地物目標空間信息獲取技術的發展及研究現狀

摘?要：隨著我國經濟的快速發展和國防力量的不斷壯大，人們對地理信息、地物表面及空間信息的需求量迅速增加，地物目標空間信息獲取技術已逐漸成為國家重大的戰略要求。本文首先概述了地物目標空間信息獲取，進一步對地物目標空間信息獲取技術的發展和研究現狀進行闡述。

關鍵詞：地物目標空間信息；航空遙感；機載定姿定位；直接對地目標定位

近年來，隨著“智慧城市”“數字中國”戰略的提出與實施，特別是我國加強基礎設施建設、實施西部大開發及交通強國戰略以來，對實時、快速、精確地獲取各類地物目標的空間信息提出了越來越高的要求。此外，在監測地理國情、整治土地、抗震救災、地質資源勘探和人員搜救等諸多領域，對地目標空間信息獲取技術時刻都在發揮著重要的作用。因此，地物目標空間信息獲取技術與我國經濟的持續高質量發展、社會的和諧穩定和人民的幸福生活緊密相關，已成為助力推進中國式現代化進程中的關鍵一環。

1?地物目標空間信息獲取概述

地物目標是指在遙感影像中一些具有代表性的區域，如建筑、道路、橋梁、小島、水庫等。其空間信息的快速、準確提取是認知地物目標特征的關鍵。地物目標的自動化、高精度定位技術在“智慧城市”、3D數字城市構建、“智慧中國”建設中有著廣泛的應用需求，同時在軍事偵察、人員搜救、抗震救災等領域也起到至關重要的作用。

1.1?地物目標特征選取和空間信息獲取

地物目標特征的合理選取是獲取遙感影像中地物目標空間信息的前提，也決定了后續地物目標分類辨識的精度。常見的地物目標特征有光譜特征、顏色特征、紋理特征、幾何特征等。在確定地物目標特征后，目標識別算法在遙感影像中對地物目標進行特征的自動識別，利用高性能計算機實現人的視覺功能，將符合的地物目標從背景中提取出來，以進一步獲得地物目標的空間信息。

在遙感影像中，地物目標空間信息獲取主要包括三步（下圖），分別為遙感影像目標檢測、地物目標提取以及地物目標識別。其中，遙感影像目標檢測是從原始遙感影像中篩選出可能具有待檢測地物目標的范圍，目標檢測在已知或者未知目標先驗信息的條件下均可進行；而地物目標提取則是在該范圍內選取出待檢測目標的某種特征來區分目標與背景，如光譜特征、顏色特征等；最后則是在識別技術的基礎上，結合目標獨有的特征進行辨識，從而獲取待測目標的空間信息。

地物目標空間信息獲取過程圖

1.2?高分辨遙感技術對地物目標的影響

隨著遙感技術的不斷發展，各類新型遙感傳感器不斷涌現，遙感數據的獲取能力也不斷提高；同時，遙感數據的空間解析度也日趨變強，已經從低、中空間分辨率發展為當前的高空間分辨率。高分辨率遙感信息不僅清晰地呈現地物目標精細的幾何數據，而且還包含被測表面的細節特征，這為地物目標空間信息獲取提供了充分的依據。然而，遙感影像的高分辨率也產生了以下不利問題。

（1）在同樣覆蓋范圍下，高分辨影像的信息量急劇增加，需要同時處理大量數據。

（2）地物目標幾何噪聲增大，如待測區域上某些地物的陰影等會在高分辨率影像中呈現一定程度的幾何噪聲。

1.3?地物目標空間信息獲取技術的發展和意義

在地物目標空間信息獲取技術發展過程中，最先采用GPS（Global?Position?System）輔助航空攝影測量或人工測繪實現定位，然而該技術需要在地面布設裝置，而且存在很多人工無法到達的區域，極大限制了其有效使用。隨著裝備制造水平和慣性導航技術的快速發展，機載定姿定位系統POS（Position?and?Orientation?System）隨之問世，其能夠在布設少量地控點或無需布控下進行目標定位。與此同時，機載激光掃描雷達LiDAR（Lighting?Detection?and?Ranging）作為一種航測和遙感對地觀測的新型傳感器的出現，能夠同時提供高分辨（強度和高度）圖像和準確距離信息，進一步增強了獲得地物平面信息的能力，極大地促進了航空攝影觀測中地物目標空間信息的獲取。

