基于LiDAR數據與數字相機快速生成正射影像技術研究

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字測繪產品，同時具有幾何精度、數學精度和影像特征，信息量大，內容豐富，直觀真實，應用前景廣闊［1］。傳統攝影測量的方法生產正射影像精度高，但生產周期長，費用高。隨著國民經濟和國防建設的快速發展以及獲取特殊突發性自然災害地區的第一手災情影像等諸多應急需求，傳統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，可用于快速獲取大面積三維地形數據、快速生成DEM等數字產品，LiDAR可以實現全天候對地觀測，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如森林地區，LiDAR可以在一定程度上穿透樹木遮擋，具有傳統攝影測量方法無法取代的優勢。在許多場合，激光雷達測量技術可以彌補現有其他航空傳感器的不足，通常將LiDAR與中幅數字相機集成在一起，同時獲取地表影像信息與地形數據［2－3］。

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

1 DSS/LiDAR系統原理與組成

DSS（Digital Sensor System）數字航攝相機是Applanix公司研發的航空型相機系統，與Riegl公司的LiDAR系統集成在一起，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射點到地面反射點（激光腳點）的斜距ρ，慣性導航系統（INS）測定飛行器在空間的姿態參數，GPS提供飛行器精確的位置信息，聯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系統的主要組成部分包括：①確定激光雷達信號發射參考點空間位置的動態差分GPS接收機；②測定掃描裝置主光軸位置、姿態參數的慣性測量裝置，一般采用慣性導航系統INS，也可稱為慣性測量單元IMU；③測定激光雷達信號發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數字相機，用于獲取對應地面的彩色數碼影像，用于最終制作數字正射影像；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系統及其IMU/DSS相機

2 正射影像制作原理與數據處理

DSS相機直接獲取地面數字影像，由于傳感器姿態或地形起伏等原因，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、地形起伏以及在圖像獲取和處理過程中產生的位置誤差，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，即數字正射影像（DOM）。

數字微分糾正是指根據有關的參數與數字地面模型，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插進行灰度內插運算，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數據；在數據后處理過程中，首先解算POS數據，并將提取后的LiDAR原始數據轉換成LiDAR點云；對DSS影像數據進行輻射糾正得到真彩色影像；利用航帶間重疊區域的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數據以及LiDAR提供的DEM數據，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數據處理流程

3 DSS相機與LiDAR設備檢校

高精度的正射影像制作需要高質量影像與地表三維數據，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相機的內方位元素：焦距F、像主點、鏡頭畸變差。

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

1）在不同的高度飛行同一區域（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4角與中心布設控制點。

表1為DSS439相機系統在不同焦距、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系統中的點云數據提取DSM，對同步采集的數字影像進行數字微分糾正快速生成正射影像。

4.1 原始LiDAR數據預處理生成規則DSM

原始LiDAR點云數據按照時間采集和存儲，分布圖呈現離散的點云，直接處理相對困難，需要進行預處理，即針對原始點云數據進行重采樣，獲得通過距離進行采樣的規則格網數據。本試驗中首先將原始點云數據格網轉換成光柵圖像，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，采取數據內插濾波補值法，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 結合數字影像生成正射影像

同步獲取的數字影像與LiDAR點云數據，由于二者坐標系統一致，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學表面模型中得到的地面高程數據，對航攝數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，根據需要對正射影像進行調色處理，得到色調均勻、反差適中、紋理清晰的正射影像成果。

圖5為基于原始LiDAR點云數據獲取的數字表面模型，生成試驗區的數字正射影像成果。經過正射糾正后的數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點云數據獲取地表三維信息數據處理速度快、自動化程度高、作業安全，與DSS數字相機集成后可快速生成正射影像。本文對原始Li－DAR數據首先進行預處理獲取數字表面模型，再通過數字表面模型對以中心投影的航空數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、海岸工程等以及特殊突發性自然災害地區的第一手災區影像，快速生成正射影像技術能很好地發揮作用，在國民經濟和國防建設以及防災救災等領域具有廣闊的發展前景和應用需求。

然而，基于LiDAR數據快速制作高精度正射影像仍然處于研究開發階段，有許多問題需要進行深入的研究，比如系統誤差的模型建立、LiDAR系統的檢校、LiDAR激光點云數據的濾波分類算法、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，尤紅建，劉彤，等.機載激光測距－掃描成像制圖系統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］劉經南，張小紅，李征航.影響機載激光掃描測高精度的系統誤差分析［J］.武漢大學學報：信息科學版，2002，27（2）：111－117.