機載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理

張 煜，竇延娟，張曉東

機載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理

張 煜1，竇延娟2，張曉東2

（1.長江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010；2.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079）

主要介紹了機載激光雷達(dá)從前期數(shù)據(jù)采集到制作DEM、正射影像的整個數(shù)據(jù)處理流程，包括數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備工作、POS數(shù)據(jù)處理、原始影像處理、系統(tǒng)誤差檢校、LAS點云處理、DEM提取、正射影像制作，并且分析了各處理過程中要注意的問題。

機載激光雷達(dá)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理；DEM；正射影像

1 機載激光雷達(dá)

機載激光雷達(dá)（Airborne liDar，light detection and ranging）是一種集激光、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3種技術(shù)于一身的空間測量系統(tǒng)（如圖1所示）。該系統(tǒng)是將激光掃描儀、GPS接受機、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機及控制元件等搭載在載體飛機上。它通過主動向地面發(fā)射激光脈沖，接受地面反射回來的反射脈沖并同時記錄所用時間，從而計算出激光掃描儀到地面的距離，結(jié)合POS系統(tǒng)測得的位置和姿態(tài)信息可計算出地面點的三維坐標(biāo)。

圖1 機載激光雷達(dá)系統(tǒng)Fig.1 Airborne liDar system

與傳統(tǒng)攝影測量相比，激光雷達(dá)能夠直接獲取目標(biāo)的三維信息，縮短了從數(shù)據(jù)到有用信息的過程。另外激光雷達(dá)很明顯的特征就是激光可以穿透植被葉面到達(dá)地表，同時獲取地面和植被的信息，而且能夠探測細(xì)小目標(biāo)（如電力線），獲取數(shù)據(jù)信息豐富，是目前其他技術(shù)所不及的。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前需進(jìn)行多方面周密的準(zhǔn)備工作，主要包括申請空域、設(shè)計航線、布設(shè)地面基準(zhǔn)站和選擇檢校場。

2.1.1 申請空域

在執(zhí)行任何一個航攝任務(wù)前必須按規(guī)定向有關(guān)部門申請空域取得航飛權(quán)。在具有航飛權(quán)期間選擇最好的天氣進(jìn)行飛行，這樣可保證同時拍攝影像的質(zhì)量。

2.1.2 設(shè)計航線

在設(shè)計航飛路線時，遵循安全、經(jīng)濟、周密、高效的原則，選用專門的航飛設(shè)計軟件設(shè)計飛行路線，如Leica的FPES，IGI的WinMP，Riegl的TrackAir等。一般設(shè)計航線時，參考小比例尺的二維平面地形圖，綜合考慮測區(qū)的地形、地貌、機載激光雷達(dá)設(shè)備的參數(shù)（掃描角、掃描頻率、相機鏡頭焦距、相機曝光速度等）、天氣條件（云、霧、煙塵、降雨等）、航帶寬度、航帶重疊度及用戶要求的點云密度，最終設(shè)計出達(dá)到項目精度要求的航線。設(shè)計良好的航線在滿足精度要求的前提下能夠節(jié)省時間，降低飛行成本。

2.1.3 布設(shè)地面基準(zhǔn)站

在測區(qū)內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的GPS基準(zhǔn)站用于動態(tài)GPS定位，一般基站間距為30～50 km。根據(jù)加拿大Applanix公司的IN-Fusion技術(shù)，基準(zhǔn)站間距可以達(dá)到70～100 km，將基站構(gòu)建成SmarBase網(wǎng)解算GPS數(shù)據(jù)，可減小大氣誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差、衛(wèi)星鐘差及軌道差等。如果要采用這種方法解算GPS數(shù)據(jù)，則布設(shè)的GPS基準(zhǔn)站需將整個測區(qū)包圍，間距以70 km為宜。在測區(qū)中最好也布設(shè)1～2個基準(zhǔn)站，用于數(shù)據(jù)處理后快速檢測已知點與所測點云的絕對誤差。

