CN101493325B

CN101493325B - 激光测绘系统

Info

Publication number: CN101493325B
Application number: CN2009101189382A
Authority: CN
Inventors: 吴冠豪; 曾理江
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2029-03-09
Also published as: CN101493325A

Abstract

本发明提供一种激光测绘系统，包括：脉冲激光器；第一分光镜；激光测高装置，包含雪崩光电二极管阵列单元；线阵式电荷耦合器件；面阵式电荷耦合器件；第二分光镜；数据处理及控制装置，接收来自激光测高装置的高程信息、来自线阵式电荷耦合器件的推扫图像数据、来自面阵式电荷耦合器件的拍摄线阵式电荷耦合器件和雪崩光电二极管阵列单元的图像，根据线阵式电荷耦合器件和雪崩光电二极管阵列单元的图像，取得二者的相对位置，再根据相对位置和激光足印的位置信息，确定激光足印在被测目标的推扫图像中的位置，从而制作该被测目标的三维图像。根据本发明，能够利用高程信息校正三维图像中的高程误差，从而实现具有较高精度和较强抗失调能力的三维测绘系统。

Description

激光测绘系统

技术领域

本发明涉及一种激光测绘系统，特别涉及一种利用激光测高的数据来校正通过摄影测量获得的三维图像中的高程误差，以获取高精度的三维地形图的激光测绘系统。

背景技术

卫星摄影测量和激光测高(测距)仪是目前卫星对地遥感的两项重要的技术。其中卫星摄影测量是当今世界各国用于地形图测绘的通用技术，特别是，近年来随着三线阵相机等技术的发展，三维遥感信息的获取技术取得了长足的进步。在国际上，有法国的SPOT-5卫星、印度的Cartosat-1、日本的ALOS卫星、美国的IKONOS卫星；我国也成功发射了资源卫星。这些卫星的发射使得人们获取了大量高分辨率的地面影像数据。但是，在无地面控制点的条件下，其高程测量精度还难以满足高精度测绘的需求。以著名商业卫星Ikonos为例，当无地面控制点时，绝对高程精度约为7.9m，而1∶50000比例尺的地形图允许的高程误差为6m；1∶25000比例尺的地形图允许的高程误差为3m。虽然在地面布置控制点能提高卫星摄影测量的高程精度，但是绘制全球地形图时要在所有区域布置控制点显然是不现实的。因此，在无地面控制点的情况下，如何提高卫星摄影测量的绝对高程精度，成为世界各国的研究人员重点关注的问题。

二十世纪九十年代以来，星载激光测高(测距)技术逐步应用于卫星对地观测。美国先后研制了火星观测激光测高装置(MOLA)和地球科学测高系统(GLAS)，并获取了大量高精度的高程数据(精度为米级)。我国也大力发展星载激光测高技术，并且在我国第二代摄影定位卫星上以及绕月的嫦娥一号上有成功应用。由此，能看到星载激光测高装置可以达到高精度地形图绘制的高程精度要求，但是其无法获得高分辨率的地面平面信息。因此，若能够把星载激光测高技术与摄影测量相结合，用前者测高的数据校正后者的高程误差，则有望解决上述的当前高精度地形图绘制中所面临的问题。但是，要将这两种技术结合，其面临的一个重要难题是如何精确地找到激光足印在图像中的位置。因为，一方面星载的激光测高装置采用的激光波长一般都是1064nm，另一方面激光脉冲极短，一般在10ns以内，这导致相机的感光器件难以探测到激光足印的信息。即使事先标定好了激光束与相机光轴的位置关系，卫星上天之后由于振动或者温度变化剧烈等影响，这二者也会发生偏移。而二者偏移10角秒时，对应地面的偏差就会达到近25m(500km轨道)。因此若不解决上述问题，激光测得的高程数据也就很难与图像中的位置匹配起来，也就无法用于校正摄影测量中的高程精度。

发明内容

本发明是为解决现有技术中的上述问题而提出的，其目的在于提供一种卫星摄影测量与激光测高技术融为一体的激光测绘系统，用于解决激光足印在卫星摄像图像中的定位问题，能够在无地面控制点情况下实现高精度的卫星三维测绘，利用激光测高的数据来校正通过摄影测量获得的三维图像中的高程误差，从而获取高精度的三维地形图。

