专利名称：遥感多维信息集成的装置和方法
技术领域：
本发明属于遥感对地观测技术领域，尤其是涉及用遥感技术制作多维遥感系列图像的装置和方法。
遥感对地观测技术领域里有两项现有技术即地学编码遥感图像生成技术和地面数字高程模型生成技术。其中的地学编码遥感图像的生成技术是将航天、航空遥感器所获得的包含有各种畸变的图像经过变换和重采样，转换成为按地理坐标格网重新排列后的地学编码遥感图像。用现有技术来实现有几个步骤搜集遥感图像范围内的已有地形图；将遥感图像与地形图对照，分别在遥感图像与地形图上选出公有点(或称同名点)。同时读出公有点的线号、象元号(L.I)，地理坐标(X，Y，Z)；依公有点坐标，用数学模型建立图像空间与地理空间的转换关系模型；按坐标格网将遥感图像按采样模型重采样，完成遥感地学编码图像。
其中的地面数字高程模型(DEM)的生成技术是在每个点上给出高度数据(高程)，将这些点按地理坐标格网排列的二维点阵表达地面高低起伏的方式称地面数字高程模型(DEM)。现有技术中生成DEM方式有立体摄影测量测绘地形图时同时生成，这是国内外已成产业的技术。地形图数值化生成DEM。这是流行的现有技术。以及地面测量直接生成DEM。
上述两项技术本身的实现是一种需要长周期，大量劳务投入的技术过程。遥感图像处理中必须将DEM与遥感地学编码图像套合，这是提高遥感分类精度的主要技术措施。这种套合又须经建立两者的转换关系模型和重采样过程。但由于上述技术过程的繁杂还远没有用于实际的遥感作业流程中。
航空、航天遥感信息获取技术系统中的现有技术中属于集成型技术的有单台遥感器与全球定位系统(GPS)组合
一类是GPS与光机扫描成像仪等遥感器组合。以降低图像定位难度；一类是航空相机与GPS组合。GPS提供曝光瞬间航空相机投影中心的位置，采用区域网平差的方式加密测图控制点而减少地面测量工作。德国及我国已有此项技术见(“GPS辅助光束法区域网平差”。李德仁，测绘学报24卷二期1995.2)。
单台遥感器放在陀螺稳定平台上。在飞机飞行时，使遥感平台的姿态保持在一定角度大小的范围内(例如10’)。使遥感图像获取后不经处理即可有好的视觉效果。
单台遥感器与GPS、姿态测量装置的组合技术一类是成像遥感器与GPS、姿态测量装置的组合技术。但至今尚未形成技术系统；一类是光机扫描激光测距仪与GPS、姿态测量装置的组合技术。这类装置是用于获得DEM。如美国休斯顿高级研究中心(HARC)的航空激光地形测量系统(ALTMS)系统；美国喷气推进实验室(JPL)的系统以及加拿大和德国的技术系统。但无遥感成像技术。可参见PROGRESS INGEOREFERENCING AIRBORNE LASER ALTIMETER.Presented at the 2thInternational Airbme Remote Sensing Conference，San Francisco，California，24-27Jane 1996。
一类是微波范围里微波遥感器与GPS、姿态稳定设备的组合系统。如美国专利US4915498所公开的美国ERIM的干涉合成孔径雷达(NSAR)。是利用干涉测量原理求相对高差，一个微波波段的图像。这一类设备数据处理需用巨型计算机，一次飞行后处理时间达7～15天时间。
所有上述各种技术都是将图像信息、距离信息、姿态信息、位置信息分别组合后再综合起来制作成多维遥感系列图像的。因此作业繁复、周期长、效率低。
本发明的目的就是为了解决不要地面测量、不用地形图而直接用飞行器载获取的信息快速地制出已准确匹配好的地面数字高程模型(DEM)和地学编码图像。大大缩短遥感对地观测技术作业流程周期，将效率提高百倍以上。
