摄影测量和激光的比较-测绘专业英语翻译(中)

摄影测量和激光扫描的比较EmmanuelP.Baltsavias大地测量和摄影测量学研究所,瑞士联邦理工学院,ETH-Hoenggerberg,CH-8093苏黎世瑞士1998年10月22日收到；1999年3月17日接受摘要本文提出了使用被动光学传感器和机载激光扫描的方法进行数据采集与处理的比较。归纳了这两种技术的概况及主要区别。讨论了各个方面的优势和缺点，如传感器、平台、飞行计划、数据采集条件、成像、物体反射系数、自动化、准确性、灵活性和成熟度、生产时间和成本。提出了一个关于DTM和DSM间的详细比较。概括了激光扫描在某些应用程序方面的优势。虽然机载激光扫描与摄影测量在一定程度上存在竞争，在某种情况下还能取代它，但这两种技术有一定的互补作用,两者的整合将带来更精确和完整的产品,并将开拓在新领域的应用。关键词：数字和解析摄影测量，机载激光扫描，对比，DTM，应用1.引言：下文的比较仅限于机载系统和激光测距系统，主要应用于于环境及其他领域的机载探测激光雷达除外。由NASA开发的不同实验系统以及地质/水文应用的双频率ALS系统将不作讨论。第一组展示了一些有趣的技术发展和新领域的应用，至于第二组的应用领域，原则上不能使用光学传感器对其进行处理。在摄影测量中，模拟和数字传感器、解析和数字摄影测量系统均被包括在内。1.1.简介：摄影测量基于影像的处理，主要产品有：数字地面模型，数字高程模型，正射影像，二维和三维重建及测图和专题应用分类，可视化（地图、三维视图、动画和模拟）。胶片的处理通常采用解析测图仪完成（该方法已使用近20年），而数字数据使用数字摄影测量系统（DPS）处理，该方法已使用约7~9年。数据处理的算法在不断发展。摄影测量理论有长达一个多世纪的发展史可依。近20年来基于图像分析方法的数字影像信息提取技术的自动化得到了深入研究。作为本世纪最重要的技术发展之一，1988年，激光在斯图加特大学摄影测量协会的研究中被引进了这个社会。近两三年来，机载激光扫描（ALS）受到的关注与日俱增。目前，约有5家公司出售（或短期内将出售）ALS系统，世界范围内约有35家公司提供此服务且其中有一半提供定制系统。几乎所有的系统都利用GPS和INS进行传感器定位。激光频率在500~1500纳米范围，均值为1040~1060纳米。机载激光测距系统通常采用短脉冲光汞（常用激光二极管）达到大的功率和1弧度光束发散角。一些系统允许由一个激光脉冲记录多重回波，例如第一个或最后一个，或者甚至是附加在这其中的规则间隔内的脉冲。一些系统不仅提供距离，还提供强度信息，然而后者现在应经很少使用了。许多系统提供额外的机载标准视频和数码相机；然而这些只是与ALS和GPS/INS系统松散地整合。与摄影测量相机、多光谱传感器、SAR等的集成还处在一个有限的水平。ALS可使用直升飞机或固定翼飞机运行，或两者兼用。飞行高度在20~6000米之间，平均飞行高度范围在200~1000米内。虽然有一些商业软件包能进行GPS/INS处理，大地变换，可视化，以及DTM插值，但原始数据的处理通常还是由服务公司的部分未知算法和程序完成，特别是为更复杂的包括点过滤和分类的后续处理部分。ALS是一种相对较新的技术，对成本、系统集成以及工艺方法的成熟程度、提供者的数量都有显著影响。1.2.主要区别：摄影测量与ALS的主要区别有：被动vs主动，大功率，平行和单色传感；透视几何原理的框架或线性传感器vs极坐标原理的点传感器；全区域覆盖vs逐点采样；直接获取vs间接获取三维坐标，编译三维坐标；高质量的几何和辐射多光谱图像vs无图像或低质量的单色图像；ALS“看”的能力要比它的足迹小得多，等等。其他差异都是上述差异的结果。另外在技术的成熟与发展潜力方面也还存在差异。从产品的角度来看，ALS目前仅由服务商提供，而世界各地的使用者在个人电脑上可以使用摄影测量系统并且产生自己的数据。1.3.