根据本发明的一个方面，提出了一种激光测绘系统，通过高空拍摄制作被测目标的三维图像，其包括：脉冲激光器，发射脉冲激光束，并且该脉冲激光束的角度可调节；第一分光镜，设置于光路中的所述脉冲激光器与所述被测目标之间，将来自所述脉冲激光器的激光束的一部分射向所述被测目标，并且在底面设有反射膜，可以使来自所述脉冲激光器的激光束的一部分被反射后，经分光面射向该第一分光镜的与被测目标相反的一侧；激光测高装置，包含有能够接收所述激光束照射所述被测目标后产生的散射光的雪崩光电二极管阵列单元，根据所述散射光，取得所述雪崩光电二极管阵列单元与所述被测目标间的距离、即高程信息，以及激光足印的位置信息；线阵式电荷耦合器件，随着所述激光测绘系统的移动，拍摄所述待测目标的推扫图像；面阵式电荷耦合器件，拍摄所述线阵式电荷耦合器件和所述雪崩光电二极管阵列单元，得到它们的图像；第二分光镜，设置于所述第一分光镜的与所述被测目标相反的一侧，可以使来自所述被测目标的光入射到所述线阵式电荷耦合器件，还可以使来自所述雪崩光电二极管阵列单元的光入射到所述面阵式电荷耦合器件；数据处理及控制装置，接收来自所述激光测高装置的高程信息、来自所述线阵式电荷耦合器件的所述被测目标的推扫图像数据、来自所述面阵式电荷耦合器件的拍摄所述线阵式电荷耦合器件和所述雪崩光电二极管阵列单元的图像，根据所述线阵式电荷耦合器件和所述雪崩光电二极管阵列单元的图像，取得二者的相对位置，进一步根据所述相对位置和所述激光足印的位置信息，确定所述激光足印在所述被测目标的推扫图像中的位置，从而制作该被测目标的三维图像。

另外，还可以是，所述数据处理及控制装置对所述脉冲激光器的激光束射出角度实施反馈控制，使从所述脉冲激光器射出的激光束经过所述第一分光镜的反射后始终入射到所述雪崩光电二极管阵列单元的中心；而且，所述数据处理及控制装置控制所述线阵式电荷耦合器件与所述述雪崩光电二极管阵列单元的位置，使二者相对于该第二分光镜的分光面镜面对称，形成共轭关系。

此外，也可以是，所述数据处理及控制装置利用所述激光束的角度漂移对所述脉冲激光器实施反馈控制。

本发明采用以上的技术方案解决了目前融合相机图像数据和激光高程数据时面临的激光足印与相机图像中的位置难以配准的问题，而且具有较好的抗失调能力，系统整体结构简单紧凑。

该激光测绘系统结合望远系统可应用于卫星摄影测量上，激光足印处的绝对高程信息能够校正卫星摄影测量的高程精度。

附图说明

图1是表示根据本发明的激光测绘系统的总体结构的框图。

图2是表示根据本发明的一实施方式的激光测绘系统200的具体结构的示意图。

图3是表示根据本发明的激光测绘系统200的测绘过程的流程图。

图4是表示根据本发明的一实施方式的激光测绘系统的APD(雪崩光电二极管)阵列单元205的输出信号的处理过程的流程图。

图5A和图5B是分别表示在本发明的一实施方式的激光测绘系统200中，在调整阶段由面阵式电荷耦合器件203拍摄的线阵式电荷耦合器件和APD阵列单元的图像的示意图。

图6是表示在本发明的一实施方式的激光测绘系统200中，在工作阶段由线阵式电荷耦合器件202随着卫星推扫拍摄到的被测目标S的图像的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的最佳实施方式作进一步详细描述。

图1是表示根据本发明的激光测绘系统的总体结构的框图。参照图1，本实施方式的激光测绘系统包括光学系统101、CCD(电荷耦合器件)成像装置102、激光测高装置103、数据处理及控制系统104。如图1所示，当利用本发明的激光测绘系统进行测量时，随着卫星的运动，实现对地面被测目标S的扫描测量，即CCD成像装置102拍摄被测目标S而取得其图像数据，激光测高装置103通过激光测高方式取得该被测目标S的高程信息。而且，在测绘被测目标S的过程中，光学系统101受数据处理及控制装置104的反馈控制。因此，CCD成像装置102和激光测高装置103能够同步获取关于被测目标S的图像数据和高程数据。然后，数据处理及控制装置104接收由CCD成像装置102和激光测高装置103获取的关于被测目标S的图像数据和高程数据，并传送给数据处理及控制装置104。数据处理及控制装置104接收来自CCD成像装置102和激光测高装置103的各种数据，将图像数据和高程数据进行融合，制作被测目标S的三维信息。