本发明的技术方案就是将飞行器载光机扫描成像仪，光机扫描激光测距仪与姿态测量装置共同设置一刚性平台上，并将成像仪与激光测距仪的主光路联合在一起共同组成测距成像组合遥感器。再用与之共轴的同步控制器(光电编码器)控制测距成像组合遥感器、姿态测量装置以及GPS接收机，使同步提供图像数据、位置数据、距离数据、姿态数据并经计算、内插和回归处理后，可直接获得地学编码遥感图像、地面数字高程模型以及多维遥感系列图像。
本发明可以依实施例配以附图作进一步的说明。其中
图1为遥感多维信息集成装置的结构示意图；图2为测距成像组合遥感器光路示意图。
本发明中的遥感多维信息的集成装置是由飞行器载的光机扫描成像仪2、光机扫描激光测距仪1、姿态测量装置3、全球定位系统(GPS)4、同步控制器9、数据采集与记录装置5、以及地面或飞行器载的数据处理和成像绘图装置6等设备集成而成。其中由光机扫描成像仪2、光机扫描激光测距仪1、主光学系统8、扫描镜7、光电编码器9等构成为测距成像组合遥感器25(见图1)。
测距成像组合遥感器25用于同步提供地面目标点的遥感图像数据和组合遥感器25至地面目标点之间的距离数据；姿态测量装置3是一台平台罗经，用于提供测距成像组合遥感器的姿态数据；全球定位系统(GPS)接收机4用于提供测距成像组合遥感器的位置数据；同步控制器9是遥感多维信息集成装置的时间同步基准，控制测距成像组合遥感器、姿态测量装置、全球定位系统(GPS)接收机同步接收图像数据、距离数据、姿态数据和位置数据；数据采集和记录装置5用于图像数据、距离数据、姿态数据和位置数据的同步采集并按规定格式记录；数据处理和成像绘图装置6用于数据采集和记录装置5中的全部数据进行处理并绘制成遥感多维系列图像。本发明中的光机扫描成像仪2可以是一种多光谱成像仪。
测距成像组合遥感器25是光机扫描成像仪2与光机扫描激光测距仪1共用一套主光学系统8(包括共用一个扫描镜7)的方式组合而成(见图2)，由同步控制器9作为时间同步基准。组合遥感器25的视场为±15°或±22.5°，即扫描镜7在360°的旋转扫描中、或用摆动的扫描方式时，只有主光轴(垂直)对地面时的±15°或±22.5°的预定视场角范围内采集数据。扫描镜7的镜面19与传动轴15成45°，传动轴15的方向与飞行器方向一致。扫描镜7围绕其传动轴与飞行器运动方向相垂直的方向上作扫描旋转。在预定视场角范围内接收图像信号并发送和接收激光测距信号，形成一个扫描行，在该扫描行中含有预定数量的像元和预定数量的测距点。成像与测距点形成的过程为激光器14发出的脉冲激光信号经转折镜23、24转向扫描镜，经扫描镜镜面19反射为激光12的方向向地面发射。地面目标的遥感图像信号13和脉冲激光回波信号11经扫描镜镜面19的反射同步进入主光学系统，经透射反射分色片18，激光回波信号反射向激光时间距离数字化器17，得到距离数据；遥感图像信号透过分色片18到达遥感图像探测器16，得到一个像元的遥感图像数据，这种时间同步由同步控制器9来完成。
同步控制器9可以采用一个与扫描镜7的传动轴共轴联结的光电编码器。光电编码器的每一位相应于成像时的一个像元，例如光电编码器为2048位，视场角为±22.5°时，每一个像元的瞬时视角为3毫孤。光电编码器给每个像元发送码信号使遥感图像探测器16得到像元的图像数据；每间隔预定像元数向像元发送码信号的同时给激光器14发送触发脉冲使之产生测距脉冲激光信号；发送中心像元时刻电脉冲到姿态测量装置以控制从该装置中取出中心像元时刻的飞行姿态数据；上述中心像元时刻的电脉冲同时发给GPS接收机，在GPS接收机中产生时序标志，以此标志时刻的位置数据作为组合遥感器的位置数据。
