左志權，王柯，劉正軍，彭向陽，謝小偉，王銳

(1.中國測繪科學研究院，北京 100830；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣州 510080)

1 引 言

現(xiàn)代社會需要及時測繪和精細測繪[1]。從應用角度討論，及時測繪主要體現(xiàn)在災害應急響應、局部動態(tài)監(jiān)測等方面，而精細測繪則體現(xiàn)在大比例尺(1∶500或1∶1000)地形圖測制與更新、實體三維精細模型構建等方面。

現(xiàn)今世界衛(wèi)星遙感和有人駕駛的普通航空遙感已經(jīng)非常發(fā)達[2]，但在為經(jīng)濟社會服務的時效性和豐富性上頗嫌不足[1]。無人機低空航測系統(tǒng)具有不同于普通航空攝影測量的技術特點，如具有靈活機動、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低的特點，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨影像快速獲取方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠廣泛應用于重大工程選址、新農(nóng)村建設和應急救災等方面的測繪保障。另外，為了達到某些特殊工程應用目的，單一傳感器或數(shù)據(jù)源較難滿足應用需求，如：①電力線路安全巡檢不僅需要獲取電力線路走廊幾何位置信息，而且需要對電力線的異常發(fā)熱區(qū)域進行探測，還需對絕緣體放電異常進行有效診斷，因此，電力線路巡檢傳感器平臺可能需要同時集成可見光數(shù)碼相機、激光掃描儀、熱紅外相機、紫外相機等多種傳感器；②森林火災應急測繪為了能對災情進行定量、合理地評估，則同時需要集成熱紅外相機以及高分辨率可見光數(shù)碼相機；③在林業(yè)遙感應用中，多采用LiDAR波形特征提取生物量信息，而同時需借助可見光或近紅外光譜數(shù)據(jù)提取樹木分類信息等；④在日益增長的精細三維建模應用中，依靠高密度激光雷達點云獲取實體幾何結構信息。而光學數(shù)碼相機則能較好地獲取實體表面紋理信息，因此，滿足該項應用需求至少需要集成激光雷達掃描儀與多視角可見光數(shù)碼相機。

在攝影測量與LiDAR領域，從現(xiàn)有商業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所具備功能來討論，如德國Inpho[3]、法國PixelFactory[4]、芬蘭TerraSolid[5]，以及國內(nèi)的DPGrid[6]、PixelGrid[7]等應用系統(tǒng)均是針對單一類型傳感器(如針對機載/星載可見光影像、激光LiDAR點云)數(shù)據(jù)源研發(fā)的后處理軟件，目前還沒有推出多傳感器聯(lián)合數(shù)據(jù)處理的商業(yè)系統(tǒng)。因此，開展研發(fā)多傳感器數(shù)據(jù)聯(lián)合處理軟件系統(tǒng)本身具有較強的前瞻性和先進性。

本文以激光雷達、可見光數(shù)碼相機、熱紅外及紫外視頻攝像機等4種傳感器集成處理為例，重點討論無人機多傳感器集成數(shù)據(jù)處理所面臨的關鍵技術與難點，重點聚焦在多傳感器幾何數(shù)據(jù)處理框架設計以及質量控制這一具體問題上，對多傳感器數(shù)據(jù)處理設計模式、流程控制以及幾何配準檢校等問題進行深入討論，并對后續(xù)技術發(fā)展趨勢與應用前景進行展望。

2 處理系統(tǒng)框架

2.1 系統(tǒng)功能設計

如果以生產(chǎn)測繪級產(chǎn)品為目標導向，針對多傳感器幾何數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行功能設計，可概略分為三個部分：航空光學影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、機載LiDAR點云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及視頻數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。從數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式來講，LiDAR點云能直接獲取物體表面幾何骨架模型，屬于基礎核心數(shù)據(jù)源，而光學影像與視頻數(shù)據(jù)則能通過不同的大氣窗口獲取實體表面紋理信息。因此，多傳感器幾何數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應以GPS/IMU為參考數(shù)據(jù)源，不同傳感器與GPS/IMU間的安置檢校配準為關鍵技術手段，最終面向生產(chǎn)基礎測繪產(chǎn)品與精細三維模型為目標進行功能設計，其框架設計如圖1所示：

圖1 無人機多傳感聯(lián)合數(shù)據(jù)處理功能框架設計

從圖1中可看出，多傳感器幾何數(shù)據(jù)處理是一種以GPS/IMU數(shù)據(jù)作為定位定姿基礎，各傳感器間通過安置誤差配準模型統(tǒng)一規(guī)算到同一個絕對參考坐標系的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理模式，并能達到傳統(tǒng)測繪目的的數(shù)據(jù)后處理技術。又由于系統(tǒng)中廣泛采用GPS/IMU深度融合技術，使得多傳感器數(shù)據(jù)處理能僅需要采用極少量或零地面控制信息即能同時滿足及時測繪與精細測繪的需求。