图2是表示根据本发明的一实施方式的激光测绘系统200的具体结构的示意图。如图2所示，激光测绘系统200包括：脉冲激光器201，用于发射测高用的激光束，例如可使用波长为1064nm的Nd:YAG脉冲激光器(重复频率4Hz)，而且，该脉冲激光器的激光束角度可以通过未图示的调节机构来调节；APD阵列单元205，用于接收上述激光束照射到被测目标S而产生的散射光，取得关于该被测目标的高程数据，或者接收上述激光束被第一分光镜反射后入射的激光，测量由上述脉冲激光器201发出的激光束的角度漂移信息；线阵式电荷耦合器件202，用于拍摄被测目标S以获取目标图像；面阵式电荷耦合器件203，用于拍摄线阵式电荷耦合器件202和APD阵列单元205的图像，以获取该线阵式电荷耦合器件202和APD阵列单元205的相对位置信息；望远装置207，设置于靠近被测目标S一侧；第一分光镜BS1，设置于望远装置207的后端(以被测目标一侧作为前端，以远离被测目标一侧作为后端)，用于使来自脉冲激光器201的激光束的一部分射向被测目标S，并且在该第一分光镜BS1的底面设有反射膜，可以使来自上述脉冲激光器201的激光束的一部分被反射后，经分光面射向该第一分光镜BS1的后端；第二分光镜BS2，设置于第一分光镜BS1的后端，可以使来自被测目标的散射光的一部分射向线阵式电荷耦合器件202；带通滤光片BPF，设置于上述第二分光镜BS2与APD阵列单元205之间，可根据需要转入或转出本激光测绘系统的光路；第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3，分别设置于线阵式电荷耦合器件202、APD阵列单元205、面阵式电荷耦合器件203的前端，用于会聚各自的入射光；第一照明光源LED1和第二照明光源LED2，分别设置于上述线阵式电荷耦合器件202和APD阵列单元205的附近，用于在拍摄时进行照明；以及数据处理及控制装置208，接收来自线阵式电荷耦合器件202、面阵式电荷耦合器件203以及APD阵列单元205的各种数据，并控制本系统中的各部件的动作。其中，APD阵列单元205例如可以是2*2APD阵列单元。并且，线阵式电荷耦合器件203与APD阵列单元205相对于第二分光镜BS2镜面对称，形成共轭关系。

本实施例涉及的激光测绘系统200的一个工作周期例如包括调整阶段和工作阶段。在调整阶段，面阵式电荷耦合器件203拍摄线阵式电荷耦合器件202和APD阵列单元205的芯片的图像，根据该图像获得二者的相对位置信息；APD阵列单元205探测从脉冲激光器201发射出的激光束经第一分光镜BS1的底面上的反射膜和分光面反射之后入射的光束，根据该入射光束获得从上述脉冲激光器201发射出的激光束的角度漂移信息。另外，在工作阶段，线阵式电荷耦合器件202随着卫星的推扫而拍摄并取得被测目标S的图像数据，再者，APD阵列单元205通过接收上述激光束照射到被测目标而产生的散射光，能够取得被测目标S的高程信息。经过如上所述的一个工作周期，利用由APD阵列单元205取得的被测目标S的高程信息以及APD阵列205和线阵式电荷耦合器件202的相对位置信息，就能够准确地确定激光足印在线阵式电荷耦合器件202所拍摄的目标图像中的位置，从而能够将高程信息用于图像三维信息的校正，以提高其测绘精度。

图3是表示本实施方式涉及的激光测绘系统200的测绘过程的流程图。

如图3所示，激光测绘系统200开始测绘工作之后，在步骤S301，首先通过未图示的调整机构可调整线阵式电荷耦合器件202和APD阵列单元205的位置，使二者处于共轭状态。

激光测绘系统200的一个工作周期例如包括调整阶段和工作阶段。根据调整目标的不同，调整阶段又可细分成第一调整阶段I和第二调整阶段II的两个阶段。假设，在本实施例中，一个工作周期为1s，4个激光脉冲的发射时刻分别为0.05s，0.3s，0.55s，0.8s，第一个脉冲用于调整和测量激光束的角度漂移，其余三个脉冲用于被测目标S的测距(即高程信息)。