地物目標空間信息獲取對于我國經濟、軍事、科技、民生等各方面發展具有重要意義。

（1）為國家“數字中國”“智慧城市”發展戰略快速提供所需的基礎地物信息數據，助力中國式現代化發展。

（2）在軍事領域中，高精度的機載POS對地物目標定位技術有廣泛的應用需求，如航空偵察時必須通過該技術快而準地取得對目標的空間位置信息，才能實現有效打擊。

（3）在民用領域中，該技術已運用在人員搜救、整治土地、抗震救災、森林防護及資源勘測等領域中，是獲取重要地理信息數據的主要手段之一。

2?航測的數字化發展及現狀

航測也稱航空遙感，是一種無接觸的傳感測量技術。傳感設備搭載于航空飛機上，其可以非接觸獲取并記錄地物目標的空間信息，進而解析得到精準的地物目標信息。因此，航測的主要任務是，獲取地物目標的空間地理信息，用于繪制地形圖、創建地理數據庫和地理信息系統。航測與遙感距今已有100多年發展歷史，21世紀以來，航空遙感技術隨著新型機載傳感器的問世而得到大幅發展，已經從經典的膠片航空攝影逐步轉變為集成化和數字化。

2.1?膠片航空攝影測量

航測技術興起于1839年，當時主要通過手持航空攝影測量儀（航測儀）進行檢測。20世紀50年代左右，人們發明了帶有底座固定和導航裝置的膠片航攝相機。RMK、RC8等是膠片航測相機的典型代表，其畫幅均為18cm×18cm，且攝像頭的畸變較大。到了1975年，研制的RC10/20、RMK?A/B、LMK等航攝相機畫幅增加到23cm×23cm，并且新增了航攝影像位移補償功能。20世紀80年代中期，畫質更優、功能更強的新一代的RC3和RMK?TOP問世，二者成為當時應用最為廣泛的航攝相機。

由于機載平臺技術的日趨進步，飛行管理系統和陀螺穩定平臺加入新一代的膠片式航測儀，有效提高了影像的分辨率和清晰度，同時實現了航空攝影測量儀的自主導航，航攝儀的實現了一定程度的自動化測量。

2.2?數字航空攝影測量

隨著對地觀測技術和對地觀測裝置的日趨發展，航測數據開始由膠片式向數字化的轉變。20世紀90年代，瑞士的Leica和德國的Zeiss等公司分別推出ADS40和DMC。其中，DMC采用組合的面陣CCD掃描方式，具備前移補償的功能，而ADS40數字航空相機采用線陣掃描方式。面陣相機優于線陣相機主要體現在：

（1）具有更高的幾何精度。

（2）成像數據能夠兼容已有數字攝影測量系統，更為方便數據的后處理。

數字航空相機雖然具有獲取航攝影像的明顯優勢，但是其成像的畫幅相對較小，所以開發大畫幅、數字化的航測相機成為發展數字航測技術的關鍵。當前國際上流行的DMCⅡ230、ADS80等組合寬角數字相機，是實現大畫幅數字化航測儀途徑之一，但仍無法滿足我國建立高精度、輕小型的航測系統的現實需要。我國在2012年成功研制出首臺自主產權的寬幅數字航測相機SWDC4A，其采取外視場精密拼接技術高度集成的四個面陣CCD相機，它們在工作時同時曝光，能夠獲得總達1.6億素數的寬幅影像。融合慣性穩定平臺和機載POS系統，能夠穩定輸出高質量影像，成為一款新型的數字航測儀。當前SWDC4A具有很好的應用前景，已應用于應急影像獲取、航空遙感等領域。

2.3?機載激光掃描LiDAR

航測的數字化發展自20世紀90年代后取得了不斷的進步，其中LiDAR點云數據處理技術和機載LiDAR系統的研發，助力了目標的精細化分類技術的發展和進步。機載LiDAR是一種創新、主動、有源的遙感技術方式，具備自動化程度高以及三維觀測精確的優勢，能夠可以迅速、精準地獲取地物目標的空間信息。機載LiDAR技術已逐步成為關鍵的航空對地觀測方法，并已在航空測量領域得到了廣泛應用。

我國于2005年開始激光掃描技術的研發，當時均是在國外進口的儀器上進行研究。2012年，中國測繪科學研究院和中科院光電研究院依托“863”課題展開了機載LiDAR系統的研發；隨后國內一些公司也相繼開發出多款車載/機載/地面載LiDAR系統，基本實現了LiDAR裝置的國產化，并且產品性能越來越優良。例如，我國北科天繪研發的云雀輕型LiDAR系統SKYLARK，集機載POS系統和激光掃描儀于一體，是一款性能卓越的機載LiDAR產品，其能控制系統平面測量精度和高程精度分別在10cm和5cm以內，最長探測距離為1500m，負荷總重量達到4.8kg。

