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贾延青等:C i t y M a p p e r倾斜航空摄影与激光雷达集成系统初探第2 4卷 第3期C i t y M a p p e r倾斜航空摄影与激光雷达集成系统初探贾延青1,陈洁2(1.北京星天地信息科技有限公司,北京 1 0 2 2 9 9;2.中国自然资源航空物探遥感中心,北京 1 0 0 0 8 3)摘 要:“实景中国”的顶层设计对航空遥感技术体系的构建提出了更高要求,集成了倾斜摄影与机载L i D A R的混合型航空摄影系统C i t y M a p p e r实现了航空遥感领域的技术革新,充分发挥了倾斜航空摄影多角度刻画地物纹理和机载L i D A R主动式、高精度地获取地物高程的优势,一次拍摄即可建立精细化的地面三维实景模型。本文着重介绍了C i t y M a p p e r系统的部件组成与技术特点及其应用情况,为后续自然资源监测与地质调查研究提供了科学参考。关键词:倾斜航空摄影;机载激光雷达;S P A N定位定向;空中多脉冲中图分类号:P 2 3;P 6 3 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9 2 8 2 X(2 0 2 3)0 3 0 0 1 6 0 4A P r e l i m i n a r y S t u d y o n t h e I n t e g r a t e d S y s t e m o f O b l i q u e A e r i a l P h o t o g r a p h y a n d L i d a rJ I A Y a n q i n g1 C H E N J i e21 B e i j i n g X i n t i a n d i I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y C o L t d B e i j i n g 1 0 2 2 9 9 C h i n a2 C h i n a A e r o G e o p h y s i c a l S u r v e y&R e m o t e S e n s i n g C e n t e r f o r N a t u r a l R e s o u r c e s B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 C h i n aA b s t r a c t T h e t o p-l e v e l d e s i g n o f R e a l C h i n a p u t s f o r w a r d h i g h e r r e q u i r e m e n t s f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f a e r i a l r e m o t e s e n s i n g t e c h n o l o g y s y s t e m C i t y M a p p e r a h y b r i d a e r i a l p h o t o g r a p h y s y s t e m t h a t i n t e g r a t e s o b l i q u e p h o t o g r a p h y a n d a i r b o r n e L i D A R h a s a c h i e v e d t e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o n i n t h e f i e l d o f a e r i a l r e m o t e s e n s i n g h a s t h e a d v a n t a g e s o f o b l i q u e a e r i a l p h o t o g r a p h y i n d e p i c t i n g t h e t e x t u r e o f g r o u n d o b j e c t s f r o m m u l t i p l e a n g l e s a n d t h e a c t i v e h i g h-p r e c i s i o n a c q u i s i t i o n o f g r o u n d o b j e c t e l e v a t i o n b y a i r b o r n e L i D A R a r e f i n e d g r o u n d 3 D r e a l i s t i c m o d e l c a n b e e s t a b l i s h e d i n j u s t o n e s h o t T h i s a r t i c l e f o c u s e s o n t h e c o m p o n e n t s t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d a p p l i c a