無(wú)人機(jī)激光點(diǎn)云和多光譜數(shù)據(jù)的融合技術(shù)研究

陳 杰 張志林 湯奕琛 陳 晨 許 杰，4，5

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350025；3.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094；4.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300462；5.天津市智能遙感信息處理技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300462）

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和多光譜影像數(shù)據(jù)都是在地物上空采集的數(shù)據(jù)，二維多光譜圖像數(shù)據(jù)包括了光譜信息[1-3]，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括了地物的空間信息[4-6]，二維多光譜圖像與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)相比，它缺少一個(gè)維度的信息量[7]，利用拼接正攝影像數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)地理坐標(biāo)將多光譜影像數(shù)據(jù)中地物的表層光譜信息對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)上進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)多光譜數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合。

1 技術(shù)路線(xiàn)

數(shù)據(jù)融合技術(shù)采用的技術(shù)路線(xiàn)如圖1 所示。首先，多光譜與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)多景的多光譜圖像進(jìn)行配準(zhǔn)、空三解算、區(qū)域網(wǎng)平差以及勻光勻色等預(yù)處理；其次，對(duì)多光譜影像進(jìn)行拼接；再次，以點(diǎn)云空間坐標(biāo)的平面為準(zhǔn)索引，融合多光譜數(shù)據(jù)，如果點(diǎn)云有匹配的多光譜數(shù)據(jù)，則進(jìn)行插值；最后，得到融合多光譜后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。多光譜影像數(shù)據(jù)分別由單獨(dú)設(shè)計(jì)的光譜相機(jī)所拍攝，具有不同的相機(jī)畸變和內(nèi)外參數(shù)誤差，因此需要分別對(duì)不同通道的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像拼接處理，處理過(guò)后的圖像與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。因?yàn)槠唇诱龜z影像為正攝圖，所以激光點(diǎn)云坐標(biāo)只取前兩項(xiàng)的平面坐標(biāo)作為索引值，由于影響數(shù)據(jù)為柵格離散數(shù)據(jù)，而激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為精確的連續(xù)坐標(biāo)值，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，獲取點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的精確反射率值。經(jīng)過(guò)插值計(jì)算后，每個(gè)點(diǎn)云都能索引一組對(duì)應(yīng)的光譜反射率值，該值為12 bits 數(shù)據(jù)，由于LAS 數(shù)據(jù)只提供了RGB 3 個(gè)通道的光譜數(shù)據(jù)字段，因此要額外存儲(chǔ)2 個(gè)波段就要占用其他字段存儲(chǔ)多余的2 個(gè)波段數(shù)據(jù)并寫(xiě)入多光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多光譜雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合。

圖1 多光譜與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)路線(xiàn)圖

2 數(shù)據(jù)壓縮

因?yàn)樵紨?shù)據(jù)本身較小，所以進(jìn)行有損壓縮時(shí)主要考慮實(shí)際問(wèn)題，此時(shí)發(fā)現(xiàn)有額外的可用信息，那就是壓縮前的數(shù)據(jù)量是固定的，數(shù)據(jù)意義明了，如果默認(rèn)12 bits 數(shù)據(jù)的最后3 bits 固定為0，那么只須保存原始數(shù)據(jù)的前9 bits，數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)，只須補(bǔ)全后三位即可；分析此時(shí)數(shù)據(jù)的損失情況，后三位數(shù)據(jù)最大能表示的數(shù)值為8，而12 bits 數(shù)據(jù)最大能表示的數(shù)值為4 095，那么這最后三位數(shù)據(jù)只占全部12 bits 數(shù)據(jù)范圍的0.195%，該損失對(duì)后續(xù)光譜數(shù)據(jù)分析的影響很小。

為了能夠盡可能地保留更多的信息，使2 種壓縮方法組合在一起，即無(wú)損壓縮加有損壓縮，具體技術(shù)路線(xiàn)如圖2、圖3 所示（多光譜數(shù)據(jù)的5 個(gè)波段分別為R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）、IR（近紅外）以及R_edge（紅邊）, 均為12 bits 數(shù)據(jù)；Flag為標(biāo)志，取值為0 或1）。

圖2 數(shù)據(jù)編碼（壓縮）流程

圖3 數(shù)據(jù)解碼（解壓）流程

壓縮過(guò)程中，優(yōu)先進(jìn)行無(wú)損的霍夫曼編碼，當(dāng)編碼后的數(shù)據(jù)總量不滿(mǎn)足要求時(shí)，即壓縮后數(shù)據(jù)量沒(méi)有減少或者大于47 bits 時(shí)，就改為采用有損壓縮的方法，同時(shí)，利用48 bits 的最后一位標(biāo)注該組編碼是有損壓縮還是無(wú)損壓縮的結(jié)果。解壓流程是壓縮流程的逆過(guò)程。采用霍夫曼編碼分析無(wú)損編碼的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程如圖4 所示。

