【微課堂】熱紅外與傾斜攝影技術的完美結合

2022-01-11 空天信息

傾斜攝影技術是國際測繪領域近年來發展起來的一項高新技術，一般是通過多臺探測器多角度分別成像，從而建立起符合人眼視覺的三維模型。其優勢在於可以為用戶提供清晰的地物目標的結構信息。

經過近些年的發展，傾斜攝影技術已經進入工程化運行階段。國內外主流的傾斜攝影硬體有萊卡的RCD30 Oblique、TrackAir的Midas、四維遠見的SWDC-5與中測新圖的TOPDC-5。 

隨著工程化應用的需求發展，傾斜攝影向高度集成化、輕量化發展，同時由於傳統的RGB傳感器所獲取的影像信息有限且受成像條件的限制，無法在夜間獲得地物的影像，使其在特殊應用中缺乏夜間的快速應急響應能力，例如危險品洩漏等引起的火災，地震、洪水等自然災害引起的建築物損壞與垮塌等突發事件。此類事件很大可能發生在夜間，這時候常規的RGB傳感器的遙感系統無能為力，同時其獲取的信息有限。這就要求擴展傳感器的波段範圍。紅外傳感器能夠感應物體的發射能量，並且可以反演地物表面的溫度信息，為傾斜攝影開闢了新的思路。

基於熱紅外傳感器的傾斜攝影系統，將傾斜攝影與熱紅外的優勢完美結合，不但可突破傳統設備對成像條件的限制，在夜間也可以成像，並且可以獲得更豐富的信息。例如，在應急監測方面，在地震救災現場可以快速進行數據採集，不僅能夠獲得垮塌的面積，還可以分析出垮塌程度。在精準農業方面，可以對植被整個冠層的各個部分溫度的分布情況進行精確監測，為部分生物參量的反演提供更加細緻的數據。在城市管理方面，可以對整個城市的建築物牆體溫度進行監測，來判斷是否有暖氣（冷氣）洩露，對城市節能減排工作具有重要意義。

基於上述需求，中科院遙感與數字地球研究所高光譜遙感應用技術研究室自主研發了我國首套無人機熱紅外三維成像系統（一種無人機傾斜攝影紅外三維成像系統及建模方法，CN 201410725836）。

圖1. 無人機熱紅外三維成像系統實物圖

無人機紅外三維成像系統硬體系統結構採用了應用廣泛的「馬爾他」十字結構，共有5個傳感器組成，其中一個垂直向下安裝，其餘四個傾斜安裝，傾斜角度為40°，示意圖如下圖所示；系統同時還配備了GPS/INS系統，來獲取傳感器曝光瞬間的位置姿態等相關數據。

圖2. 內部結構原理圖

解決的關鍵技術

（1）多紅外傳感器與GPS/INS系統同步控制技術

為了減少後處理的工作量，提高建模精度，就要求獲取高精度的傳感器曝光瞬間的位置姿態數據。此處所謂的高精度，包括兩層含義：首先是GPS/INS系統本身的測量精度，這主要與其性能有關；再者為多傳感器與GPS/INS系統的時間同步精度，又因為設備採用的GPS/INS系統的工作頻率約200HZ，這就要求同步精度需要達到亞毫秒級別。此處本系統採用了同步觸發FPGA電路板在輸出觸發脈衝給5臺紅外傳感器的同時也會輸出一路脈衝信號給GPS/INS系統。經過測試五傳感器與GPS/INS系統的時間同步精度優於0.5ms。

（2）一卡式影像文件管理系統

一般多傳感器的成像系統都採用每個傳感器獨立進行影像文件管理的策略。雖然保證了一定的存儲速度，不容易造成漏存和錯存的現象，但是給現場操作和後期影像文件管理、處理造成了很大的不便。本系統採用了一卡式存儲系統，在保證存儲速度的同時將五個傳感器獲取的影像文件統一存儲於一個SD卡，並按照一定的規則進行管理。

表1. 探測器技術參數表

表2. 基於無人機的紅外三維成像系統技術參數

熱紅外傾斜攝影與傳統的傾斜攝影數據處理的主要區別在於影像的預處理環節。與傳統的RGB傳感器相比，熱紅外傳感器獲取的影像具有整體灰度分布低且較集中，信噪比較低、對比度較低等特點，一般50％以上的像素都可能會受到噪聲汙染，超過機器視覺中常規算法所能處理的範圍，影像可識別性大大降低，高噪聲率紅外圖像濾波處理中，高強度消除噪聲與最大程度保留邊緣細節的矛盾尤為突出。其中起主導作用的噪聲有以下兩種：1/f噪聲和散斑噪聲。這兩種噪聲我們一般都採用K近鄰均值濾波或者小波去噪等方法來進行去除，以更好地進行後續處理。

接下來，需要提取熱紅外影像的特徵點，一般使用SIFT算子，其是基於圖像特徵尺度選擇的思想，由一個變尺度的高斯函數與圖像進行卷積運算建立圖像的多尺度空間，在得到的高斯金字塔圖像中對兩兩相鄰高斯尺度的圖像相減得到一個高斯差分多尺度空間DOG（difference-of-Gaussian）的響應值圖像，求得特徵點所處的位置和對應的尺度，最後通過曲面擬合的方法對特徵點進行進一步精確定位，剔除一些對比度較低的點以及不穩定的邊緣響應點。

影像的特徵點檢測出來之後，接下來的一個關鍵步驟就是匹配不同影像間的特徵點，只要找出了參考影像特徵點與目標影像特徵點間的正確匹配關係，就能根據特徵點的坐標求解影像變換模型的參數。然後根據所獲取的GPS/INS數據作為初始值，進行空三加密處理，所謂的加密其實就是平差過程，為了提高加密精度，一般在最後都會在絕對定向的基礎上進行整體的光束法平差。最後生成三維模型。

數據處理的流程圖如下圖所示：

圖3. 數據處理流程圖

城市建築物牆體的隔溫性能進行評估，利用上述設備搭載在無人機上，採集整個建築物的傾斜熱紅外影像。在利用三維建模算法，對建築物的溫度圖像進行三維建模。最後通過對實地測量的室內外溫度與三維建模結果進行分析比對，最終對該建築物牆體的隔溫性能做出評估。

圖4. 三維模型牆體溫度圖

以上內容由高光譜遙感應用技術研究室楊杭、張紅明、張鵬提供。

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