t i o n o f C i t y M a p p e r s y s t e m w h i c h p r o v i d e s a s c i e n t i f i c r e f e r e n c e f o r s u b s e q u e n t n a t u r a l r e s o u r c e m o n i t o r i n g a n d g e o l o g i c a l s u r v e y r e s e a r c h K e y w o r d s o b l i q u e a e r i a l p h o t o g r a p h y l i d a r S P A N p o s i t i o n i n g a n d o r i e n t a t i o n M P i A 收稿日期:2 0 2 2 0 7 2 5 作者简介:贾延青(1 9 8 0-),男,硕士研究生,测绘工程专业,工程师,主要从事航空遥感新技术研究与应用等有关工作,E-m a i l:6 5 9 0 9 6 0 q q.c o m。0 引言相较于传统的以下视为主的航空遥感手段,倾斜摄影可以复现地物的侧面纹理,对城市建筑密集、山体植被茂密、高差变化剧烈等困难地区依然具有较好的表现效果1,但存在模型边角模糊和纹理遮盖现象等不足2。机载L i D A R是一种主动式、全天候、穿透力强的航空遥感技术,获取的点云数据可生成高精度地表高程模型(d i g i t a l e l e v a t i o n m o d e l,D EM)3。将上述两种技术手段进行集成,可一次性获取倾斜影像、多波段下视影像、三维激光数据,地物要素信息更全面,建模速度更快,精度更高。得到的二维及三维地理空间数据成果,不但可为自然资源调查、城市规划、地质勘探等领域提供精准的底图资料,还可为国情普查、应急救灾等提供可靠的技术支撑4。C i t y M a p p e r混合航空摄影系统(下文简称“C i t y M a p p e r系统”)集成了1.5亿像素的航空摄影相机和2 MH z激光雷达单元,具备无测距盲区的多脉冲、机械式相移补偿和低失真镜头工艺等技术,能在地物密集区高效获取高分辨率影像和无遮挡高密度点云。配套的H x M a p后处理软件支持多节点并行运算,实现了快速质检、自动检校和成果输出。生产正射影像与三维点云的同时,可联合倾斜影像和612 0 2 3年6月地质装备激光点云进行三维建模、单体化等,做到了一次测量、多重应用,使得数据价值得到充分体现5。1 系统组成C i t y M a p p e r系统主要由传感器镜筒(含倾斜相机、激光雷达单元)、重载型升降支架、陀螺稳定平台、飞控终端等部件构成,如图1所示。此外,系统还包含1套多传感器软件平台。图1 系统主要部件F i g.1 S y s t e m m a i n c o m p o n e n t s1.1 倾斜摄影相机C i t y M a p p e r系统的倾斜摄影相机由2个下视镜头和4个倾斜镜头组成,其中下视镜头包含1个可见光R G B谱段和1个近红外N I R谱段影像传感器,4个可见光R G B谱段倾斜相机以4 5 旁向视角固定在镜筒上获取地物目标影像,其航向视角可达2 6.8,拍摄的最小拍摄间隔为0.9 s。根据应用需求的不同,相机镜头焦距可选择7 1 mm、1 1 2 mm、1 4 6 mm、1 8 9 mm等多种组合,从而确保在不同的飞行高度均可获得相同地面分辨率的影像成果。相机的主要技术参数如表1所示。表1 C i t y M a p p e r系统倾斜摄影相机主要技术指标T a b l e 1 T h e m a i n t e c h n i c a l i n d i c a t o r s o f t i l t c a m e r a i n C i t y M a p p e r S y s t e m像幅大小1 4 1 9 2 1 0 6 4 0像元大小/m3.7 6最小拍摄间隔/s0.9最高快门速度/s1/1 0 0 0光敏元件背照式 C MO S动态范围/d B0 8 3像移补偿机械式该镜头的优势与特点有:0.9 s的最小拍摄间隔使得航空摄影过程中飞行速度显著提升,大幅地提高了作业效率;背照式C MO S使得相机具有更敏感的光线感应能力,在太阳高度角较低或光线较暗的气象条件下能够清晰捕捉地物细部信息,增加了作业时间;定制的航空级光学镜头,具有更高的透光率和成像素质,使得影像表现更加锐利。1.2 激光雷达单元内置L e i c a H y p e r i o n 2激光雷达单元,采用倾斜扫描方式,视场角为2 0 4 0,扫描速度为每秒1 2 0 3 0 0线,发射激光波长为1 0 6 4 n m,激光发散度为0.2 3 m r a d,最大脉冲频率可达2 MH z,具有全波形记录、实时波形分析与提取、目标模糊度解算、无测距限制等回波脉冲处理技术,能够在5 5 0 0 m作业高度的范围内获取具有5 c m和1 3 c m的垂直和水平精度的点云数据。1.3 升降支架为了便于集成了倾斜相机与激光雷达单元的镜筒安装,系统搭载了能够适用于固定翼、旋翼等不同平台、不同型号飞行器的P o d L i f t e r升降支架。