在调整阶段，在图3的步骤S302，即第一调整阶段I(0-0.1s)，调节机构调整激光束的照射角度，使激光束对准APD阵列单元205的中心。接着，第一照明光源LED1和第二照明光源LED2均处于熄灭状态，从脉冲激光器201射出的激光脉冲经过第一分光镜BS1下侧的反射膜反射后，再次由分光面反射，依次经过第二分光镜BS2、带通滤光片BPF和第二透镜L2，到达APD阵列单元205。根据APD阵列单元205的阵列的强度信号分布，对激光束的入射角度实施反馈控制，直至激光束对准APD阵列单元205的中心为止，调整成功的标志为APD阵列单元205的强度信号中心对称。这里的反馈控制方法可以采用本领域技术人员公知的技术，例如将入射光束经过反射镜折入光路中，然后根据探测到的APD阵列单元205的信号分布，对反射镜的角度实施反馈调整，从而调整激光束的入射角度使激光束对准APD阵列单元205中心。

之后，在图3的步骤S303，即第二调整阶段II(0.1-0.25s)，第一照明光源LED1点亮，照亮线阵式电荷耦合器件202，由此使线阵式电荷耦合器件202经第一透镜L1、第二分光镜BS2和第三透镜L3成像在面阵式电荷耦合器件203上。该线阵式电荷耦合器件202成像在面阵式电荷耦合器件203上的图像，如图5A所示。

随后，第一照明光源LED1熄灭，第二照明光源LED2点亮，照亮APD阵列单元205。而且，此时带通滤光片BPF转出光路。APD阵列单元205经过第二透镜L2、第二分光镜BS2和第三透镜L3成像在面阵式电荷耦合器件203上，并且，该APD阵列单元205成像在面阵式电荷耦合器件203上的图像如图5B所示。由此，根据图5A所示的线阵式电荷耦合器件202的图像和图5B所示的APD阵列单元205的图像，根据对比计算，就能得到二者间的相对位置，从而能够计算出线阵式电荷耦合器件202的中心与APD阵列单元205的中心之间的位置偏移量。

接着，进入工作阶段(0.25-1s)。在图3的步骤S304，第一照明光源LED1、第二照明光源LED2均熄灭，带通滤光片BPF转入光路。在该工作阶段，共发射三个用于测距的激光脉冲，激光脉冲经过第一分光镜BS1和望远系统207照射到被测目标S上，来自被测目标S的散射光依次经过望远系统207、第一分光镜BS1、第二分光镜BS2、带通滤光片BPF和第二透镜L2之后，聚焦在APD阵列单元205上，由此，根据APD阵列单元205的信号就可以取得同被测目标间的距离、即待测目标S的高程信息。

再者，线阵式电荷耦合器件202也随着卫星的移动，通过第一透镜L1、第二分光镜BS2、第一分光镜BS1和望远系统207对被测目标S进行推扫成像，从而取得被测目标的图像。

接着，在图3的步骤S305，由APD阵列单元205探测到的信号、由线阵式电荷耦合器件202和面阵式电荷耦合器件203采集到的图像输入到数据处理及控制装置208，进行相关的图像数据及后续的数据分析。

在图3的步骤S306，在工作阶段取得的线阵式电荷耦合器件202对被测目标S的推扫图像中，可根据推扫开始时刻和三个激光脉冲的发射时刻，计算出在三个激光脉冲的发射时刻线阵式电荷耦合器件202所推扫到的位置，如图6中三条灰线所示。如果此时线阵式电荷耦合器件202与APD阵列单元205仍然相对于第二分光镜BS2处于镜面对称，即在调整阶段II中面阵式电荷耦合器件203拍摄到的线阵式电荷耦合器件202的中心(图5A的白色圆点)和APD阵列单元205的中心(如图5B的白色圆点)完全重和，那么图6中三条灰线所在列的中心(用黑色圆点表示)就是三个激光脉冲在被测目标S201上的足印的位置。否则，如果在调整阶段II由面阵式电荷耦合器件203拍摄到的线阵式电荷耦合器件202和APD阵列单元205的中心有一定偏移，就可以根据这个偏移量计算出三个激光脉冲在被测目标S上的足印的实际位置，如图6的灰色圆点所示。