選擇檢校場：在采集數(shù)據(jù)之前或之后都要對設(shè)備進(jìn)行檢校，一般通過采集、處理檢校場數(shù)據(jù)計算各儀器間精密的偏心分量和安裝軸間精密的偏心角，從而對整個測區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)誤差糾正，提高精度。IMU的3個角Heading、Roll、Pitch（即航片角、側(cè)滾角、俯視角）的檢校，要求地形有一定的坡度，但不能太大，同時地形范圍適當(dāng)大些，保證航線足夠長。一般選擇有平地、山坡、房屋的地區(qū)為檢校場。飛機在飛檢校場時，一般飛“井”字形或“田”字形。

2.2 數(shù)據(jù)采集

在飛機起飛前30 min，打開地面基準(zhǔn)站上GPS接收機，在飛到測區(qū)之前，打開POS系統(tǒng)，靜止一段時間，接著按“8”字形飛，飛完之后直飛5min，以保證POS系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，然后開始數(shù)據(jù)采集。在測區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，飛機可按設(shè)計航線自動飛行，掃描儀及相機、POS系統(tǒng)按設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集完之后再依次直飛5 min、倒“8”字形飛、靜止幾分鐘，關(guān)掉POS系統(tǒng)，地面GPS接收機待飛機關(guān)掉POS系統(tǒng)后30 min再關(guān)。

如果機場距離測區(qū)較遠(yuǎn)，就不用在采集測區(qū)數(shù)據(jù)前后飛倒“8”字形?？傊?，在采集數(shù)據(jù)之前，要保證POS系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)處理軟件

在整個數(shù)據(jù)處理過程中要綜合考慮現(xiàn)有多種軟件的優(yōu)缺點，采用不同軟件進(jìn)行不同階段的數(shù)據(jù)處理。

加拿大Applanix公司的PO-SPac MMS軟件不僅能進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢校、多種方法解算POS數(shù)據(jù)，還可以做影像白平衡、自動空中三角測量，也可以結(jié)合激光測距數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)求解出LAS格式點云，用該軟件解算POS數(shù)據(jù)、LAS點云及影像的外方位元素；芬蘭TerraSolid公司的TerraSol-id系列軟件是目前世界上比較靈活和系統(tǒng)地處理激光雷達(dá)點云的軟件，利用TerraScan和TerraModel-er模塊可進(jìn)行激光點云的處理以及DEM、DSM的提取，通過對不同高度的植被進(jìn)行分類，還可以得到不同高度植被分布區(qū)；inpho公司的攝影測量系統(tǒng)Ap-plicationMaster是歐洲最著名的航空攝影測量與遙感處理軟件，可全面系統(tǒng)地處理航測遙感、激光、雷達(dá)等數(shù)據(jù)，應(yīng)用其中的OrthoMaster模塊可進(jìn)行全自動的嚴(yán)格差分正射處理，能夠得到真正射像片；應(yīng)用inpho攝影測量系統(tǒng)中的OrthoVista正射影像鑲嵌軟件可進(jìn)行大范圍影像的快速無縫鑲嵌，同時進(jìn)行不同像片間的勻色處理。其他應(yīng)用到的軟件還有SDFCOPY、RiANALYZE560等。

4 數(shù)據(jù)處理基本流程

圖2 整個數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 The whole data processing procedure

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云數(shù)據(jù)處理和正射影像制作3大部分，整個數(shù)據(jù)處理流程見圖2所示。

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括解算原始LAS點云數(shù)據(jù)和原始影像2部分，一般由硬件設(shè)備隨帶的軟件進(jìn)行處理，常見的有POSPac，AEROoffice，GrafNav，IPASPro等，這里以POSPac為例進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)處理描述。

原始點云數(shù)據(jù)為SDF格式的波形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量很大，通過SDFCOPY軟件從liDar存儲器中導(dǎo)出；然后利用RiANALYZE560對SDF格式點云數(shù)據(jù)進(jìn)行波形分析，依據(jù)測區(qū)最大和最小高程用高斯脈沖濾波法計算出以UTC時間為參考的高精度SDC格式數(shù)據(jù)，這種格式數(shù)據(jù)在解算出航跡文件后加地理參考和GPS與UTC時間差，經(jīng)計算得到最終LAS格式點云。原始影像數(shù)據(jù)沒有RGB信息，利用PO-SPac MMS軟件將RGB信息添加到影像中，同時做白平衡，得到初始tif影像。