根据项目所适用的具体机型、开孔尺寸及深度,通过液压装置灵活地调整仪器出露高度,确保设备安全的情况下最大限度地避免各个传感器视场角不被遮挡。1.4 陀螺稳定平台数据获取瞬间航空遥感系统的稳定性直接决定了成果质量的优劣,P A V 1 0 0陀螺稳定平台能够根据传感器的实时姿态在空间方向上提供角度补偿,始终保持设备水平,针对不同的传感器与惯性导航单元提供全自动漂移控制以及倾斜和旋转补偿6。R o l l、P i t c h、H e a d i n g的补偿范围分别为7、6 和 3 0,提供的补偿中误差优于0.0 2。1.5 飞控终端飞控终端主要包括航空遥感设备操作员控制终端与飞行员导航与显示终端。前者主要提供机上设备的参数设置、航线选择、系统状态监测等功能;后者主要提供飞行过程中的导航基础数据,如飞行高度、航线端点位置、巡航速度等。1.6 多传感器软件平台基于多传感器格式兼容、海量数据融合计算的数据处理需求,H x M a p提供了快速、直观的数据处理平台,可在统一的交互界面下完成不同类别航空遥感成果的生产。它将数据获取与后处理流程紧密结合,在输入原始数据后即可开展质检和数据管理等工作流程7。还可根据用户的应用需求,定制可扩展的功能模块配置包,例如:R e a l W o r d配置包可用于大范围航空影像项目,R e a l T e r r a i n配置包主要71贾延青等:C i t y M a p p e r倾斜航空摄影与激光雷达集成系统初探第2 4卷 第3期用于大面积L i D A R成图,R e a l C i t y配置包可进行智慧城市以及三维城市建模。H x M a p是通用的高性能处理工作流系统,适用于徕卡所有机载传感器。该软件具备在同一用户界面中处理影像和激光雷达数据的能力,降低了处理不同传感器数据的要求与成本。2 主要技术特点2.1 S P A N定位定向技术S P A N技术集合了全球定位系统(G N S S)和惯性导航单元(I MU)两种技术手段,将两者的技术优势互为补充。全球定位系统定位的绝对精度加上惯性导航单元陀螺和加速计测量的稳定性就可以提供位置、速度和姿态解算结果,克服了全球定位系统信号被 遮 挡 时,其 解 算 的 结 果 不 连 续 的 不 足8。C i t y M a p p e r系统在飞行过程中以2 H z获取原始G N S S位置数据,I MU以5 0 0 H z记录相对位置数据和测量飞行平台实时姿态,并回传给P A V 1 0 0稳定陀螺平台进行姿态修正;通过对G N S S数据进行差分或精确单点定位(p e r c i s e p o i n t p o s i t i o n i n g,P P P)后处理,并与I MU数据进行融合,获取可靠有效的位置与姿态数据,即初始外方位元素。2.2 精确单点定位(P P P)精确单点定位采用精密卫星轨道数据和卫星时钟纠正数据,在无地面基站的情况下计算精密的动态定位信息9。该技术提供了高精度解算G N S S和I MU数据的全新解决方案,非常适用于山区、沙漠、戈壁等不易架设基站地区。其所利用的高精度星历数据可在飞行结束后1 4天获取,低精度星历数据在飞行结束后1 7小时后即可在线下载1 0-1 1。2.3 空中多脉冲(M P i A)技术传统的空中单脉冲(s i n g l e-p u l s e i n a i r,S P i A)技术只有在接收机获取激光信号后才能进行下一次发射,使得两次发射间的时间段内没有激光点云数据获取。如果地形起伏大、飞行速度快,就会造成点云成果稀疏甚至产生漏洞。空中多脉冲(m u l t i-p u l s e i n a i r,M P i A)技术允许在收到前一个脉冲的反射之前发射下一个激光脉冲,能大大提高点云密度和工作效率,快速获取高精度数字高程模型成果1 2。与光学或数字影像结合使用,加上少量地面控制点,即可获取高精度正射影像产品1 3。3 应用情况自然资源调查监测是以空间信息、人工智能、大数据等先进技术手段,构建高效的调查监测体系1 4。在内蒙古五原县、乌拉特中旗和乌拉特前旗部分区域内,利用C i t y M a p p e r系统获取了优于0.2 m 地面分辨率的倾斜影像数据和大于2 p p s的L i D A R点云数据。基于此制作了该工作区内的城镇、农区、半农半牧和黄河流域附近的地形级实景三维地理场景数据,为国土空间规划、土地整治、新型基础测绘、精细化城市管理、自然资源三维立体时空数据库建设、实景三维中国建设等提供三维立体时空数据支撑,进一步丰富了该工作区内的自然资源调查监测体系建设。4 结语随着航空遥感技术的不断进步和新技术手段的不断涌现,将会有更多的传感器被集成在一起,以便在一次飞行过程中获取尽可能多的成果数据,根据行业应用所需提供不同的成果图件1 5。C i t y M a p p e r航空遥感集成系统的出现打破了传统的遥感信息获取模式,实现了跨传感器数据的互联互通,推动了未来集成航摄系统的创新性与创造力,为后续集成系统的研发与应用提供了参考意义。参考文献(R e f e r e n c e s):1 陈洁,蔡君,李京.AM C 5 1 0 0倾斜航空遥感系统及其在地质行业的应用J.