再者，根据APD阵列单元205的信号，能够计算出被测目标S的高程信息。图4例示了本实施例涉及的激光测绘系统200的APD阵列单元205的信号处理过程。如图4所示，在步骤S401，APD阵列单元205将接收到的激光脉冲的回波信号转化成电流信号。然后，在步骤S402，通过跨阻放大电路将电流信号放大并转换成电压信号。然后，在步骤S403，再由压控放大电路进一步放大，在步骤S404，由峰值保持电路检测电压信号的峰值，在此，该峰值则代表了激光回波信号的强度。进一步，在步骤S405，由测量电路对峰值进行测量，将强度信息和时间间隔信息传输到数据处理装置。最后，在步骤S406，由数据处理及控制装置208分析给出强度分布和被测目标S的高程数据。

通过将激光束发射到被测目标上，再通过光电接收器件接收来自被测目标的散射光，从而获得被测目标与光电接收器件之间的距离的技术，已经存在多种，因此在本实施例中也可以采用本领域技术人员公知的其他技术，在此不再详细描述。

至此，经过一个工作周期，可以获得线阵式电荷耦合器件202对于被测目标S的推扫图像，同时，也获得了该图像中的三个足印位置的高程信息。最后，数据处理及控制装置208可以对输入的各种数据进行分析处理。例如，按照目前卫星测绘的常规方法，根据卫星在轨道不同位置对同一区域的推扫图像进行处理(立体视觉方法)，即可合成三维图像，再加入激光测高获得的三个位置的高程信息加以校正，就可获得该区域准确的三维信息。

如上所述，根据本发明的激光测绘系统具有以下优点：由于在每个工作周期内，系统中激光束角度、CCD成像装置和激光测高的位置关系都是可知的，从而可以通过实时获得激光足印与线阵式电荷耦合器件获取的被测目标的图像数据之间的匹配关系，从而获取被测目标的三维信息。因此，本激光测绘系统有较强的抗失调能力和较高的精度。此外，系统整体结构简单紧凑，便于工程实施。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“第一/第二/第三实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中任何地方出现这种表述不是一定都指的是该同一个实施例。进一步，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点，落在本领域技术人员的范围内。

尽管参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims

1.一种激光测绘系统，通过高空拍摄制作被测目标的三维图像，其包括：

脉冲激光器，发射脉冲激光束，并且该脉冲激光束的角度可调节；

第一分光镜，设置于光路中的所述脉冲激光器与所述被测目标之间，将来自所述脉冲激光器的脉冲激光束的一部分射向所述被测目标，并且在底面设有反射膜，使来自所述脉冲激光器的脉冲激光束的一部分被反射后，经分光面射向该第一分光镜的与被测目标相反的一侧；

激光测高装置，包含有能够接收所述脉冲激光束照射所述被测目标后产生的散射光的雪崩光电二极管阵列单元，根据所述散射光，取得所述雪崩光电二极管阵列单元与所述被测目标间的距离，即高程信息，以及激光足印的位置信息；

线阵式电荷耦合器件，随着所述激光测绘系统的移动，拍摄所述待测目标的推扫图像；

面阵式电荷耦合器件，拍摄所述线阵式电荷耦合器件和所述雪崩光电二极管阵列单元，得到它们的图像；

第二分光镜，设置于所述第一分光镜的与所述被测目标相反的一侧，使来自所述被测目标的光入射到所述线阵式电荷耦合器件，还使来自所述雪崩光电二极管阵列单元的光入射到所述面阵式电荷耦合器件；

数据处理及控制装置，接收来自所述激光测高装置的高程信息、来自所述线阵式电荷耦合器件的所述被测目标的推扫图像数据、来自所述面阵式电荷耦合器件的拍摄所述线阵式电荷耦合器件和所述雪崩光电二极管阵列单元的图像，根据所述线阵式电荷耦合器件和所述雪崩光电二极管阵列单元的图像，取得二者的相对位置，进一步根据所述相对位置和所述激光足印的位置信息，确定所述激光足印在所述被测目标的推扫图像中的位置，从而制作该被测目标的三维图像。

2.根据权利要求1所述的激光测绘系统，其特征在于，

所述数据处理及控制装置对所述脉冲激光器的脉冲激光束射出角度实施反馈控制，使从所述脉冲激光器射出的脉冲激光束经过所述第一分光镜的反射后始终入射到所述雪崩光电二极管阵列单元的中心；

而且，所述数据处理及控制装置控制所述线阵式电荷耦合器件与所述雪崩光电二极管阵列单元的位置，使二者相对于该第二分光镜的分光面镜面对称，形成共轭关系。

3.根据权利要求2所述的激光测绘系统，其特征在于：

所述数据处理及控制装置利用所述脉冲激光束的角度漂移对所述脉冲激光器实施反馈控制。