利用POSPac MMS 5.2軟件解算POS數(shù)據(jù)，首先用地面基準(zhǔn)站GPS接收機采集的數(shù)據(jù)與機載GPS接收機接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行載波相位差分處理，得到飛行平臺精確的三維坐標(biāo)，處理完一般利用該軟件評估點位的精度，如圖3所示，除此之外還可評估各點的質(zhì)量等。將GPS數(shù)據(jù)與IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)以卡爾曼濾波融合，得到最終精確的sbet.out航跡文件，該文件描述不同時刻激光掃描儀的空間位置以及姿態(tài)。結(jié)合航跡文件和SDC格式的激光測距數(shù)據(jù)，得到有地理參考的原始LAS點云數(shù)據(jù)。整個過程中涉及到IMU坐標(biāo)系、激光掃描坐標(biāo)系、載體坐標(biāo)系、導(dǎo)航坐標(biāo)系以及地心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，最終所有數(shù)據(jù)結(jié)果都?xì)w算到WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下。

圖3 點位精度評估Fig.3 The estimation of point position accuracy

相機的檢校和點云數(shù)據(jù)的檢校分別用不同軟件進(jìn)行處理。應(yīng)用POSPacMMS 5.2軟件創(chuàng)建影像金字塔和連接點，以此進(jìn)行數(shù)碼相機的檢校，檢校結(jié)果為相機的內(nèi)方位元素以及像空間坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系3個坐標(biāo)軸間的偏心角，再綜合航跡文件和相片的曝光時間記錄計算可得到精確的影像外方位元素（X，Y，Z，O，P，K）。

使用TerraSolid系列軟件中的TerraMatch進(jìn)行LAS點云數(shù)據(jù)的檢校。在檢校之前需要把sbet.out航跡文件加載到工程文件中，然后將航跡和點云對應(yīng)起來，至此可以把地面點按不同航帶分離出來，通過對重疊區(qū)的點進(jìn)行計算得到精確的側(cè)滾角、俯仰角和航偏角，重新解算LAS數(shù)據(jù)或直接應(yīng)用到點云數(shù)據(jù)中，可大大消除系統(tǒng)誤差，提高了點云數(shù)據(jù)的精度。

4.2 點云數(shù)據(jù)處理

采用TerraScan軟件模塊處理點云數(shù)據(jù)，采用TerraModeler軟件模塊提取DEM和DSM。利用TerraScan軟件模塊處理點云數(shù)據(jù)的一般流程如圖4所示。

圖4 LAS點云數(shù)據(jù)處理Fig.4 The LAS point cloud data processing

TerraScan中地面濾波采用的是瑞典Peter Ax-elsson提出的不規(guī)則三角網(wǎng)法，先選擇種子點構(gòu)建一個粗略的地面三角網(wǎng)，剩余的點為非地面點，然后逐漸從非地面點中選擇滿足一定條件的點向初始粗略三角網(wǎng)中添加構(gòu)成新的網(wǎng)，迭代計算，直到所有的點分為地面點和非地面點為止。在地面濾波時要注意不同的地形選用不同的濾波參數(shù)，主要有地形坡度角、迭代角和迭代距離，需根據(jù)經(jīng)驗選擇合適的參考值。自動濾波完成后有些點的分類是錯的，要結(jié)合正射影像進(jìn)行手動分類。一般情況下，盡量減少手動操作，以節(jié)省時間及成本。得到精確的地面點后即可提取DEM和等高線。根據(jù)需要不同，可生成不同采樣間隔的三角網(wǎng)DEM或格網(wǎng)DEM，格式可以是.txt、.tif、.asc等，具體采用何種格式根據(jù)需要而定。如果點云數(shù)據(jù)量太大，在滿足精度要求的前提下可將點云抽稀后再建DEM和等高線。LAS點云為WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，而我國通常采用北京54坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系，這就涉及到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的問題，一般平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用七參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，高程轉(zhuǎn)換通過基準(zhǔn)站2個不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)擬合得到高程異常，然后對所有點云數(shù)據(jù)加上高程異常即可。如果測區(qū)范圍不大，也可以不進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換。

