推掃式相機(jī)和機(jī)載激光雷達(dá)同機(jī)航測(cè)飛行試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)探討

中國(guó)人民解放軍61363部隊(duì) 李星全 高德俊

徠卡測(cè)量系統(tǒng)貿(mào)易(北京)有限公司 徐 喜

徠卡測(cè)量新技術(shù)應(yīng)用專欄

推掃式相機(jī)和機(jī)載激光雷達(dá)同機(jī)航測(cè)飛行試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)探討

中國(guó)人民解放軍61363部隊(duì) 李星全 高德俊

徠卡測(cè)量系統(tǒng)貿(mào)易(北京)有限公司 徐 喜

一、引 言

隨著新型航空傳感器應(yīng)用的逐步成熟和普遍，越來(lái)越多的測(cè)繪生產(chǎn)任務(wù)都開始采用DGPS/GNSS雙星系統(tǒng)、高精度的IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)，以及更加精密的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。與此同時(shí)，測(cè)繪工作者開始探討更加深入的多系統(tǒng)同機(jī)作業(yè)模式，以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和成果精度，縮短攝影周期。

本文主要針對(duì)推掃式相機(jī)ADS80和機(jī)載激光雷達(dá)ALS60進(jìn)行的同機(jī)飛行試驗(yàn)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)探討，期待精度和效率的進(jìn)一步提升。試驗(yàn)中包含一些技術(shù)上的難點(diǎn)，即試驗(yàn)過(guò)程中的雙系統(tǒng)如何集成安裝、調(diào)試，以及如何覆蓋匹配和精度匹配。在成功試驗(yàn)飛行后，需要對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和結(jié)果精度驗(yàn)證，從而驗(yàn)證ADS80和ALS60同機(jī)飛行的可行性。

二、ADS80和ALS60集成系統(tǒng)

ALS60能夠獲得大量密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而且具有非常精確的測(cè)距能力，可以快速準(zhǔn)確地獲取地物的三維空間信息;ADS80具有快速獲取物體幾何形狀信息和光譜的能力，并可以獲取物體的圖像和多角度紋理特征。兩者集成觀測(cè)能快速提取地物特征，如顏色、尺寸、坐標(biāo)、大小等，從而達(dá)到快速提取數(shù)字三維信息的目的。

1.ADS80介紹

ADS80是第三代機(jī)載線陣航空攝影測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提供更優(yōu)的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理解決方案，并能同角度同時(shí)獲取5個(gè)波段(R、G、B、IR、PAN)的專業(yè)影像來(lái)滿足當(dāng)前航測(cè)制圖與遙感應(yīng)用的需求。它還能夠高效率地獲取真正的同一分辨率、高品質(zhì)、高分辨率的彩色、近紅外及全色數(shù)字影像數(shù)據(jù)，其主要的系統(tǒng)特點(diǎn)包括:①三線陣攝影，可從多個(gè)角度進(jìn)行攝影，并且在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可以通過(guò)多像對(duì)間數(shù)據(jù)的相互補(bǔ)充，縮小影像遮擋范圍，減少野外補(bǔ)測(cè)工作量，解決了航空攝影測(cè)量的高程精度問(wèn)題，取消了野外樁點(diǎn)工作;② 單一主光軸設(shè)計(jì)，IMU的理論中心與系統(tǒng)主光軸一致，偏心誤差極小;③高精度陀螺儀IMU CUS6與GNSS雙星接收系統(tǒng)集成，直接定向精度高，飛行任務(wù)時(shí)不存在衛(wèi)星失鎖問(wèn)題;④新型分光系統(tǒng)提高了光學(xué)鏡頭的物理光能采集效率，真彩色、近紅外同時(shí)光束分離;⑤新型PAV80陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，在執(zhí)行大比例、超低空飛行作業(yè)時(shí)姿態(tài)修正及時(shí)且精確;⑥ 陣列固態(tài)光纖存儲(chǔ)鏈路，數(shù)據(jù)獲取安全有效。