圖4 霍夫曼編碼

最后一位標(biāo)志為0，表示該組數(shù)據(jù)為霍夫曼編碼，此時(shí)，編碼數(shù)據(jù)小于47 bits，剩余空位補(bǔ)0。解壓時(shí)，先盤(pán)算最后一位是否為0，確定為霍夫曼編碼后，從頭開(kāi)始解碼，直到解碼結(jié)果為60 bits 為止。當(dāng)霍夫曼壓縮不滿(mǎn)足要求時(shí)，就采用有損壓縮方法。

如圖5 所示，有損壓縮盡可能保留信息量更大的部分，舍棄信息量小的最后3 bits，此時(shí)，只需要45 bits 就能保存有損數(shù)據(jù)，而最后一位需要標(biāo)記為1，表示為有損壓縮，此時(shí)還剩余2 個(gè)空位，為了充分利用數(shù)據(jù)，求5 組光譜數(shù)據(jù)的最后三位所表示的值的均值，并將該均值的前兩位存儲(chǔ)在2 個(gè)空位上，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)損失。在進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼時(shí)，直接將前9 bits 賦值到12 bits 中的前9 個(gè)位置上，后三位直接賦值為密碼組的最后三位即可，此時(shí)建議數(shù)據(jù)損失不要減少到0.195%，理論上平均信息損失量能夠達(dá)到0.098%。

圖5 有損壓縮方法

3 多光譜數(shù)據(jù)寫(xiě)入

LAS 文件剩余2 個(gè)12 its 數(shù)據(jù)記錄在GPS Time 字段，由于該字段是雙精度浮點(diǎn)類(lèi)型，經(jīng)研究，最簡(jiǎn)單有效的方式是將其中1 個(gè)16 bits 數(shù)據(jù)記錄為double 型的整數(shù)部分，另外一個(gè)16 bits 數(shù)據(jù)記錄到小數(shù)部分，整數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)可以完全恢復(fù)，小數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)有小于等于1 的數(shù)據(jù)損失，該損失可以忽略不計(jì)。利用目前空余的GPSTime 字段存儲(chǔ)剩余2 個(gè)波段數(shù)據(jù)，最終生成帶有光譜信息的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其作為后續(xù)處理的數(shù)據(jù)輸入。

4 多光譜激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合

遍歷激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，取其平面坐標(biāo)為索引值，按照該索引值搜索對(duì)應(yīng)的多光譜拼接影像數(shù)據(jù)，為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)索引值對(duì)應(yīng)點(diǎn)位進(jìn)行插值，由于圖像數(shù)據(jù)為二維數(shù)據(jù)（如圖6 所示），因此采用雙線(xiàn)性插值方法進(jìn)行插值。

圖6 中P點(diǎn)為精確的圖像像素坐標(biāo)值（x，y）（double），4 個(gè)相鄰點(diǎn)位的像素坐標(biāo)為Q11（x1，y1）、Q12（x1，y2）、Q21（x2，y1）和Q22（x2，y2），P點(diǎn)的像素值受個(gè)像素影響，距離越近，權(quán)重越大，先求出R1（x，y1）、R2（x，y2）點(diǎn)的光譜信息f（R1）、f（R2），具體的插值計(jì)算如公式（1）～公式（3）所示。

圖6 二維數(shù)據(jù)雙線(xiàn)性插值

利用雙線(xiàn)性插值能夠得到更加精確的光譜值，將該值作為激光點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)寫(xiě)入點(diǎn)云的字段中進(jìn)行保存，根據(jù)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)LAS 數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，融合后的點(diǎn)云還需要具備可視化展示功能，至少需要RGB 3 個(gè)波段存儲(chǔ)真彩色數(shù)據(jù)，另留存2 個(gè)字段保存紅外和紅邊波段數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)壓縮后，進(jìn)一步占用其他字段寫(xiě)入多光譜數(shù)據(jù)。

融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要用于展示、識(shí)別和分割等操作，GPSTime 被閑置，而GPSTime 共有8 Byte（64 bits）空間，但是double 數(shù)據(jù)類(lèi)型是雙精度數(shù)據(jù)值，不是直接利用64 bits直接存儲(chǔ)的結(jié)果，而是在進(jìn)行了一系列的數(shù)據(jù)運(yùn)算后再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的。為了減少字段占用，采用整數(shù)、小數(shù)分別保存的方法存儲(chǔ)2 個(gè)波段的光譜反射率數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多光譜數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載相應(yīng)載荷采集的多光譜影像與激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，以點(diǎn)云空間坐標(biāo)的平面為基準(zhǔn)索引融合多光譜數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)有損壓縮結(jié)合無(wú)損壓縮的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮；進(jìn)一步采用插值的方法對(duì)2 種類(lèi)型的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，并剔除不必要的信息，使激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)同時(shí)具有三維空間信息和地物光譜信息，彌補(bǔ)了二維影像在地物反射特性表達(dá)上的不足，綜合利用多光譜數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。