4.3 正射影像制作

通過POSPac MMS可以得到精確的影像外方位元素，然后利用inpho攝影測量系統(tǒng)參考從點云數(shù)據(jù)提取的DEM進(jìn)行正射糾正及正射影像的勻色及無縫鑲嵌。

在用Application Master導(dǎo)入影像的外方位元素后，需逐步選擇數(shù)碼相機型號、輸入主距和內(nèi)方位元素、像素大小以及鏡頭畸變等。然后用OrhoMaster模塊參考DEM采用三次卷積法進(jìn)行正射糾正，用OrthoVista模塊自動進(jìn)行勻色處理及大范圍正射影像的鑲嵌。

與ERDAS的LPS模塊相比，利用OrthoVista能夠自動進(jìn)行大面積的影像顏色平衡和自動羽化功能，使最后得到的正射像片是一副無縫且顏色平衡，并帶坐標(biāo)的完美的影像鑲嵌圖；而與TerraSolid系列軟件中的TerraPhoto模塊相比，能夠處理大數(shù)據(jù)量、大面積的正射影像，用TerraPhoto制作的正射影像勻色效果也很好，但數(shù)據(jù)量太大就必須分塊處理，加載整幅大范圍大數(shù)據(jù)量正射影像時TerraPhoto模塊自動從Microstation軟件中卸載。

5 應(yīng)用實例

湖北省長陽土家族自治縣位于鄂西南山區(qū)，清江中下游，是湖北甲級風(fēng)景區(qū)，省級生態(tài)環(huán)境度假區(qū)。因測區(qū)內(nèi)高山林立，霧氣大，采用傳統(tǒng)測繪方法工作量大、工期長。結(jié)合liDar技術(shù)，對該區(qū)域進(jìn)行地形數(shù)據(jù)采集和土地調(diào)查項目，采用的liDar系統(tǒng)為徠卡ALS50-Ⅱ。該設(shè)備適合200～6 000 m的高空作業(yè)，其掃描角為75度，最大掃描頻率為150 kHz，搭載的CCD相機分辨率高達(dá)3 900萬像素。圖5所示為最終的測繪成果。將地籍圖與liDar影像疊加后，測區(qū)內(nèi)土地調(diào)查情況更加直觀。通過內(nèi)業(yè)比對，分別將權(quán)屬調(diào)查和地籍碎部測量遺漏區(qū)域以記號標(biāo)注；對地籍圖與DOM套合不夠精確的區(qū)域，也一一標(biāo)示出來作為外業(yè)測圖精度檢查的重點區(qū)域。如圖5所示，土地調(diào)查成果中疑似錯漏區(qū)域被重點標(biāo)出。進(jìn)一步工作就是對照該檢查結(jié)果進(jìn)行排查糾錯。此外，liDar采集生成的1 m間距等高線作為地形要素添加到地籍圖中。實踐經(jīng)驗表明，liDar輔助土地調(diào)查能顯著提高工作效率，大大縮短了土地調(diào)查的周期。

圖5 基于liDar的測繪成果Fig.5 The survey achievement based on the liDar

6 結(jié) 語

本文主要介紹了機載激光雷達(dá)從數(shù)據(jù)采集到得到DEM和正射影像的全過程，包括數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備（申請空域、設(shè)計航線、布設(shè)地面基準(zhǔn)站、選擇檢校場）、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、LAS點云數(shù)據(jù)處理和正射影像制作。并在國內(nèi)首次將liDar技術(shù)應(yīng)用于土地調(diào)查項目。其核心問題總結(jié)如下：

