機載激光雷達（LIDAR）和遙感影像的融合方法

發(fā)布日期：2018-05-31 00:00 瀏覽量：23458

　　機載LIDAR是最近30年才發(fā)展起來的一種高新技術(shù),機載激光雷達技術(shù)是激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量技術(shù)(INS)和高精度動態(tài)GPS差分定位技術(shù)迅速發(fā)展的集中體現(xiàn)。激光測距技術(shù)在傳統(tǒng)的常規(guī)測量中就扮演著非常重要的角色,從最初的有反射棱鏡的測距儀系統(tǒng)發(fā)展到如今無合作目標的激光測距系統(tǒng);GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)徹底解決了海陸空的定位問題:INS和GPS的集成為確定高動態(tài)載體的姿態(tài)成為可能。以上幾種技術(shù)的成熟運用及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為整個系統(tǒng)的集成奠定了技術(shù)基礎(chǔ),機載激光雷達實際上已經(jīng)代表了對地觀測領(lǐng)域一個新的發(fā)展方向。整個系統(tǒng)比較復(fù)雜,就數(shù)據(jù)獲取的方式來講更像大地測量系統(tǒng)(通過測邊、測角進行點的定位),就數(shù)據(jù)后處理的方式來講卻更像攝影測量系統(tǒng),包括地物的提取,建筑物三維重建等。

　　機載激光雷達目前主要用于快速獲取大面積三維地形數(shù)據(jù),快速生成DEM等數(shù)字產(chǎn)品,特別是用于測繪森林覆蓋區(qū)域和山區(qū)的真實地形圖;將機載激光雷達技術(shù)作為一種新的技術(shù)手段應(yīng)用于快速生成城市地區(qū)的數(shù)字地面模型(DTM),進行地物自動提取,由數(shù)字地面模型(DTM)生成數(shù)字高程模型(DEM),并進一步建立三維城市模型,是當前在該領(lǐng)域的一個研究熱點。

　　1、融合LIDAR和遙感影像進行分類方法的提出

　　目前人們研究出了一系列激光雷達數(shù)據(jù)的分類算法。比如,(1)僅僅用LIDAR數(shù)據(jù)單獨進行城市表面地物的提取,例如將LIDAR點云數(shù)據(jù)生成DSM,借助統(tǒng)計直方圖分析可確定閾值的大小,再利用面積、高程、梯度閾值來進行建筑物提取;利用激光脈沖兩次回波的高差變化,將首次回波獲得的高程減去尾次回波所獲得的高程,在空曠地帶和房屋等表面規(guī)則的地物,兩者的高程差幾乎為零,而在植被覆蓋區(qū),特別是樹林地帶,高程差不為零,利用這一特性,可將植被和非植被點區(qū)分開來。(2)結(jié)合LIDAR數(shù)據(jù)和等高線、電子地圖等數(shù)據(jù)源進行地物提取。例如Palme將GIS數(shù)據(jù)和LIDAR點云數(shù)據(jù)結(jié)合在一起,以GIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對LIDAR點云數(shù)據(jù)進行分析和歸類,進而提取出三維建筑物。它首先將GIS數(shù)據(jù)和LIDAR點云數(shù)據(jù)生成的DSM進行重合,然后在GIS數(shù)據(jù)中標出建筑物的位置,在DSM中對應(yīng)的找到其中的建筑物,最終獲得完整的三維建筑物模型。但對于一些不適合人工作業(yè)的地區(qū),數(shù)據(jù)不易獲得,因此該方法也存在一定的局限性。(3)融合激光回波信號強度和激光腳點高程進行分類。機載LIDAR系統(tǒng)不僅能提供數(shù)據(jù)點的高程信息,而且越來越多的系統(tǒng)可以提供激光回波信號的強度信息。激光脈沖打到相同的物質(zhì)表面時,其回波信號的強度較為接近,每種物質(zhì)對激光信號的反射特性是不一樣的,當樹和房屋靠近時,用常規(guī)的基于高程變化的數(shù)據(jù)很難將兩者分開,而利用強度信息可以將它們分開。首先對不同介質(zhì)激光回波信號強度進行標定,可以先利用內(nèi)插后的高程數(shù)據(jù)圖像識別出房屋和樹等;然后利用激光回波信號的強度數(shù)據(jù)形成的圖像識別出道路和草地等。