2.2 數(shù)據(jù)流轉過程

從軟件工程角度討論，架構設計合理的應用型軟件系統(tǒng)在滿足專業(yè)功能需求的前提下，應設計盡量高效、通用的數(shù)量流轉過程。在充分借鑒現(xiàn)有成熟商業(yè)數(shù)據(jù)I/O技術基礎上，多傳感器幾何數(shù)據(jù)聯(lián)合處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉設計遵從以下原則：

(1)單向性。系統(tǒng)按照模塊化結構設計，各模塊間交互數(shù)據(jù)盡量自頂向下單向傳遞；

(2)擴展性。系統(tǒng)內(nèi)部通信與協(xié)同數(shù)據(jù)應具備可動態(tài)擴展性，盡量采用配置文件模式進行共享式訪問，為下一層應用級模塊開發(fā)或插件二次開發(fā)提供數(shù)據(jù)交換基礎；

(3)標準性。系統(tǒng)與外部接口應盡量采用國際標準格式進行交互，如采用慣導sbet格式、影像Tiff文件、矢量shp格式、國標DEM格式、點云LAS格式、視頻avi或mpeg格式等。

同樣地，以4類傳感器集成后的無人機多傳感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為例，其數(shù)據(jù)流轉設計如圖2所示：

圖2 無人機多傳感聯(lián)合數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)流程過程

從圖2可看出，整個多傳感器數(shù)據(jù)后處理是一個高度集約的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)接口采用文件的形式進行接口規(guī)范，以便后續(xù)引入數(shù)據(jù)庫模式進行管理與規(guī)范作業(yè)。系統(tǒng)以外部傳感器數(shù)據(jù)、處理控制參數(shù)、初始姿態(tài)參數(shù)等作為輸入，經(jīng)過點云-影像-視頻聯(lián)合處理得到點云分類、DSM/DEM、三維DLG、三維模型以及視頻關鍵幀姿態(tài)等成果。

3 處理質量控制

為了充分發(fā)掘多傳感器聯(lián)合處理優(yōu)勢，降低傳統(tǒng)單傳感器模式下處理流程的復雜程度，并能使得最終獲得的數(shù)字測繪產(chǎn)品具有更多種類和更優(yōu)質量，本文認為應從以下兩個方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理質量控制：①合理借用GPS/IMU融合主動定位優(yōu)勢，采用傳感器集成檢校技術實現(xiàn)高質量的傳感器初始姿態(tài)估計，為后續(xù)融合數(shù)據(jù)處理奠定技術支撐；②綜合利用各類傳感器特點，精化測繪產(chǎn)品生成質量，減少傳統(tǒng)數(shù)據(jù)生產(chǎn)步驟等。本文針對上述兩點思路進行展開介紹。

3.1 多傳感集成檢校

利用GPS/IMU為基準參考進行多傳感器集成檢校的理由，可從兩個方面進行闡述：①從硬件系統(tǒng)結構討論，無人機平臺上的不同種類傳感器均是通過穩(wěn)定平臺固連，而穩(wěn)定平臺姿態(tài)受IMU直接測量與控制。由此可見，多傳感器聯(lián)合數(shù)據(jù)處理姿態(tài)解算的關鍵問題是如何將不同類傳感器姿態(tài)規(guī)算到GPS/IMU所限定的統(tǒng)一直接定位參考坐標系；②從主動定位精度現(xiàn)狀討論，在導航定位領域已有大量的科學試驗驗證：在GPS通視條件良好狀況下，將GPS與IMU進行深度融合解算[8]后的直接定位定姿精度能達到較好的效果，如差分GPS后處理精度能優(yōu)于0.05m，而IMU后處理姿態(tài)精度則能優(yōu)于0.0025°等，其本身帶來的精度誤差可滿足航空測繪任意大比例尺測圖需求。

因此，設計多傳感器檢校的主要目的是針對滿足設定模式下所獲取的數(shù)據(jù)，通過后處理技術手段估計傳感器與基準(GPS接受天線與IMU平臺)之間的安置誤差參數(shù)。在實踐中，系統(tǒng)安置誤差模型一般采用6參數(shù)模型[9-10]，即GPS天線平移參數(shù)(Offset：Lx、Ly、Lz)與IMU視準軸對準偏差參數(shù)(Boresight：roll、pitch、heading)。各類傳感器的安置誤差模型推導與具體構像方程相關，以下僅以激光雷達安置誤差檢校為例，其模型數(shù)學表達式如下：

(1)

