地物目标空间信息获取技术的发展及研究现状

摘 要：随着我国经济的快速发展和国防力量的不断壮大，人们对地理信息、地物表面及空间信息的需求量迅速增加，地物目标空间信息获取技术已逐渐成为国家重大的战略要求。本文首先概述了地物目标空间信息获取，进一步对地物目标空间信息获取技术的发展和研究现状进行阐述。

关键词：地物目标空间信息；航空遥感；机载定姿定位；直接对地目标定位

近年来，随着“智慧城市”“数字中国”战略的提出与实施，特别是我国加强基础设施建设、实施西部大开发及交通强国战略以来，对实时、快速、精确地获取各类地物目标的空间信息提出了越来越高的要求。此外，在监测地理国情、整治土地、抗震救灾、地质资源勘探和人员搜救等诸多领域，对地目标空间信息获取技术时刻都在发挥着重要的作用。因此，地物目标空间信息获取技术与我国经济的持续高质量发展、社会的和谐稳定和人民的幸福生活紧密相关，已成为助力推进中国式现代化进程中的关键一环。

1 地物目标空间信息获取概述

地物目标是指在遥感影像中一些具有代表性的区域，如建筑、道路、桥梁、小岛、水库等。其空间信息的快速、准确提取是认知地物目标特征的关键。地物目标的自动化、高精度定位技术在“智慧城市”、3D数字城市构建、“智慧中国”建设中有着广泛的应用需求，同时在军事侦察、人员搜救、抗震救灾等领域也起到至关重要的作用。

1.1 地物目标特征选取和空间信息获取

地物目标特征的合理选取是获取遥感影像中地物目标空间信息的前提，也决定了后续地物目标分类辨识的精度。常见的地物目标特征有光谱特征、颜色特征、纹理特征、几何特征等。在确定地物目标特征后，目标识别算法在遥感影像中对地物目标进行特征的自动识别，利用高性能计算机实现人的视觉功能，将符合的地物目标从背景中提取出来，以进一步获得地物目标的空间信息。

在遥感影像中，地物目标空间信息获取主要包括三步（下图），分别为遥感影像目标检测、地物目标提取以及地物目标识别。其中，遥感影像目标检测是从原始遥感影像中筛选出可能具有待检测地物目标的范围，目标检测在已知或者未知目标先验信息的条件下均可进行；而地物目标提取则是在该范围内选取出待检测目标的某种特征来区分目标与背景，如光谱特征、颜色特征等；最后则是在识别技术的基础上，结合目标独有的特征进行辨识，从而获取待测目标的空间信息。

地物目标空间信息获取过程图

1.2 高分辨遥感技术对地物目标的影响

随着遥感技术的不断发展，各类新型遥感传感器不断涌现，遥感数据的获取能力也不断提高；同时，遥感数据的空间解析度也日趋变强，已经从低、中空间分辨率发展为当前的高空间分辨率。高分辨率遥感信息不仅清晰地呈现地物目标精细的几何数据，而且还包含被测表面的细节特征，这为地物目标空间信息获取提供了充分的依据。然而，遥感影像的高分辨率也产生了以下不利问题。

（1）在同样覆盖范围下，高分辨影像的信息量急剧增加，需要同时处理大量数据。

（2）地物目标几何噪声增大，如待测区域上某些地物的阴影等会在高分辨率影像中呈现一定程度的几何噪声。

1.3 地物目标空间信息获取技术的发展和意义

在地物目标空间信息获取技术发展过程中，最先采用GPS（Global Position System）辅助航空摄影测量或人工测绘实现定位，然而该技术需要在地面布设装置，而且存在很多人工无法到达的区域，极大限制了其有效使用。随着装备制造水平和惯性导航技术的快速发展，机载定姿定位系统POS（Position and Orientation System）随之问世，其能够在布设少量地控点或无需布控下进行目标定位。与此同时，机载激光扫描雷达LiDAR（Lighting Detection and Ranging）作为一种航测和遥感对地观测的新型传感器的出现，能够同时提供高分辨（强度和高度）图像和准确距离信息，进一步增强了获得地物平面信息的能力，极大地促进了航空摄影观测中地物目标空间信息的获取。