（1）布設(shè)GPS基站時根據(jù)數(shù)據(jù)采集完處理GPS數(shù)據(jù)的方法選擇對應(yīng)的設(shè)站方式，若采用一般方法，基站間距30～50 km就可以了；如采用Applanix的SmartBase進(jìn)行處理，間距可以達(dá)到70 km，要求基站將測區(qū)包圍，夠成一個網(wǎng)狀。為便于數(shù)據(jù)處理后快速檢查已知點與所得點云數(shù)據(jù)的絕對精度，在測區(qū)范圍內(nèi)可布設(shè)1～2個基站。

（2）慣性導(dǎo)航中用的H（航片角）、R（側(cè)滾角）、P（俯仰角）與攝影測量中的O（Omega）、P（Phi）、K（Kappa）是兩組完全不同的概念，前者描述的是IMU坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的關(guān)系，后者描述的是用戶定義坐標(biāo)系與像空間坐標(biāo)系之間的關(guān)系，兩者之間通過變換矩陣可相互轉(zhuǎn)換。

（3）在航飛前或航飛后，要進(jìn)行儀器檢校的檢校場飛行，沒有進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢校的數(shù)據(jù)是不能用的。在用TerrraMatch進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的檢校時，地面點的濾波要按航帶進(jìn)行處理。

（4）在將WGS84下的點云轉(zhuǎn)換成北京54或西安80坐標(biāo)系時在TerraScan中根據(jù)轉(zhuǎn)換七參數(shù)定義轉(zhuǎn)換模型，利用七參數(shù)轉(zhuǎn)換的平面坐標(biāo)精度高，在測區(qū)范圍不大時不用轉(zhuǎn)換高程，如果測區(qū)范圍很大，就要進(jìn)行高程擬合，轉(zhuǎn)換高程。

［1］ 徐祖艦，王滋政，陽 鋒.機載激光雷達(dá)測量技術(shù)及工程應(yīng)用實踐［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.（XU Zu-jian，WANG Zi-zheng，YANG Feng.The Lidar Sur-veying of Aircraft and Engineering Using Activities［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2009.（in Chinese））

［2］ 張小紅.機載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論與方法［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.（ZHANG Xiao-hong.The Theory and Methods of Airborne Laser Radar Surveying Technology［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2007.（in Chinese））［3］ 劉 軍，王冬紅，張永生.GPS／IMU系統(tǒng)HPR與OPK角元素的剖析與轉(zhuǎn)換［J］.測繪科學(xué)，2006，（9）：54－56.（LIU Jun，WANG Dong-hong，ZHANG Yong-sheng.The analysis and conversion between HRP and OPK diag-onal elements in the GPS／IMU system［J］.Surveying and Mapping Science，2006，（9）：54－56.（in Chinese））

［4］ 李學(xué)友.IMU／DGPS輔助航空攝影測量原理、方法與實踐［D］.鄭州：中國人民解放軍信息工程大學(xué)，2005.

（LI Xue-you.The principle，approach and practice of IMU／DGPS－supported photogrammetry［D］.Zheng- zhou：PLA Information Engineering University，2005.（in Chinese））

［5］ PETER Axelsson.DEM generation from laser scanner data using adaptive TIN models［J］.International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing，2000，33：119－ 126.

（編輯：周曉雁）

Airborne Lidar Data Gathering and Data Processing

ZHANG Yu1，DOU Yan-juan2，ZHANG Xiao-dong2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

The paper mainly researches the whole data processing flow-chart from data acquisition to producing DEM and orthophoto，including preparing work before data acquisition，POS data processing，original images pro-cessing，systemic error calibration，LAS point cloud data processing，DEM extraction and orthophoto production.At the end，the paper analyzes the problemswhich should be paid attention to in every processing step.

airborne lidar；data acquisition；data processing；DEM；orthophoto

P231

A

1001－5485（2010）01－0013－04

2009-11-05

長江科學(xué)院科研基金項目（YJJ0804）

張 煜（1971-），男，湖北武漢人，工程師，博士，主要從事攝影測量與遙感技術(shù)研究，（電話）62775940（電子信箱）zhangyu＿1999＠hotmail.com。