共同点：摄影测量和ALS的共同点包括：(i).GPS的使用，数字摄影测量传感器的使用，由其是线性的，GPS/INS；(ii).原始数据的处理方法如粗差过滤，移除非DTM地物如建筑物，数据的归化（尖灭）和压缩，分离线的探测，这些都为ALS和DSM/DTM图像匹配共享；(iii).此外，当激光数据需要内插时，可把它们当做图像处理，并且可以运用各种不同的图像分析和处理方法。因此，传感器的集成和图像的分析处理是这两种技术结合的两个重要课题。2.比较：摄影测量和ALS之间的常见应用和竞争领域在于单个对象或地表的三维测量。这是因为若不使用附加的光学传感器，地物的识别和分类会很困难甚至无法完成。在进行这两项技术的比较之前，要提出一个主要思想。缺少解译的测量非常困难甚至不可能达成。例如，要量测数百万地物的测量中的建筑物，首先，这些建筑物的量测结果必须是可被检测到的（包括量测结果的分类），其次要基于被检测到的测量结果和其他应用领域的知识对其建模。由于仅仅基于测距和高程数据的解译十分困难，这就明确了空间图像和激光测量的多时相分析在解译和测量中常是必不可少的一部分。由于每个客户对所量测地物都有具体的要求，相比建筑物，解译在普通或精确的地表/地物表示中显得更加必要。2.1.可用传感器各式各样的被动式光学传感器（POS）令人印象深刻。根据应用需求，传感器可有不同的几何形状（2D，线性，多行，点探测器），不同格式、几何、辐射和光谱的分辨率（包括数量、中心波长和光谱带的宽度），不同几何精度（十进制，半十进制，非十进制），不同存储介质（模拟的，数字的），不同的重量、功耗、成本等。ALS系统在多变性和灵活性上稍显逊色。基于线性或区域性CCD和探测器（在某些高光谱系统中）的全色、多光谱或高光谱数字传感器的使用在不断提升。典型的数字传感器包括标准视频、静止视频（黑白，彩色，红外），专门定制的传感器使用区域型CCD（通常只有黑白）和线性CCD(一个或多个沿声道立体声及光谱遥感)。ALS与被动光学传感器间的比较主要在于摄影测量胶片相机、预期的数字摄影测量相机（于2000年问世的一款三线阵CCD为基础的系统）、以及大面积CCD传感器（目前，20002~40002像素的传感器已被使用）。摄影测量胶片相机提供大的版式、约60lp/mm的MFC的典型分辨率、失真很小的不同焦距镜头、大存储容量（每张胶片约500幅图像，相当于200GB的12mm扫描像素大小的黑白胶片数据）；此外，它们非常强大、稳定和精准。并且，对于冷凝和高温，由于激光器极低的效率和丢失的汞浦能量转化为热的影像，后者会损害激光的性能，应当更加严格控制。ALS对电源的要求也比较高，然后有些系统还是不能安装在标准的飞机孔洞里。特别的是POS传感器和摄影测量相机提供了一个更加简单、不复杂并且更加可靠的方法，并且还更便宜。传感器的寿命是一个很少讨论的话题。虽然强大的航空相机可使用数十年（在瑞士仍有一个RC8还在使用），激光器的寿命仍然有限，其寿命与工作温度依一定比例成反比。对于受ND：YAG调节温度的激光器，其寿命约为10000小时，而某些系统则在长时间使用后迅速老化，例如输出功率会大大降低，虽然汞入激光器的能量石相等的。关于光谱信息，虽然激光存在于一个比可见光和近红外更宽的光谱范围内（例如，50~30000nm，X射线和自由电子激光除外），但运用于ALS中的激光器还是受限于NIR区域。某些激光器是可调谐的，例如，它们的波长可调节，有时会超过几百纳米的大范围，但这又不指通常用于ALS中的激光器，此外，频率不能同时使用。最近，贝尔实验室升级了半导体激光器，它们能同时发射三中波长，但现在仅在6.6~8mm范围内，还需要几年时间将其商业化。更多频率的同时发射可通过谐波（基本激光频率的倍数）产生，例如，用1064nm波长的ND：YAG激光器，产生第一种谐波波长为523nm（用于水深激光器），第二种为266nm，等等。这种系统能耗大、更复杂、需要更多资源（例如存储），并且有时高次谐波的功率较低。