[发明专利]基于激光雷达点云与航空影像的真正射影像的制作方法

说明书

技术领域

本发明属于摄影测量应用领域，特别是基于激光雷达点云与航空影像的真正射影像的制作方法。

背景技术

随着计算机技术和通信技术的迅速发展，数字化的地理信息已成为城市乃至整个国家在各个领域宏观决策和规划管理中必不可少的支撑条件，因此对基础地理信息数据的精度及现实性都提出了相当高的要求。同时由于地理信息系统的发展，对基础地理信息数据的形式提出了更多的要求，不仅需要矢量数据、栅格数据，还需要形象直观的图像数据。摄影测量直接获取的地面数码影像往往由于传感器姿态或者地形起伏等原因，存在地物位置偏差及地物变形的问题。经过正射纠正，可以有效剔除由于传感器和相机旋转、地形起伏以及在图像获取和处理过程中产生的位置误差，最终生成无变形、同时具有地图几何精度和影像特征的图像，即数字正射影像（Digital Ortho-photo Map，DOM）。因此，数字正射影像以其信息量丰富、直观、应用广泛等特点在城市规划、土地资源利用和调查以及基础地理信息系统中发挥着越来越大的作用。

传统的数字正射影像是采用数字地面模型（Digital Terrain Model，DTM）进行正射纠正。然而，随着影像获取手段的不断发展和各部门需求的不断进步，传统概念上的数字正射影像已不能满足应用需求了。其地形地貌虽然经过了正射纠正，但是人工建筑等地形上存在着投影差。在人类活动频繁、建筑物密集的城市区域，高大建筑物对地表信息造成了遮挡，而且影像拼接和接边区域地物过渡实现起来十分困难，严重影响了应用效果。因此，专家提出了真正射影像（True Digital Ortho Map,TDOM）的概念，通过高精度的数字表面模型（DigitalSurface Model,DSM），采用数字微分纠正，改正原始影像的几何变形，建立垂直视角的地表景观^[1]，避免城市区域高大建筑物对其他地表信息的遮挡，解决大比例尺城区正射影像拼接困难以及拼接后影像接边区域不自然等弊端。传统正射影像和真正射影像的对比图参见图1~2，从图1~2可以看出，传统正射影像是倾斜视角，高大建筑物的投影遮挡了地面信息，地物信息不够准确；而真正射影像消除了这些影响，对后续利用真正射影像进行地物分析和量测提供了良好的数据源。因此，真正射影像的相关研究具有很强的现实意义。

在真正射影像的制作技术上，国内外学者均进行了一定探讨和研究。如利用微软公司的UltraCaml相机获取的航空影像进行密集匹配生成数字表面模型（Digital Surface Model，DSM），进而获得真正射影像^[2]；为了研究复杂的文物表面，使用激光扫描数据和覆盖文物所有表面的数码照片生成真正射影像^[3]；将航空影像与建筑物、道路和地形模型结合生成真正射影像^[4]。国内的学者也进行了相关研究工作，潘慧波等^[5]介绍了结合激光雷达和同步采集的数码影像生成真正射影像的可行性方法。目前，在国内，真正射影像的生产主要采用的是法国的INFOTERRA公司开发的“像素工厂”（Pixel Factory）系统和德国的Inpho数字摄影测量系统^[6]。

正射纠正是生成正射影像的关键步骤。正射纠正通常采用共线方程法，利用共线条件方程，结合影像和数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）进行正射纠正。传统的正射纠正无法检测建筑物对其他地物存在的遮挡，从而影响生成的正射影像质量，因此遮蔽检测成为生成真正射影像的重要步骤，也成为国内外研究的热点。遮蔽检测方法有基于矢量建筑物模型的Z-buffer方法^[7]、基于栅格DSM模型的Z-buffer方法^[8]、基于角度的检测方法和基于角度和高程信息的射线追踪法^[9]等。国内的王潇、江万寿等^[10]提出了一种基于高程面投影的迭代检测算法。

激光雷达(Light Detection and Ranging，简称LiDAR)作为一种新型的对地观测技术，用于直接快速地获取地球表面的三维空间信息，具有速度快、精度高、信息量大等优点，为数据应用提供了更加丰富的信息，备受应用者和研究者的广泛关注。目前LiDAR技术广泛应用于地面景观形体量测、古建筑与古文物保护、复杂工业设备的量测与建模、城市三维可视化模型的建立、森林和农业资源调查、变形监测等领域，显示出巨大的应用前景。毋庸置疑，LiDAR技术的出现会推动遥感数据应用领域的进一步发展。