无人机在航空遥感中的应用及航空遥感图像几何校正综述

小奋青 · 发表于 2012-4-15 09:24

本帖最后由小奋青于 2012-4-15 09:26 编辑

一、遥感分类

（一）、按遥感平台分

地面遥感：传感器设置在地面平面上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台；

航空遥感：传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等；

航天遥感：传感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等；

行于遥感：传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测。

（二）、按传感器的探测波段分

紫外遥感：探测波段在0.05~0.08μm之间；

可见光遥感：探测波段在0.38~0.76μm之间；

红外遥感：探测波段在0.76~1000μm之间；

微波遥感：探测波段在1mm~10m之间；

多波段遥感：指探测波段在可见光波段和红外波段范围内，在可见光波段和红外段范围内，再分成若干窄波段来探测目标。

（三）、按工作方式分

主动遥感和被动遥感：主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号；被动传感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接受目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。

成像遥感与非成像遥感：前者传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成（数字或模拟）图像；后者传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。

（四）、按遥感的应用领域分

从大的研究领域可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等；

从具体应用领域可分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等，还可以划分为更细的研究对象进行各种专题应用。

二、航空遥感

航空遥感又称机载（airborne）遥感。指利用各种飞机、气球等作为传感器运载工具的遥感技术。是由航空摄影侦察发展而来的一种多功能综合性探测技术。依飞行器的工作高度和应用目的，可作高空、中空或低空的遥感作业。具有机动、灵活的特点。遥感方式除传统的航空摄影外，还有多波段摄影、彩色红外和红外摄影、多波段扫描和红外扫描、侧视雷达等成像遥感；也可进行激光测高、微波探测、地物波谱测试等非成像遥感。航空遥感具有技术成熟、成像比例尺大、地面分辨率高、适于大面积地形测绘和小面积详查以及不需要复杂的地面处理设备等优点。缺点是飞行高度、续航能力、姿态控制、全天候作业能力以及大范围的动态监测能力较差。但作为一种探测和研究地球资源与环境的手段，仍是方兴未艾、不可取代的。（周成虎黄绚）

三、无人机航空遥感

无人机的发展历史可以追溯到上一世纪20年代, 应技术进步和战争需求, 无人机已逐渐发展为世界各国尤其是发达国家武器装备中重要组成部分之一, 无人化也已日益成为未来战争发展的方向之一, 同时无人机也正在向民用化发展.进入20世纪末, 无人机发展进入了一个新时代并先后形成三次发展浪潮.目前, 世界各主要国家尽管发展方向和发展程度各异, 但无不积极研制开发无人机, 在进一步发展军事用途的同时又扩展到民用领域, 一个无人机发展高潮正在到来。

中国第一个高端多用途无人机遥感系统今年8月8日上午在贵州省安顺市黄果树机场首飞实验成功，这标志着中国无人机对地观测技术跨入世界先进行列。

这个由北京大学与中国贵州航空工业(集团1有限公司联合研制的多用途无人机遥感系统首次采用集成性、智能化和高分辨率空间数据获取等技术，在可靠性、飞行高度、平稳度、导航精度及运行制作成本等方面，已具备了航空遥感的应用能力，综合性能达到国内领先水平。有关专家表示，该机无论在飞行性能、导航控制精度、通信与任务设备装备上，还是在价格上，均具备了与国外发达国家竞争的实力。无人机航空遥感技术作为一项空间数据获取的重要手段，具有续航时间长、影像实时传输、高危地区探测、成本低、机动灵活等优点，是卫星遥感与有人机航空遥感的有力补充，在国外已得到广泛应用。

该贴已经同步到小奋青的微博

小奋青 · 发表于 2012-4-15 09:24

四、航空遥感影像成像方式

（一）中心投影的构像方程[10]

在微型无人机遥感中大多使用普通相机,随着数字影像处理技术和数码技术的普及,越来越多的数码相机取代普通光学相机担当了航空摄影仪的角色。商业数码相机一般采用面阵CCD(电子耦合器件)或CMOS(互补型金属氧化物半导体)作为感光器件,所获影像属于中心投影瞬间一次成像,即一幅影像上的所有像点共用一个影像中心和同一个像片平面,亦即共用一组外方位元素。因此,其成像原理与框幅式航空摄影仪相同,像点a与物点A之间的空间坐标关系可表示为中心投影成像的共线方程
式中x，y是以像主点为原点的像点坐标，是像点坐标偏离真值的误差；f为像片主距，X，Y，Z是相应地面点的坐标，a 、b 、c (i=1,2,3)是3个外方位角元素求得的方向余弦值：