地物目标空间信息获取对于我国经济、军事、科技、民生等各方面发展具有重要意义。

（1）为国家“数字中国”“智慧城市”发展战略快速提供所需的基础地物信息数据，助力中国式现代化发展。

（2）在军事领域中，高精度的机载POS对地物目标定位技术有广泛的应用需求，如航空侦察时必须通过该技术快而准地取得对目标的空间位置信息，才能实现有效打击。

（3）在民用領域中，该技术已运用在人员搜救、整治土地、抗震救灾、森林防护及资源勘测等领域中，是获取重要地理信息数据的主要手段之一。

2 航测的数字化发展及现状

航测也称航空遥感，是一种无接触的传感测量技术。传感设备搭载于航空飞机上，其可以非接触获取并记录地物目标的空间信息，进而解析得到精准的地物目标信息。因此，航测的主要任务是，获取地物目标的空间地理信息，用于绘制地形图、创建地理数据库和地理信息系统。航测与遥感距今已有100多年发展历史，21世纪以来，航空遥感技术随着新型机载传感器的问世而得到大幅发展，已经从经典的胶片航空摄影逐步转变为集成化和数字化。

2.1 胶片航空摄影测量

航测技术兴起于1839年，当时主要通过手持航空摄影测量仪（航测仪）进行检测。20世纪50年代左右，人们发明了带有底座固定和导航装置的胶片航摄相机。RMK、RC8等是胶片航测相机的典型代表，其画幅均为18cm×18cm，且摄像头的畸变较大。到了1975年，研制的RC10/20、RMK A/B、LMK等航摄相机画幅增加到23cm×23cm，并且新增了航摄影像位移补偿功能。20世纪80年代中期，画质更优、功能更强的新一代的RC3和RMK TOP问世，二者成为当时应用最为广泛的航摄相机。

由于机载平台技术的日趋进步，飞行管理系统和陀螺稳定平台加入新一代的胶片式航测仪，有效提高了影像的分辨率和清晰度，同时实现了航空摄影测量仪的自主导航，航摄仪的实现了一定程度的自动化测量。

2.2 数字航空摄影测量

随着对地观测技术和对地观测装置的日趋发展，航测数据开始由胶片式向数字化的转变。20世纪90年代，瑞士的Leica和德国的Zeiss等公司分别推出ADS40和DMC。其中，DMC采用组合的面阵CCD扫描方式，具备前移补偿的功能，而ADS40数字航空相机采用线阵扫描方式。面阵相机优于线阵相机主要体现在：

（1）具有更高的几何精度。

（2）成像数据能够兼容已有数字摄影测量系统，更为方便数据的后处理。

数字航空相机虽然具有获取航摄影像的明显优势，但是其成像的画幅相对较小，所以开发大画幅、数字化的航测相机成为发展数字航测技术的关键。当前国际上流行的DMCⅡ230、ADS80等组合宽角数字相机，是实现大画幅数字化航测仪途径之一，但仍无法满足我国建立高精度、轻小型的航测系统的现实需要。我国在2012年成功研制出首台自主产权的宽幅数字航测相机SWDC4A，其采取外视场精密拼接技术高度集成的四个面阵CCD相机，它们在工作时同时曝光，能够获得总达1.6亿素数的宽幅影像。融合惯性稳定平台和机载POS系统，能够稳定输出高质量影像，成为一款新型的数字航测仪。当前SWDC4A具有很好的应用前景，已应用于应急影像获取、航空遥感等领域。

2.3 机载激光扫描LiDAR

航测的数字化发展自20世纪90年代后取得了不断的进步，其中LiDAR点云数据处理技术和机载LiDAR系统的研发，助力了目标的精细化分类技术的发展和进步。机载LiDAR是一种创新、主动、有源的遥感技术方式，具备自动化程度高以及三维观测精确的优势，能够可以迅速、精准地获取地物目标的空间信息。机载LiDAR技术已逐步成为关键的航空对地观测方法，并已在航空测量领域得到了广泛应用。

我国于2005年开始激光扫描技术的研发，当时均是在国外进口的仪器上进行研究。2012年，中国测绘科学研究院和中科院光电研究院依托“863”课题展开了机载LiDAR系统的研发；随后国内一些公司也相继开发出多款车载/机载/地面载LiDAR系统，基本实现了LiDAR装置的国产化，并且产品性能越来越优良。例如，我国北科天绘研发的云雀轻型LiDAR系统SKYLARK，集机载POS系统和激光扫描仪于一体，是一款性能卓越的机载LiDAR产品，其能控制系统平面测量精度和高程精度分别在10cm和5cm以内，最长探测距离为1500m，负荷总重量达到4.8kg。