姿态测量装置是一个平台罗经。可以连续地给出组合遥感器的姿态数据(φ、ω、κ)。组合遥感器的姿态是指主光学系统的主光轴及扫描方向的垂直方向相对于地理坐标系三坐标轴间的夹角。当主光轴处于严格铅垂状态，扫描方向与地理坐标纵轴一致时，姿态测量装置的φ(俯仰角)，ω(侧滚角)，κ(航偏角)的读数显示应为“0”。将测距成像组合遥感器25与姿态测量装置3共同安装调试在一个固定平台10上，以保持这种刚性联结关系。
数据采集与记录装置是用格式化电路将标准格式的图像数据和辅助数据(时间数据、行计数、激光器模态码、GPS事件脉冲计数、图像数据、距离数据、位置数据、姿态数据)形成一个统一的数据格式输出。并记录在8mm磁带机或活动硬盘上。
数据处理和成像绘图装置是由一套依本发明的原理开发的软件包用于计算、回归和内插处理的计算机及一套将计算机处理所得的全部数据绘制成遥感多维系列图像的绘图仪。
本发明的一种遥感多维信息集成方法主要包括下列步骤即(a)用测距成像组合遥感器中的光机扫描成像仪以扫描成像方式接收地面目标点的图像；并以预定像元数为一扫描行；(b)用同步控制器控制测距成像组合遥感器中的光机扫描激光测距仪，以扫描方式在一扫描行中每隔预定像元数，与此像元成像时刻同步向地面目标点发送并接收测距脉冲激光，与此像元数据一起提供距离数据，并形成测距点、成像点的点对；(c)用同步控制器控制姿态测量装置提供飞行姿态数据；(d)用同步控制器发送电脉冲，在GPS接收机中产生时序标志，由GPS系统输出时序标志时刻的的位置数据；用同步控制器控制GPS接收机，由GPS接收机输出中心像元时刻的位置数据；(e)用数据采集和记录装置采集并记录所说的全部数据；(f)用数据处理和成像绘图装置，处理全部数据并绘制成多维遥感系列图像。
光机扫描成像仪2是以匀速扫描成像的方法接收地面目标点的遥感图像信号形成一个一个的像元。光电编码器(如2048位)每一位均与一个像元对应，光电编码器每一位发出码信号使遥感图像探测器16接收地面目标点的遥感信号成为一个像元。在预定的角度范围内，如±22.°5或±15。，从视场角的一个角边扫描到另一个角边为一扫描行，光电编码器可依次发出256个(或512个)码信号，则遥感图像探测器16可接收到256(或512)…等固定数量的像元。这些像元随扫描镜的旋转一个像元一个像元地成像，这些像元的集合为一条扫描行的数据量。每个像元随成像顺序给予编号，如1～256(或1～512)，这些编号称为像元号。一扫描行的中心像元是指像元号为128(或256)的像元。
同步控制器(光电编码器)控制测距成像组合遥感器中的激光测距仪在一扫描行中以扫描方式每隔预定像元数，如4个，8个……，与地面目标点的像元成像时刻同步地触发激光器向该地面目标点发送并接收测距脉冲激光，与获得此像元的图像数据的同时获得该地面目标点的距离数据，并形成成像点、测距点的点对。
同步控制器(光电编码器)在每一扫描行的中心像元成像时刻同步地向姿态测量装置发射电脉冲，分两路，一路以控制姿态测量装置，姿态测量装置内以1/1000秒的数据更新率连续输出姿态角数据流，从中取出中心像元时刻的飞行姿态数据(φ、ω、κ)。同步控制器在中心像元时刻发出的电脉冲另一路进入全球定位系统(GPS)接收机中。在GPS接收机中形成电脉冲进入时刻的时间标志，GPS接收机是按时间顺序以0.1秒或0.5秒或1.0秒的数据更新率连续输出位置数据流。以中心像元电脉冲形成的时间标志，按时间内插取出时间标志时刻的位置数据(x、y、z)。
光机扫描成像仪2中每一个像元的瞬时视角为一固定值，例如为3毫孤(或1毫弧或1.5毫弧…)。扫描镜7匀速旋转，成像点、测距点的点对距中心像元的像元个数用像元号相减即可得到“差”。用“差”乘瞬时视角即得到测距方向与测距成像组合遥感器25主光轴方向间的夹角γ。