暂且不谈这些有趣且有前景的发展，在同时供给多光谱信息方面，ALS仍不能与POS竞争。2.2.平台：POS被置于几乎所有可能放置的平台上，从小型的气球到地球同步卫星。除了少数的星载系统，ALS系统受限于飞行高度主要在1000m的直升飞机及飞机。新的商业化ALS系统已公布的飞行高度可达6000米，但它们的作战使用和所达到的精确度现在都很少为人所知。此外，最大飞行高度受限于激光能量和探测器的灵敏度，对高脉冲率的来说还受限于最大的清晰范围（Baltsavias，1999年）。最低飞行高度同样受人眼安全考虑的限制。由于ALS的存在，飞行速度受限于系统的技术参数（如扫描速度）、存储容量、平滑旋转的需求和由于使用GPS/INS进行激光光束定位引起的小插值误差，以及为保证困难地区重叠度而进行的操作。一些POS机，如数码相机，特别是基于线性CCD的数码相机，关于飞行高度和平台的速度还存在一定限制。2.3.GPS/INS集成使用ALS和非区域POS机，则GPS/INS系统是必要的。随着区域POS机的使用，尤其是摄影胶片相机的使用，GPS集成成为一个明显地趋势。作为ALS系统中非常昂贵的组成部分，虽然INS可以使用，但如果有需要它也不是必须的。此外，对于一维或二维POS，GPS/INS的测量频率可低于点传感器。2.4.飞行计划对于摄影测量相机，飞行计划简单而完备。而对于ALS就复杂得多，且在地势平坦地区还出现过行带间存在间距的计划。原因是那些相对狭窄的带宽，尤其是低空飞行平台的，也可能是因为没有使用DGPS导航和由于动力或能耗的原因使用小重叠度带，以及部分矛盾的要求限制，例如，最大激光测距受限于地形最低点，而为满足足够的重叠度又要将地形最高点考虑在内。在困难地形区，飞行计划可能会非常复杂，例如在陡峭的峡谷中向高山上飞行，至少需要一个粗略的数字地面模型，或许还会把直升飞机当平台使用。2.5.地物反射：激光是有一个很窄的光谱宽度（也称为线宽）的单色光。虽然有很多激光能在多个频率发射且有的还有很大的光谱宽度（例如100nm），但典型的宽度还是在2~5nm。另一方面，即使某些配备高光谱传感器的POS机可以有一个很窄的约几毫微米宽的光谱宽度，它们通常还是覆盖整个可见光谱或几个宽的光谱带。因此，对于在激光波长范围内有窄光谱特性的地物，使用ALS的情况下比使用POS会反映更高的响应。2.6.自动化程度在理想条件下，ALS可提供全自动的X,Y,Z源数据。此数据仍需手动纠错和填补空缺。植物和建筑的滤波能高度自动化。摄影测量过程尤其涉及胶片时，需要更多的人工干预。内定向可以完全自动化，但并非所有的商业系统都能提供。传感器定向（空中三角测量）很难完全自动化，商业化进程所作的影像匹配比根据原始数据进行观察来匹配的表现出更多或更大的误差，因此需要更多的手动编辑。3.ALS的优势及主要应用领域从以上的比较可以看出，ALS在某些应用中有可被很好地开发的优势，其中最重要的优势如下：很少或没有纹理及低分辨率的地表测图。这种情况下，图像匹配提供很糟糕的结果，手工测量也很遭，或是很慢很累。例如冰/雪面、沙（海岸、沙丘、荒漠）、沼泽和湿地。森林和植被区域测图。ALS系统可支持地面测量。渗透率主要取决于树的类型（落叶或针叶）和季节。有用的结果也取决于地形粗糙度，有时甚至达到20-30％的渗透率。长窄特征测图。这包括道路测图、规划和设计，电力线纵走廊规划和塔设计，海岸侵蚀管理，海岸带管理，交通运输，水资源及运输管理，铁路线测图，光纤通道、管道、堤坝等。与光学传感器相比，ALS系统有一个更为狭窄的扫描带，它们在捕捉这类应用所需的信息时更为有效。城市规划中的城市DSM一代，通信天线的屋顶高度，等等。由于ALS提供非常密集和精确的测量，三维地物特别是建筑物具有不明确连续性的检测、重建和建模比DSM中由影像匹配所提供的要更简单，比手工操作更快。点密度高、高精度的测图应用如监测露天矿井或垃圾场，洪水测绘，地方基础设施测图（如机场），石油和天然气勘探。微小地物的测绘，例如，电源线（几乎是ALS