綜上可知，我國雖然已具備自主研發機載LiDAR設備的能力，然而LiDAR技術理論仍缺乏深入研究，尤其對于影像與機載LiDAR點云的融合方面的研究仍存在不足；此外，工程實踐經驗匱乏，仍處于完善發展階段，這也是未來機載LiDAR要發展的方向。

3?機載定姿定位系統的發展和現狀

機載POS能夠獲取載機位置、姿態等信息數據，目前已在成像光譜儀、數字航空相機、機載LiDAR系統、合成孔徑雷達等航空傳感器上得到了廣泛應用，在地物目標空間信息獲取技術中發揮著舉足輕重的作用。

1993年，Schwarz教授等人首次提出在航空攝影測量中結合機載POS使用。隨后許多國外的大學等機構對該技術開展了大量研究，這對機載POS技術的革新進而機載POS設備的商業化應用，起到了關鍵的推動作用。國際攝影測量與遙感協會也進一步推動研制高精度的機載POS系統。加拿大的Applanix公司率先在1996年研發出了DGPS/INS的組合導航設備POS/AV，隨后美國、德國等發達國家也都各自研發出了自己機載POS設備。

由于機載POS在軍事測繪和偵查領域具有重要意義，針對機載POS系統受制于人的問題，我國從2002年開始對POS技術展開大量的研究工作，2009年開發出能夠實現運動補償的機載POS系統。此后，東南大學等機構相繼開展了機載POS系統的研究。時至2020年9月，我國自主研發的PPOI系列機載POS系統，具備同時實現三維定位及測速能力，能夠實現三維姿態和方位測量，目前已廣泛用于軍事測繪、航空測繪等領域。

總體來說，我國目前的機載POS系統研發水平以及相應設備性能指標，已能夠達到國際先進行列，能夠提供直接的測姿定位解決方案，很大程度上攻關了我國航測與遙感發展的卡脖子技術。

4?地物目標直接定位的提出和發展

地物目標直接定位的目的是了解目標物的幾何信息，為勘探礦產資源、防護森林火情、搜救人員等領域提供數據支持，是我國獲取基礎地理信息的重要手段。地物目標定位最初通過空間三維測量，并由共線方程獲得確定的空間幾何數據，但這種方式繁雜且應用范圍窄，如許多人員無法到達指定地點進行布設。隨著GPS的研制和使用，人們發現GPS輔助航測技術的能夠協助進行空三測量，進而解決航攝相片定位的問題。然而，該組合技術不能獲得目標地物的姿態參數，并且仍無法解決需布設地控點的問題。

DGPS/INS導航系統隨著慣性導航和濾波技術的進步應運而生，其能夠同時輸出航空傳感器的位置和姿態數據，這使機載POS輔助航測得以在地物目標定位中廣泛應用。機載POS本質上就是由DGPS和INS集合而成，分別對它們獲得的相位坐標和載機姿態信息進行聯合處理和補償，進而獲得航測影像的具體定位定向數據。目前，機載POS主要有集成傳感器定向（ISO）和直接對地目標定位（DG）兩種對地觀測模式。

（1）ISO模式是以機載POS獲取的外部數據和目標點坐標作為基礎值，代入系統獲得聯合區域網平差，該模式下影像方位元素在航攝儀曝光時獲取，具有更高的精度。

（2）DG模式則是利用機載POS幾何中心、GPS相位中心和航測儀攝影中心固有的位置關系，直接獲取地物目標的空間信息，該模式下的外方位元素僅依靠機載POS系統輸出即可獲得，因此無需布設地控點，大大簡化了人力和物力。

2002年我國測繪科學院率先引進了國外的AEROControl系統并展開了機載POS的系統研究，隨后一些科研機構也陸續引入并開展研究和應用。總體來說，雖然我國已經能夠自主研制機載POS系統，POS輸出精度達到國際先進水平；然而由于裝備制造水平和濾波技術的限制，我國在機載POS系統集成航測進行地物目標定位方面仍需要深入研究；尤其是在機載POS中GPS和INS的數據融合方面，以提高POS技術的輸出精度和地物目標定位精度。

結語

本文對地物目標的空間信息獲取和相應技術進行了研究和綜述，并總結了地物目標信息獲取技術的發展建議，希望能夠從地物目標信息獲取技術為地理信息系統的發展方向提供參考，并助力我國“數字中國”“智慧城市”的戰略的實施。

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作者簡介：胡寬裕（1990—?），男，漢族，甘肅靜寧人，碩士，工程師，研究方向：工程測量、空間規劃、土地規劃。