地质装备,2 0 2 0,2 1(4):3 03 4,4 8.C H E N J i e,C A I J u n,L I J i n g.AM C 5 1 0 0 o b l i q u e a e r i a l r e m o t e s e n s i n g s y s t e m a n d i t s a p p l i c a t i o n i n g e o l o g i c a l i n d u s t r yJ.E q u i p m e n t f o r G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,2 0 2 0,2 1(4):3 0 3 4,4 8.2 杨明军,康冰锋,韩丹.基于L i D A R和倾斜摄影测量技术的实景三维自动化建模方法J.科技资讯,2 0 1 8,1 6(3 3):9 3 9 6.Y A N G M i n g j u n,K A N G B i n g f e n g,HA N D a n.A 3 D a u t o m a t i c m o d e l i n g m e t h o d b a s e d o n L i D A R a n d t i l t p h o t o g r a m m e t r y J.S c i e n c e&T e c h n o l o g y I n f o r m a t i o n,2 0 1 8,1 6(3 3):9 3 9 6.3 王云凯,蒋毅,何燕兰,等.机载L i D A R与倾斜摄影技术融合在美丽乡村建设中的应用研究J.测绘通报,2 0 2 1(S 1):3 7 4 1.WA N G Y u n k a i,J I A N G Y i,H E Y a n l a n,e t a l.T h e a p p l i c a t i o n o f a i r b o r n e L i D A R a n d i n c l i n a t i o n p h o t o g r a p h y i n b e a u t i f u l r u r a l c o n s t r u c t i o nJ.B u l l e t i n o f S u r v e y i n g a n d M a p p i n g,2 0 2 1(S 1):3 7 4 1.812 0 2 3年6月地质装备4 边涛.基于三维的新型基础测绘实体采集方法J.中国科技信息,2 0 2 1(1 6):1 0 1 1 0 2.B I A N T a o.N e w E n t i t y A c q u i s i t i o n M e t h o d o f b a s i c s u r v e y i n g a n d m a p p i n g b a s e d o n 3 D J.C h i n a S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n f o r m a t i o n,2 0 2 1(1 6):1 0 1 1 0 2.5 K e i t h A l b e r t s o n.C i t y M a p p e r-2 c a p t u r e s d e t a i l e d a i r b o r n e d a t a a n d i m a g e sJ.I S E;I n d u s t r i a l a n d S y s t e m s E n g i n e e r i n g a t W o r k,2 0 2 1,5 3(5):5 6 5 7.6 商振伟.P A V 1 0 0陀螺稳定座架的安装使用及高频振动处理J.江西测绘,2 0 1 9(1):3 0 3 2.S HA N G Z h e n w e i.I n s t a l l a t i o n a n d u s e o f P A V 1 0 0 g y r o-s t a b i l i z e d m o u n t a n d h i g h f r e q u e n c y v i b r a t i o n p r o c e s s i n g J.J I A N G X I C E HU I,2 0 1 9(1):3 0 3 2.7 T a v m e n G n e .D a t a/i n f r a s t r u c t u r e i n t h e s m a r t c i t y:U n d e r s t a n d i n g t h e i n f r a s t r u c t u r a l p o w e r o f C i t y m a p p e r a p p t h r o u g h t e c h n i c i t y o f d a t aJ.B i g D a t a&S o c i e t y,2 0 2 0,7(2):1 1 5.8 刘峰.高精度惯性定位定向/地图信息匹配导航技术研究D.国防科技大学,2 0 1 9.L I U F e n g.R e s e a r c h o n h i g h p r e c i s i o n i n e r t i a l p o s i t i o n i n g o r i e n t a t i o n/m a p-m a t c h i n g n a v i g a t i o n t e c h n o l o g y D.N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,2 0 1 9.9 郝伟姣.I MU/P P P辅助航空摄影技术的应用D.