X ，Y ，Z 是摄影中心的坐标值。该式不仅表示了无人机遥感影像的构像关系，同时也指明了影像几何变形主要来源于与传感器本身相关的内部变形误差和传感器以外因素引入的外部变形误差，为影像的几何纠正提供了理论依据。
（二）航空遥感影像的内、外方位元素[19]

为了由像点反求物点，必须知道摄影时投影中心、像片与地面三者之间的相关位置。而确定它们之间相关位置的参数称为像片的方位元素。像片的方位元素分为内方位元素和外方位元素两部分。
（1）像片的内方位元素
像片的内方位元素可以确定摄影物镜后节点相对于像平面的关系。因此，测图时可以利用像片的内方位元素建立和摄影光束完全相似的投影光束，从解析的观点看利用像片的内方位元素，可将像点在框标坐标系P-xy中的量测坐标转换成像空间直角坐标系S-xyz中的坐标，用于解析计算。它是摄影测量中重要的基本数据。
图3.1
（2）像片的外方位元素
在恢复内方位元素的基础上，确定像片摄影瞬间在地面坐标系中空间位置和姿态的参数，称为像片的外方位元素。如果已知像片的外方位元素，就能恢复像片在空间的位置和姿态。因此，像片的外方位元素在摄影测量中也是很重要的。
一张像片有六个外方位元素。其中三个是描述摄影中心S（摄影物镜后节点）空间位置的坐标值，称为线元素。另外三个是表述摄影光束空间姿态的三个角元素。
三个直线元素是指摄影曝光时，摄影物镜S在地面选定的空间直角坐标系中的坐标值Xs、Ys、Zs。地面空间直角坐标系可以是左手系的地面测量坐标系，也可以是右手系的地面摄影测量坐标系，如不做特别说明，则一般指地面摄影测量坐标系。
三个角元素是描述像片在摄影瞬间空间姿态的要素。其中两个角元素用以确定摄影机主光轴So在空间的方向，另一个角元素则确定像片在像片面内的方位。
假定摄影机主光轴铅垂，像片处于水平且像片坐标系x，y轴分别平行于所选定的地面坐标系的X，Y轴时，称为像片的理想姿态。而实际摄影时，摄影机主光轴不可能铅垂，像片也不可能水平，此时可以认为像片摄影时的姿态是由理想姿态绕空间三个轴向依次旋转三个角值后得到的。进行第一次旋转所绕的轴称为主轴；第二次旋转所绕的轴称为副轴，即绕主轴进行第一次旋转后的某一坐标轴方向；第三次旋转所绕的轴称为第三旋转轴，即实际摄影时的摄影方向SO。像片由理想姿态到实际摄影时的姿态依次旋转的三个角值，也就是像片的三个外方位角元素。

小奋青 · 发表于 2012-4-15 09:25

（二）几何校正的主要技术[2]

1．多项式纠正：该纠正法是实践中经常使用的一种方法，因为它的原理比较直观，并且计算较为简单，特别是对地面相对平坦的情况，具有足够好的纠正精度。纠正前后影像相应点之间的坐标关系可以用一个适当的多项式来表达，并根据地面控制点利用最小二乘原理计算出相应的多项式系数，完成影像的定位纠正工作。
2．构像方程方法，即常用的共线方程纠正方法：该法是目前高精度的遥感影像纠正方法中最主要的方法。与多项式纠正法不同，共线方程纠正法是建立在影像坐标与地面坐标严格变换关系的基础之上的，是对成像空间几何形态的直接描述。特别是该方法在纠正过程中还引入了地面高程信息，因此在地形起伏较大的情况下，它比多项式法更能显示出纠正精度上的优越性。
3．数字式立体摄影测量方法：它通过构成立体像对(异轨立体和同轨立体)采用前方交会的方法提取三维信息，既可生成数字地图(包括DEM) 也可生成正射影像。该方法的关键是精确解算像对的外方位元素和寻求立体像对中的同名像点。因此对这类影像的外方位元素求解及数字影像相关的精度就成了很重要的问题。
4 。有理函数法：有理函数模型 (Rational Faction Model， RFM) 是多项式模型的精确表达形式，实际上是各种传感器几何模型的一种更广义的、更为精确的表达形式。它在遥感方面有相当大的应用，而且已经成为构筑真实传感器模型的一种计算方法，它能适用于各类传感器，包括最新的航空和航天传感器。
5 。直接线性变换 (Direct Linear Transformation， DLT)法：该方法由于不需要内方位元素，也不需要外方位元素的初始近似值，因此特别适合于各种类型的非量测用摄影机。比如，在摄影像片的解析定位以及近景摄影测量和数字摄影测量等方面具有广泛的应用。
（三）存在的问题