测距成像组合遥感器25在飞行中的位置数据(x、y、z)由GPS给出；组合遥感器25距地面目标点的距离D由光机扫描激光测距仪1给出；测距方向的方向余弦由姿态测量装置3给出的φ、ω、κ角以及测距方向与组合遥感器25主光轴方向的夹角γ角构成。这样地面目标点的地理坐标(Xi，Yi，Zi)可由下述简单公式标出Xi＝X+ΔXiYi＝Y+ΔYiZi＝Z+ΔZi其中ΔXi＝f1(φ，ω，κ，γi，Di…)ΔYi＝f2(φ，ω，κ，γi，Di…)ΔZi＝f3(φ，ω，κ，γi，Di…)这样的地面目标点都求出后，是大体等间隔地布满整个遥感图像。按这些点的地理坐标(Xi，Yi，Zi)采用通常的拟合内插方法，可求得二维阵(Xi，Yi)排列的Zi，即地面数字高程模型(DEM)。同样按这些已有了地理坐标(Xi，Yi，Zi)的遥感图像的像元点，按通常的拟合，内插和重采样方法可得到地学编码图像。依这些具有地理坐标的成像点、测距点的点对可简单地将DEM(或内插出等高线)与地学编码图像套合形成遥感影像地图。依此基础可制成遥感多维系列图像。
数据采集和记录装置5是采集并记录原始的图像数据、距离数据、位置数据、姿态数据。数据处理和成像绘图装置将上述全部数据计算、回归、内插、重采样处理后绘制成遥感多维系列图像。
本发明的遥感多维信息集成装置和方法的另一实施例是光机扫描成像仪2和光机扫描激光测距仪并不共用一套光学系统而仍是各别的属于各仪表中的光学系统，但通过同步控制器9同步采集图像数据和距离数据也能达到本发明的目的，这种变化都属于本发明的构思范围之内。
本发明与INSAR，ALTMS，航空相机等代表性的遥感技术系统比较后，本发明的优点是本发明是一种在可见光、红外波谱范围里有几十个波段，可生成DEM，能广泛用于多种专题应用中的集成技术；INSAR是微波范围里可生成相对DEM，仅有一个波段，遥感专题应用范围很小的集成技术。ALTMS没有遥感图像，仅有生成DEM的功能。航空相机可生成DEM，但波段数太少，应用范围受限制大。
本发明在同种条件下依作业流程周期论应属于地学领域中的准实时系统(几个小时的周期)，特殊应用时可以实现实时系统。INSAR在同样条件下要7～15天，ALTMS仅能获得DEM，而不能作遥感专题应用。航空相机在同样条件下要4个月以上。
本项目在投资强度上比其他方案明显占优势。
权利要求
1.一种遥感多维信息集成装置，其特征在于，其中包括一测距成像组合遥感器用于同步提供地面目标点遥感图像数据和遥感器与地面目标点之间的距离数据；一姿态测量装置用于提供所述测距成像组合遥感器的姿态数据；一全球定位系统(GPS)接收机用于提供所述测距成像组合遥感器的位置数据；一同步控制器用于控制所述的测距成像组合遥感器，姿态测量装置和全球定位系统接收机同步接收其中所述的图像数据、距离数据、姿态数据和位置数据；一数据采集和记录装置用于将所述的图像数据、距离数据、姿态数据和位置数据同步采集并记录；一数据处理和成像绘图装置用于将所述数据采集和记录装置中的全部数据进行处理并绘制成多维遥感系列图像。
2.一种如权利要求1所述的遥感多维信息集成装置，其特征在于其中所述的测距、成像组合遥感器是由飞行器载光机扫描成像仪和光机扫描激光测距仪，以共用主光学系统的方式联合组成。
3.一种如权利要求2所述的遥感多维信息集成装置，其特征在于其中所说的主光学系统包括45°扫描镜，该扫描镜的镜面与地面及与其传动轴均成45°夹角并以与其中所说的测距成像组合遥感器的运动方向相垂直的方向上作扫描，并接收图像信号及同步发送和接收激光测距信号。
4.一种如权利要求3所述的遥感多维信息集成装置，其特征在于其中所说的扫描镜是以旋转方式进行扫描，并在该扫描镜面对地面的预定视场角范围内接收图像信号并发送及接收激光测距信号，并形成一个扫描行，在该扫描行中含有预定数量的象元和预定数量的测距点。