南昌:东华理工大学,2 0 1 3.HA O W e i j i a o.T h e a p p l i c a t i o n I MU/P P P-s u p p o r t e d p h o t o g r a mm e t r yD.N a n C h a n g:E a s t C h i n a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y,2 0 1 3.1 0龚婷婷.G N S S精密单点定位及其质量控制方法研究D.淮南:安徽理工大学,2 0 2 0.G O N G T i n g t i n g.S t u d y o f G N S S p r e c i s e p o i n t p o s i t i o n i n g a n d i t s q u a l i t y c o n t r o l m e t h o d D.H u a i n a n:A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 0.1 1周锋.多系统G N S S非差非组合精密单点定位相关理论和方法研究J.测绘学报,2 0 2 0,4 9(7):9 3 8.Z HO U F e n g.T h e o r y a n d m e t h o d o l o g y o f m u l t i-G N S S u n d i f f e r e n c e d a n d u n c o m b i n e d p r e c i s e p o i n t p o s i t i o n i n g J.J o u r n a l o f S u r v e y i n g a n d M a p p i n g,2 0 2 0,4 9(7):9 3 8.1 2李腾,施昆,张宁.机载L i D A R多脉冲模式在山区数据采集中的应用J.软件,2 0 1 8,3 9(2):1 5 2 1 5 6.L I T e n g,S H I K u n,Z HA N G N i n g.A p p l i c a t i o n o f a i r b o r n e L i D A R m u l t i-p u l s e m o d e i n m o u n t a i n d a t a a c q u i s i t i o n J.S o f t w a r e,2 0 1 8,3 9(2):1 5 2 1 5 6.1 3寇添,王海晏,王芳,等.机载多脉冲激光测距特性及其不确定度研究J.物理学报,2 0 1 5,6 4(1 2):1 0 2 1 0 9.K O U T i a n,WA N G H a i y a n,WA N G F a n g,e t a l.R a n g i n g c h a r a c t e r i s t i c a n d u n c e r t a i n t y o f a i r b o r n e m u l t i-p u l s e l a s e r J.A c t a P h y s i c a S i n i c a,2 0 1 5,6 4(1 2):1 0 2 1 0 9.1 4周俊超,代荫,刘智华.基于自然资源调查监测现状的统一体系构建研究J.测绘与空间地理信息,2 0 2 1,4 4(1 2):5 1 5 3,5 6.Z HO U J u n c h a o,D A I Y i n,L I U Z h i h u a.R e s e a r c h o f c o n s t r u c t i o n u n i f i e d s y s t e m b a s e d o n s t a t u s o f n a t u r a l r e s o u r c e s s u r v e y i n g a n d m o n i t o r i n g J.G e o m a t i c s&S p a t i a l I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y,2 0 2 1,4 4(1 2):5 15 3,5 6.1 5崔营营.面向多传感器航空遥感监测系统数据处理方法研究D.北京:首都师范大学,2 0 1 1.C U I Y i n g y i n g.R e s e a r c h o n d a t a p r o c e s s i n g m e t h o d o f m u l t i-s e n s o r o r i e n t e d a e r i a l R e m o t e s e n s i n g m o n i t o r i n g s y s t e m D.B e i j i n g:C a p i t a l N o r m a l U n i v e r s i t y,2 0 1 1.91