上述几种几何处理方法均可获得较高对地定位精度。但也存在不少问题。归结起来不难发现，这些方法都要求在遥感影像区域内必须有足够数量的地面控制点(GCP 点)。定位过程基本是从“地”到“空”。以地面上控制点的地理坐标决定空间遥感图像在地理坐标空间中的位置，即陈述彭先生所说的以“静”（地面）制“动”（太空移动图像）的方法。因此，地面测量控制点或从地形图上选读控制点是不可少的作业步骤。从地形图上选读控制点，对于高分辨率的航空遥感影像来说，我们通常能够拿到的地形图精度很难满足要求。如果在大面积水域或某些地面工作极难开展的无图区，用上述影像的几何处理方法是无法完成遥感影像的定位工作的。在我国无图区的面积约占总国土面积（含海洋）的 25％，此外全世界 70％的地区是水域，对这些区域的遥感影像定位方法将不能简单地采用上述方法来完成。地形图是国家经济建设和国防安全不可缺少的基础地理信息资料，但在我国西部（北纬 26°50' ～ 49°10'、东经 74°30' ～ 104°30'）面积约 200km2 地区还属于无图区，约占国土面积的 20% ，涉及新疆、西藏、青海、甘肃、四川、云南六省区。它的空缺严重影响着我国西部的经济社会发展和国防安全保障，所以西部地区测图问题是测绘界面临的重大课题，而采用遥感和航测是解决西部测图的主要技术手段。因此解决无控制点下的影像纠正技术问题成为技术关键。
自二十世纪八十年代起，美国、欧洲等军事大国或集团出于全球扩张的考虑，开始了由“天”到“地”的校正研究，即由非常精确的空间位置与姿态向地面投影来确定像点的地面坐标。为此，实施了两项战略步骤：一是利用国际合作换取各国的控制资料。比如 1999 年，美国 NASA 牵头开展了一项提取全球地表三维信息的研究，通过向各国科学家提供航天飞机拍摄的 SAR 影像来换取各国的 DEM 数据；二是进行空间精确定位技术研究。比如在 KH 系列照相侦察卫星上利用 GPS 精确定轨。据了解，欧空局也正在执行一项计划，利用激光测距技术与 GPS 相结合来确定 ERS-2 卫星的空间精确位置与姿态，以方便 SAR 影像的几何校正。据悉，截止到 2000 年底为止，这项研究获得了精确到 m 级的空间定位精度。由于这项研究因军事应用价值较大而极端保密，因此相关的技术文献非常罕见。
（四）国内外关于稀少控制点下遥感影像纠正的主要研究成果

1. 林宗坚教授在《遥感影像无(稀少)地面控制点纠正技术》一文中提出一种从粗到精的多源影像配准的高分辨率遥感影像纠正和绝对(大地) 定位的新方法。首先，利用全球公开的 1∶100 万或 1∶25 万地形图，取大量特征地物信息对低分辨率影像(例如陆地卫星影像)进行纠正，并以低一级分辨率为基础配准，纠正高一级分辨率的影像。如此逐级纠正，把多种分辨率的遥感影像从低分辨率到高分辨率逐级地相互匹配。通过这种金字塔结构的中间分辨率过渡，解决最高分辨率与最低分辨率影像间对应特征很少的问题，最终得到最高分辨率的影像，实现对目标的识别和地理空间定位。根据实践经验，用 1∶25 万地形图对 TM5 影像纠正，可达到一个像元(30ｍ)的精度[14]。
2. 袁修孝教授《缺少控制点的卫星遥感对地目标定位》一文从单线阵推扫式传感器的成像机理出发，利用 6 个卫星轨道开普勒参数和 3 个传感器姿态角建立了推扫式卫星遥感影像坐标与其地面点在地心坐标系下的坐标关系式，即构像方程。按照所建立的构像方程，对某地区一景 SPOT5 影像进行对地目标定位，在无地面控制点的情况下，获得了实地上 83.392 ｍ的平面精度;利用单个地面控制点对卫星轨道开普勒参数和传感器姿态实施调整后，目标定位精度提高到 14.217ｍ。试验证实，所建立的构像方程是正确的，在卫星遥感对地目标定位中有较好的应用前景[15]。
3. P.V. Radhadevi， R. Ramachandran， A.S.R.K.V.在论文 Murali Mohan Restitution of IRS-1C PAN data using an orbit attitude model and minimum control[J]， Photogrammetry & Remote Sensing 53 (1998) 。中提出一种可以精确地把全色Pan影像从像方空间转换到物方空间的数学模型，并在模型中只采用单个地面控制点(GCP)来确定影像的外方位元素。该模型源于SPOT影像，利用共线方程来恢复卫星成像时刻空间几何位置，并利用高阶多项式拟合出随时间变化的卫星姿态角，同时利用已知的椭球数据和最小二乘拟合方法得到卫星轨道的基本信息[16]。

