如下：
飞行高度 650~700米
扫描方式：圆扫描
视场角：30度
扫描速率：20周/秒
成像波段：8~12.5微米（热红外）
激光波长：1.047微米
成像瞬时视场：3毫弧度
激光重复频率：10~10000Hz可变，实际使用为1320Hz
噪声等效温差（NETΔT）：0.08OC
成像探测器：HgCdTe（77K）
回波探测器：雪崩二极管
工作电流：≤30安培
    飞行的数据全部采用三维信息处理软件进行了快速处理，一般一个架次的飞行数据在2-3小时内就可以处理得到地学编码图像和DEM影像（部分地方由于漏飞而进行了人工修补），处理的成果获得了满意的评价。图5至图6显示了处理得到的地学编码图像和DEM影像，图7显示了利用城市DSM提取的建筑物并鸟瞰信息的效果。


图5：北京北部地区地学编码图像




图6：北京北部地区DEM



图7：北京城市北部地区的城市三维鸟瞰显示

参考文献：
[1]. 孙家广，计算机图形学，北京：清华大学出版社，1998.
[2]. 李树楷、薛永祺，高效三维遥感集成技术系统，北京：科学出版社，2000.
[3]. 尤红建、刘少创、刘彤等“机载三维成像仪数据的快速处理技术”武汉测绘科技大学学报，2000年25卷6期：526-530。
[4] 尤红建、刘彤、刘少创等，“城市DSM的快速获取及其三维显示的研究”，遥感学报，2001年5卷第1期：8-12。

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<P>怎么没有图像呀</P><P>能贴吗</P>

<P>我就是想看你的图像呢！</P>

<P><img src="images/post/smile/dvbbs/em02.gif" /><img src="images/post/smile/dvbbs/em02.gif" /></P><P>   要是有图片更好了</P>

好<img src="images/post/smile/dvbbs/em01.gif" />

kao这么多的心事装备，不愧是中科院呀！

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