　　近年來,隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,QuickBird、IKONOS、SPOT5等高分辨率遙感影像的出現(xiàn)大大提高了遙感技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。高空間、高光譜分辨率的提高帶來了單位空間內(nèi)像元數(shù)量的增加,提供了更為豐富的地物信息。同時,高分辨率的航空影像記錄了連續(xù)波譜信息,包含了空間結(jié)構(gòu)、地物邊界、色彩屬性等判讀地物的重要信息。現(xiàn)在,有的數(shù)字航攝儀地面采樣率可達到厘米級,能夠分辨地物微小差別。激光雷達數(shù)據(jù)雖然對描述地物三維空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢明顯,但其每平方米幾個點的激光點密度以及分米級的光斑分辨率(光斑直徑)對于精確描述地物邊界還存在誤差。尤其是不規(guī)則房屋邊緣存在高度相似植被的情況下,容易造成錯分和誤判,需要借助正射影像進行輔助判讀。此外,快速建立建筑物三維模型時房屋邊界探測也需要航空影像數(shù)據(jù)加以判讀。實驗表明,如果不融合其他數(shù)據(jù)源(如影像數(shù)據(jù)、多光譜數(shù)據(jù)等),而單獨利用LIDAR數(shù)據(jù)進行地物的分類和識別等自動化、智能化的處理具有很大的難度。基于這一現(xiàn)狀,我們試圖將LIDAR與遙感影像加以融合,綜合利用LIDAR數(shù)據(jù)的位置、高程信息以及遙感影像的光譜、紋理信息,對地物加以分類研究。在進行數(shù)據(jù)融合之前,需要對兩種數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

　　2、數(shù)據(jù)預(yù)處理

　　LIDAR點云數(shù)據(jù)表示的是離散三維空間信息,沒有規(guī)律性,這種數(shù)據(jù)形式對數(shù)據(jù)處理和表達帶來困難,更不利于三維信息的提取。因此,需要對這些原始數(shù)據(jù)進行一些預(yù)處理,轉(zhuǎn)換為容易表達和處理的數(shù)據(jù)組織形式。合適的數(shù)據(jù)組織形式,能為數(shù)據(jù)的處理和表達帶來很大的便利,否則不僅會損失部分信息,可能為信息提取帶來某種更大的困難。

　　2.1LIDAR點云數(shù)據(jù)的表達形式

　　原始的LIDAR點云數(shù)據(jù)就是若干個地面或者地物點的精確三維坐標信息。對原始LIDAR點云數(shù)據(jù)選擇一種合適的表達方式,對數(shù)據(jù)管理和處理尤為重要,常用的數(shù)據(jù)表達方式有規(guī)則格網(wǎng)、不規(guī)則三角網(wǎng)、分塊曲面法等多種方法其中,分塊曲面法近似數(shù)學(xué)函數(shù),每塊用一種數(shù)學(xué)函數(shù)來表示和描述,這種方法并不利于計算機自動分析和處理。TIN能較好地顧及地貌特征點、線,表示復(fù)雜地形表面,缺點是數(shù)據(jù)量較大,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,使用與管理也較復(fù)雜;不僅要存儲每個點的高程,還要存儲其平面坐標、節(jié)點連接的拓撲關(guān)系,三角形及鄰接三角形等關(guān)系。規(guī)則格網(wǎng)表示法通常又有三種形式,正方形、長方形和等邊三角。一般來說,規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)便于進行聚類聚合、多層面復(fù)合疊置分析、窗口分析及追蹤分析等幾種基本的分析,這些優(yōu)點對于點云數(shù)據(jù)處理提供了很大的便利。而且后面LIDAR點云數(shù)據(jù)要和影像數(shù)據(jù)進行匹配,而數(shù)字影像的象素分布可以看作是正方形排列,為了使得兩者統(tǒng)一,方便處理,LIDAR數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的分布采用統(tǒng)一的形式來表達,用矩形規(guī)則格網(wǎng)形式來表達LIDAR點云數(shù)據(jù)是最合適的也是最方便的。在將LIDAR點云數(shù)據(jù)進行規(guī)則格網(wǎng)化的過程中,必須要選擇一種適合LIDAR點云數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法和間距。