3.2 聯(lián)合數(shù)據(jù)處理

盡管傳感器分為主動與被動兩種模式，但是不同類傳感器本質區(qū)別在于面向不同大氣窗口特性所設計。從對地觀測角度看，不同類傳感器均是透過對應譜段觀測并獲取地表信息。因此，如何有效地利用各類傳感器優(yōu)勢特性，形成地表信息的組合觀測與融合處理，對不斷提高遙感數(shù)據(jù)獲取與信息解譯能力具有很強可挖掘性和可擴展性，是未來遙感幾何數(shù)據(jù)采集與后處理的重要方向之一。本文將簡述幾種常見的多傳感器數(shù)據(jù)聯(lián)合處理技術，并與單傳感器數(shù)據(jù)處理優(yōu)劣進行對比。

3.2.1 可見光影像與LiDAR點云聯(lián)合處理

在對地觀測領域，可見光影像與LiDAR點云聯(lián)合處理是計算機視覺與攝影測量領域最熱門的研究課題之一。結合實際測繪生產(chǎn)需求，對以下4個典型應用方向進行簡述：

(1)DSM精化匹配：一般來講，從單一光學影像進行DSM獲取，其最大缺點是無法克服紋理貧瘠區(qū)域與較大起伏地表帶來的誤匹配現(xiàn)象。而激光LiDAR在較好地彌補光學影像缺點的同時，則由于光斑尺寸因素存在著不能很好地獲取地物邊緣的缺點。如果能融合二者優(yōu)勢將有望得到邊緣尖銳、密度均勻的高質量DSM。

(2)地物精細分類：眾所周知，可見光影像包含有較豐富的光譜信息，但由于同物異譜、異物同譜等客觀規(guī)律影響，從單一光譜信息出發(fā)實現(xiàn)地物精細分類是非常困難的。但局部范圍內(nèi)地物的空間位置及其毗鄰地物間的拓撲關系卻具有唯一性。因此，利用點云所承載的幾何位置關系結合豐富的光譜信息有望實現(xiàn)地物精細分類與準全要素提取。

(3)三維表面精細重建：在計算機視覺與逆向工程領域，針對局部范圍內(nèi)的實體進行精細三維建模一直是相關領域的熱門課題。在該項應用中，影像不僅能為模型表面提供紋理特性，而且能對點云進行加密與修復，使得重建結果更具真實性。

(4)三維DLG測圖：盡管目前業(yè)內(nèi)針對三維DLG測圖還沒有明確定義，但筆者認為應遵從以下兩個原則：①三維DLG完全涵蓋二維DLG的表現(xiàn)內(nèi)容，通過簡單的視圖轉換與打印便能生產(chǎn)傳統(tǒng)二維DLG；②三維DLG應涵蓋三維實體模型的骨架內(nèi)容。因此，需要存儲更多的地物側面坐標信息，通過簡單的拓撲重構(或有限元剖分)與視圖轉換便能生成普通的3D模型，但較傳統(tǒng)3D模型占有更小的存儲空間與復雜度，更利于國家或地區(qū)進行基礎測繪產(chǎn)品入庫存檔。

3.2.2 熱紅外/紫外視頻與點云融合處理

從視覺幾何定位理論出發(fā)，如果在實驗室環(huán)境下能將攝像機鏡頭畸變進行合理檢校，并能通過高精度時間同步系統(tǒng)獲取攝像機每一幀的焦距數(shù)值，那么視頻攝像系統(tǒng)同樣能實現(xiàn)立體定位功能并能與點云配準后提供視頻紋理信息。假設已按照3.1節(jié)多傳感器集成檢校理論獲取每一幀影像的定位定姿參數(shù)，則視頻與點云聯(lián)合處理系統(tǒng)處理流程如圖3所示：

圖3 視頻與點云聯(lián)合三維建模系統(tǒng)

按照圖3中所設計處理流程，首先將視頻幀按照時間標記生成帶位置姿態(tài)信息的標簽文件，然后通過自動或半自動方式尋找熱紅外視頻幀與點云數(shù)據(jù)的配準連接點，采用直接線性變化11參數(shù)模型描述點云與視頻幀的整體坐標系變換，最后聯(lián)合攝像機鏡頭標定參數(shù)、POS數(shù)據(jù)對點云進行紋理賦值等。

4 成果類型與評價

與衛(wèi)星遙感、有人機航測相比，無人機多傳感器系統(tǒng)在中低空作業(yè)具有許多顯著優(yōu)勢。但由于其載荷相對較小、航時較短、受大氣環(huán)境影響較大等限制，其后處理所能獲取的成果類型也有別于傳統(tǒng)遙感系統(tǒng)，現(xiàn)從以下四個方面進行簡要梳理：