小奋青 · 发表于 2012-4-15 09:26

六、数字纠正概述

遥感影像的几何纠正，目前有两种基本手段，一种是建立在常规的光学模拟原理和光学机械设备的基础上，称常规方法几何纠正，或称模拟几何纠正；另一种是建立在数字处理原理和电子计算机基础上的，称数字方法几何纠正或称数字微分纠正，它是一种点元素纠正。数字微分纠正利用了原始影像的外方位元素，并根据纠正地区的数字地面模型，通过数字变
换，改正原始影像倾斜带来的误差和地形起伏引起的投影差的过程。航摄像片的像点与其对应地面点的投影变换可用共线方程解析确定。像片上如果取得每个像点的灰度值，那么依据像点与图点的坐标对应，再经过灰度值的摄影测量内插，可取得以灰度值表示的数字正射影像。通过获取正射影像上每个像点的灰度值来实现像片纠正的方法称为数字纠正。数字纠正属于高精度的逐点纠正。它可以纠正处理框幅式航摄像片，也可以对遥感技术中各种传感器获取的图像进行几何处理。在全数字化自动摄影测量中，数字纠正除了用于纠正晒印正射像片外，还能为数字相关提供“理想像片”的数字影像。这种纠正方法将逐渐代替常规纠正方法和微分纠正方法，而成为航测与遥感进行图像几何处理的主要方法。
用像素灰度值的二维矩阵表示像片影像称为数字影像。数字影像可以直接用空间飞行器中的扫描式传感器产生，也可以用影像数字化器对摄取的影像通过影像数字化获得。所谓影像数字化是将灰度连续变化的光学影像变成灰度变化不连续的数字影像的过程，它是当前获取数字纠正原始数据的主要途径。数字影像的灰度值一般分为256个等级。
数字纠正的基本单元是像素，像素是一块面积极小的影像，可以看成是像点，在航摄像片上可以用g(x,y)表示，其中（x,y）表示像素中心的平面坐标，g为像素的灰度值。
数字纠正的作业过程包括：
1．建立像片的数字影像，即获取航摄像片上每个像素的灰度值；
2．解析地建立像点与图点的坐标对应；
3．灰度值的摄影测量内插，即灰度值的重采样；
4．数字正射影像的输出；
按照上述过程，在具体实现数字纠正时可以采用两种方案进行，一是间接法数字纠正（又称反解法）；另一种是直接法数字纠正（又称正解法）。无论哪种方案必须已知像片的内外方位元素，以及从已知的数字高程模型中获取地面高程Z。3．灰度值的摄影测量内插。
原始像片上所有像素投影变换完毕后，正射像片上利用各像素对应点的灰度值G
（X，Y）进行灰度值的摄影测量内插，求出正射像片各像素G（I，J），即格网的每小格影像的灰度值。
从以上论述，可知间接法数字纠正比较适合制作正射影像图。因为它是在规则排列的灰度量测值中进行灰度值的摄影测量内插，不会出现像素内（即每一小格）灰度值的“空白”与重复，同时重采样的结果可以直接赋给正射影像，计算机不需要大块的存贮空间。另外在数字高程模型上可以由地面点坐标（X，Y）直接内插出高程Z，无需迭代求解。但是在有些情况下，人们对航片上的某些特征影像如道路、地类界、房屋轮廓、水涯线等等感兴趣，只需要将这些目标影像纠正后投影到地图上时，直接法数字纠正显示出优越之处。