　　2.2LIDAR點云數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法

　　內(nèi)插即在一個由x、y坐標平面構(gòu)成的二維空間中,由已知若干離散點Pi的高程,估算待內(nèi)插點的高程值。由于采樣的數(shù)據(jù)點呈離散分布形式,或是數(shù)據(jù)點雖按格網(wǎng)排列,但格網(wǎng)的密度不能滿足使用的要求,這就需要以數(shù)據(jù)點為基礎(chǔ)進行插值運算。常用的數(shù)據(jù)內(nèi)插方法有反距離加權(quán)插值法(IDW)、自然鄰近點插值法(NaN)、Kriging插值法、樣條插值法、非線性插值法、線性插值法等等。

　　2.3遙感影像預(yù)處理

　　遙感影像預(yù)處理,包括消除幾何畸變以及各種噪聲的影響,以提高配準的精度。對航空影像,選擇地面控制點進行幾何糾正。

　　3、遙感影像配準

　　由于機載LIDAR和對應(yīng)的的遙感影像沒有共用一套光學(xué)系統(tǒng),兩者沒有統(tǒng)一的坐標系統(tǒng),所以在進行數(shù)據(jù)融合之前,首先要對兩者進行精確的匹配,獲得地學(xué)編碼影像。

　　我們對坐標變換采用控制點位法,采用WGS84坐標系(UTM投影),通過測定多組遙感圖像上特殊地物的坐標點以及與這些坐標點相對應(yīng)的DSM圖像上的點的坐標,然后將測得的控制點坐標代入坐標系轉(zhuǎn)換多項式方程,求出各項系數(shù),確定坐標系轉(zhuǎn)換方程。由確定的多項式轉(zhuǎn)換方程,以待定的DSM圖像上點的坐標為自變量,按逐個點位坐標輸入方程,求出相應(yīng)的坐標,然后按一定的內(nèi)插方法插值求算出最適宜DSM上點的影像像素值存入DSM上。如此,最終完成整幅圖像的配準校正工作。

　　在尋找控制點時,為了提高配準校正精度,一般應(yīng)選取DSM和影像上皆清晰的道路,河流的交匯點,拐彎點,同時使采集的控制點均勻分布于整個DSM圖像上。實際上,由于判讀控制點坐標時難免有誤差,為了避免少數(shù)對應(yīng)點的誤差而影響方程的求值精度,通常采用多選控制點對,再進行方程的多次擬合分析,排除多次擬合效果差的控制點,留有效果好的控制點。

　　4、影像跟DSM的融合

　　數(shù)據(jù)融合最早被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。是一個對多遙感器的圖像數(shù)據(jù)和其他信息的處理過程。著重于把那些在空間或時間上冗余或互補的多源數(shù)據(jù),按照一定的法則進行運算處理,獲得比任何單一數(shù)據(jù)更精確更豐富的信息。

　　圖像融合可在三個不同的層次上進行:一是像元(pixel)、二是特征(feature)、三是決策(decision)層。融合的水平依次從低到高。基于不同的融合層次,采用的融合方法也不相同,如像元級的代數(shù)法、IHS變換法、小波變換法、主成分變換法,特征級的聚類分析法、加權(quán)平均法,決策級的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

　　4.1HIS融合方法

　　我們使用的基于像元的圖像融合方法,采用HIS彩色技術(shù)變換方法,通常用彩色顯示器所顯示的彩色是由RGB信號的亮度值所確定的。但因RGB彩色坐標系統(tǒng)中R、G、B呈非線性關(guān)系.使調(diào)整色調(diào)的定量操作較為困難。而HIS彩色坐標系統(tǒng)對顏色屬性易于識別和量化,色彩的調(diào)整(數(shù)學(xué)變換)方便、靈活,因而往往進行RGB系統(tǒng)――HIS系統(tǒng)的彩色空間變換。所謂HIS彩色變換是指將標準RGB圖像有效地分離為代表空間信息的明度(I)和代表波譜信息的色度(H)、飽和度(S)。

　　4.2融合效果評價

　　融合圖像對于后續(xù)的信息提取和改善分類精度都是至關(guān)重要的,經(jīng)融合后的影像紋理特征增強,細節(jié)更加突出。用最佳指數(shù)因子(optimumindexfactor,簡稱OIF)來求算信息量的大小。

　　在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上,選擇標準差大、相關(guān)性小的數(shù)據(jù)。因為標準差越大,所包含的信息量越大,而波段間的相關(guān)系數(shù)越小,表明圖像信息的冗余度越小。因此Fion越大,則該組合波段的信息量越大。

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