综上可知，我国虽然已具备自主研发机载LiDAR设备的能力，然而LiDAR技术理论仍缺乏深入研究，尤其对于影像与机载LiDAR点云的融合方面的研究仍存在不足；此外，工程实践经验匮乏，仍处于完善发展阶段，这也是未来机载LiDAR要发展的方向。

3 机载定姿定位系统的发展和现状

机载POS能够获取载机位置、姿态等信息数据，目前已在成像光谱仪、数字航空相机、机载LiDAR系統、合成孔径雷达等航空传感器上得到了广泛应用，在地物目标空间信息获取技术中发挥着举足轻重的作用。

1993年，Schwarz教授等人首次提出在航空摄影测量中结合机载POS使用。随后许多国外的大学等机构对该技术开展了大量研究，这对机载POS技术的革新进而机载POS设备的商业化应用，起到了关键的推动作用。国际摄影测量与遥感协会也进一步推动研制高精度的机载POS系统。加拿大的Applanix公司率先在1996年研发出了DGPS/INS的组合导航设备POS/AV，随后美国、德国等发达国家也都各自研发出了自己机载POS设备。

由于机载POS在军事测绘和侦查领域具有重要意义，针对机载POS系统受制于人的问题，我国从2002年开始对POS技术展开大量的研究工作，2009年开发出能够实现运动补偿的机载POS系统。此后，东南大学等机构相继开展了机载POS系统的研究。时至2020年9月，我国自主研发的PPOI系列机载POS系统，具备同时实现三维定位及测速能力，能够实现三维姿态和方位测量，目前已广泛用于军事测绘、航空测绘等领域。

总体来说，我国目前的机载POS系统研发水平以及相应设备性能指标，已能够达到国际先进行列，能够提供直接的测姿定位解决方案，很大程度上攻关了我国航测与遥感发展的卡脖子技术。

4 地物目标直接定位的提出和发展

地物目标直接定位的目的是了解目标物的几何信息，为勘探矿产资源、防护森林火情、搜救人员等领域提供数据支持，是我国获取基础地理信息的重要手段。地物目标定位最初通过空间三维测量，并由共线方程获得确定的空间几何数据，但这种方式繁杂且应用范围窄，如许多人员无法到达指定地点进行布设。随着GPS的研制和使用，人们发现GPS辅助航测技术的能够协助进行空三测量，进而解决航摄相片定位的问题。然而，该组合技术不能获得目标地物的姿态参数，并且仍无法解决需布设地控点的问题。

DGPS/INS导航系统随着惯性导航和滤波技术的进步应运而生，其能够同时输出航空传感器的位置和姿态数据，这使机载POS辅助航测得以在地物目标定位中广泛应用。机载POS本质上就是由DGPS和INS集合而成，分别对它们获得的相位坐标和载机姿态信息进行联合处理和补偿，进而获得航测影像的具体定位定向数据。目前，机载POS主要有集成传感器定向（ISO）和直接对地目标定位（DG）两种对地观测模式。

（1）ISO模式是以机载POS获取的外部数据和目标点坐标作为基础值，代入系统获得联合区域网平差，该模式下影像方位元素在航摄仪曝光时获取，具有更高的精度。

（2）DG模式则是利用机载POS几何中心、GPS相位中心和航测仪摄影中心固有的位置关系，直接获取地物目标的空间信息，该模式下的外方位元素仅依靠机载POS系统输出即可获得，因此无需布设地控点，大大简化了人力和物力。

2002年我国测绘科学院率先引进了国外的AEROControl系统并展开了机载POS的系统研究，随后一些科研机构也陆续引入并开展研究和应用。总体来说，虽然我国已经能够自主研制机载POS系统，POS输出精度达到国际先进水平；然而由于装备制造水平和滤波技术的限制，我国在机载POS系统集成航测进行地物目标定位方面仍需要深入研究；尤其是在机载POS中GPS和INS的数据融合方面，以提高POS技术的输出精度和地物目标定位精度。

结语

本文对地物目标的空间信息获取和相应技术进行了研究和综述，并总结了地物目标信息获取技术的发展建议，希望能够从地物目标信息获取技术为地理信息系统的发展方向提供参考，并助力我国“数字中国”“智慧城市”的战略的实施。

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作者简介：胡宽裕（1990— ），男，汉族，甘肃静宁人，硕士，工程师，研究方向：工程测量、空间规划、土地规划。