(1)小范圍測圖任務與局部更新

鑒于目前無人機作業(yè)機動靈活，未來在400m內(nèi)可能不受升空權限制，可獲取較高分辨率的可見光影像(如1∶500測繪中，要求影像GSD至少為0.05m)與高密度點云數(shù)據(jù)(如在航高500m內(nèi)平均點間距可高達0.1m)。因此，此類高質量對地觀測數(shù)據(jù)為小范圍內(nèi)的大比例尺(1∶500、1∶1000)測圖與地形圖快速更新提供數(shù)據(jù)基礎與技術支撐。

(2)構建精細三維模型

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，人們對周圍生活環(huán)境的掌控需求日益加強，因此三維精細建模逐漸展現(xiàn)旺盛的市場需求。如數(shù)字城市、數(shù)字小區(qū)、數(shù)字街景、數(shù)字公園、數(shù)字文物、數(shù)字檔案等應用不斷出現(xiàn)在公眾視野。無人及多傳感器組合對地觀測系統(tǒng)以其高分辨率數(shù)據(jù)獲取能力，針對上述應用需求極好地發(fā)揮精細三維建模作業(yè)潛力。

(3)應急測繪響應

隨著近年來自然生態(tài)環(huán)境的演變，各類自然災害不斷成為國民討論的焦點話題。經(jīng)驗表明，無人機多傳感器數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)都能在第一時間獲取帶有地理編碼的區(qū)域災情圖，為應急指揮提供有效的決策參考，在災情應急響應中發(fā)揮舉足輕重作用。如：可見光數(shù)碼相機能快速獲取受災區(qū)域影像，通過粗略幾何校正與快速拼接，能為后續(xù)災情解譯提供數(shù)據(jù)源；激光雷達點云則能為泥石流災情評估、地震前后3D變化檢測、滑坡體監(jiān)測等應用提供解決方案；熱紅外視頻通過拼接并與傳統(tǒng)影像圖進行疊置，能為森林火災提供評估支撐；紫外視頻則能為帶有異常放電災害現(xiàn)象提供及時監(jiān)測手段等。

(4)相關工程應用

另外，無人機多傳感器還能在典型行業(yè)實施具體工程應用，如：①電力線安全巡檢。采用多傳感器組合對電力線進行巡檢，獲取電力線斷股、毛刺、超高危險物體、異常發(fā)熱、異常放電等檢測數(shù)據(jù)，為傳統(tǒng)人工電力線巡檢業(yè)務降低成本、提供效率等；②管線、航道測量工程。充分發(fā)揮無人機靈活機動特性，針對石油輸送管線、數(shù)字航道工程等應用進行現(xiàn)狀專題測量；③精細林業(yè)遙感。由于大部分森林覆蓋區(qū)域不適合布設地面控制點，采用POS輔助的無人機多傳感器系統(tǒng)能較高效地實現(xiàn)精細樹種建模，蓄積量反演等專業(yè)應用等。

鑒于無人機多傳感器遙感技術仍保留傳統(tǒng)測繪特點，具備遙測系統(tǒng)的基本屬性，針對其多樣化成果形式，本文認為應從以下兩個方面建立評價準則：①與現(xiàn)行規(guī)范為評價依據(jù)。針對基礎測繪產(chǎn)品，需嚴格按照國家測圖規(guī)范以及現(xiàn)有行業(yè)標準進行質量評定。②符合專題應用需求。在符合國家規(guī)范與行業(yè)標準基礎上，產(chǎn)品還必須滿足專題應用需求，應與相關行業(yè)應用單位進行合作，并共同制定標準規(guī)范。

5 結束語

本文以無人機多傳感器幾何后處理框架設計與質量控制為主題，以4類傳感器集成處理為實例設計了通用幾何處理框架，并對提高產(chǎn)品質量控制提出幾點建議，現(xiàn)總結如下：

(1)以POS數(shù)據(jù)為支撐，設計了多傳感器幾何處理框架，并能兼顧基礎測繪產(chǎn)品生產(chǎn)與專題應用需求；

(2)對多傳感器幾何數(shù)據(jù)處理中的關鍵技術展開討論，如點云與影像聯(lián)合測圖技術、視頻與點云聯(lián)合建模技術等；

(3)針對無人機多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理特點，闡述了處理系統(tǒng)所能衍生出產(chǎn)品類型，為后續(xù)具體應用指明方向，提供技術參考。

總體來講，未來航測遙感技術在硬件方面將會朝著傳感器組合化、輕量化方向發(fā)展；軟件方面則會朝著產(chǎn)品精細化、類型多樣化方向發(fā)展。因此，行業(yè)內(nèi)的科研與生產(chǎn)單位應著力進行結合，使得無人機多傳感器系統(tǒng)能進一步推廣應用，在國民經(jīng)濟生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用與優(yōu)勢。

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