5.一种如权利要求3所述的遥感多维信息集成装置，其特征在于其中所说的扫描镜是以摆动方式进行扫描，并在该扫描镜面对地面摆动的某一角度范围内，接收图像信号并发送和接收激光测距信号，并形成一个扫描行。在该扫描行中含有预定数量的像元和预定数量的测距点。
6.一种如权利要求1所述的遥感多维信息集成装置，其特征在于其中所说的姿态测量装置是一平台罗经，用以连续提供测距成像组合遥感器的飞行姿态数据。
7.一种如权利要求1所述的遥感多维信息集成装置，其特征在于其中所说的测距成像组合遥感器和其中所说的姿态测量装置是共同安装在一固定平台上，以使其中所说的测距成像组合遥感器和其中所说的姿态测量装置保持刚性联结。
8.一种如权利要求1和4，5，6所述的遥感多维信息集成装置，其特征在于其中所说的同步控制器是一个与其中所说的45°扫描镜的传动轴共轴联结的光电编码器。该编码器用于给每个其中所说的像元发送码信号；每间隔预定像元数给激光测距仪发送触发脉冲以使之产生测距脉冲激光；发送中心像元时刻电脉冲到姿态测量装置以控制飞行姿态数据；发送中心像元时刻的电脉冲给GPS装置产生时序标志时刻的位置数据作为组合遥感器的位置数据。
9.一种如权利要求1所述的遥感多维集成装置，其特征在于其中所说的数据处理和成像绘图装置包括一用于对所说的全部数据进行计算、回归和内插处理的计算机，和一用于将计算机处理所得的全部遥感数据绘制成多维遥感系列图像的绘图仪。
10.一种遥感多维信息集成方法，其特征在于包括下列步骤(a)用测距成像组合遥感器中的光机扫描成像仪以扫描成像方式接收地面目标点的图像，并以预定象元数为一扫描行；(b)用同步控制器控制测距成像组合遥感器中的光机扫描激光测距仪，以扫描方式在一扫描行中每隔预定像元数，与此像元成像时刻同步向地面目标点发送并接收测距脉冲激光，与此像元数据一起提供距离数据，并形成测距点、成像点的点对；(c)用同步控制器控制姿态测量装置提供飞行姿态数据；(d)用同步控制器发送电脉冲，在GPS接收机中产生时序标志，由GPS系统输出时序标志时刻的的位置数据，用同步控制器控制GPS接收机，由GPS接收机输出中心像元时刻的位置数据；(e)用数据采集和记录装置采集并记录所说的全部数据；(f)用数据处理和成像绘图装置，处理全部数据并绘制成多维遥感系列图像。
11.一种如权利要求10所述的遥感多维信息集成方法，其特征在于其中所说的扫描行中的预定像元数可以是256个或512个；其中所说的扫描行中，可以每隔4个像元或每隔8个像元形成一像元点、测距点的点对。
12.一种如权利要求10所述的遥感多维信息集成方法，其特征在于其中所说的数据处理是根据所说的图像数据、距离数据、姿态数据和位置数据，用计算方法、内插法和回归法使遥感图像的每个像元数据上都一一对应地获得相应的位置坐标和高度值。
13.一种如权利要求10所述的遥感多维信息集成方法，其特征在于根据所说的图像数据，位置坐标和高度值，可以绘制成地学编码遥感图像和地面数字高程模型(DEM)以及多维遥感系列图像。
全文摘要
一种遥感多维信息集成装置和方法,是将飞行器载光机扫描成像仪、光机扫描激光测距仪与姿态测量装置共同设置在一刚性平台上,并将成像仪与激光测距仪的主光路联合在一起共同组成测距成像组合遥感器。用与之共轴的同步控制器控制所说的测距成像组合遥感器,姿态测量装置,以及GPS接收机,使同步提供图像数据、位置数据、距离数据、姿态数据并经处理后,可直接获得多维遥感系列图像。可缩短作业周期大幅度提高效率。
文档编号G01C21/00GK1184929SQ9611430
公开日1998年6月17日 申请日期1996年12月12日 优先权日1996年12月12日
发明者李树楷, 薛永祺 申请人:中国科学院遥感应用研究所