2.ALS60介紹

Leica ALS60機(jī)載激光掃描系統(tǒng)是一套能夠利用激光回波信號(hào)快速獲取地面表面模型和數(shù)字影像的集成系統(tǒng)。它是目前業(yè)界領(lǐng)先的激光掃描系統(tǒng)，其組件的靈活性和強(qiáng)大的功能可以進(jìn)行新型的空間數(shù)據(jù)采集，特點(diǎn)突出，除了可提高數(shù)據(jù)獲取的效率，對(duì)在特殊條件下的數(shù)據(jù)采集如森林地區(qū)、夜間作業(yè)等，也顯示出特有的優(yōu)勢(shì)。ALS60的激光脈沖頻率達(dá)到200 kHz，掃描頻率達(dá)到100 Hz，為地面DTM的數(shù)據(jù)獲取提供了更加先進(jìn)的手段，無(wú)論是在白天還是晚上，無(wú)論是在大面積裸露地區(qū)或覆蓋密集地區(qū)，激光數(shù)據(jù)都能打破常規(guī)航測(cè)的技術(shù)瓶頸，快速準(zhǔn)確地生成目標(biāo)地區(qū)的DTM、DSM、DEM，應(yīng)用潛力十分巨大。

3.ADS80和ALS60同機(jī)作業(yè)

利用ADS80和ALS60同機(jī)作業(yè)能夠發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)。LiDAR開辟了由空中直接獲取高精度三維地面信息的新途徑，獲取數(shù)據(jù)的速率和精度大大提高，數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍更加廣泛。ADS80影像具有高分辨率、色調(diào)飽滿等特點(diǎn)，可以通過(guò)多像對(duì)間數(shù)據(jù)的相互補(bǔ)充，縮小影像遮擋范圍，比傳統(tǒng)掃描攝影膠片獲得的影像具有更好的品質(zhì)。圖1為ADS80和ALS60的集成安裝示意圖。

圖1 ADS80和ALS60的集成安裝示意圖

本次試驗(yàn)采用太原航空攝影有限公司的B200型飛機(jī)。該飛機(jī)有兩個(gè)攝影窗口，電力供應(yīng)符合條件:經(jīng)過(guò)特設(shè)調(diào)節(jié)，可輸出220 V的直流電給GPS分頻設(shè)備盒供電，雙系統(tǒng)共用一個(gè)雙頻DGPS天線接收器，兩個(gè)50 A交流電接線柱。試驗(yàn)中考慮到了ADS相機(jī)視場(chǎng)角度為64°，ALS最大能到75°，憑借多年的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在保證精度的同時(shí)飛到理想的最佳高度，以提高飛行效率。ADS和ALS系統(tǒng)掃描角度兼顧為45°～50°較好，以保證最佳重疊度。

ADS和ALS系統(tǒng)飛行設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 ADS和ALS系統(tǒng)飛行設(shè)計(jì)參數(shù)

三、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

1.DGPS/IMU地面基站數(shù)據(jù)處理精度

DGPS/IMU數(shù)據(jù)與地面基站數(shù)據(jù)融合解算精度都優(yōu)于±5 cm，可以直接用于數(shù)據(jù)后處理使用。如圖2所示。

圖2

2.ADS數(shù)據(jù)無(wú)約束空三檢查結(jié)果與檢校比較

ADS數(shù)據(jù)無(wú)約束空三檢查結(jié)果與檢校比較結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，飛行檢校值比較接近，可直接使用該系統(tǒng)檢校數(shù)據(jù)，參考如下

V03#V03 IMU_MISALIGNMENT

0.000 131 664 8 0.000 005 000 0 0.000 191 029 6 0.000 003 364 2 0.001 527 599 5 0.000 010 181 4

圖3

3.ALS點(diǎn)數(shù)據(jù)快速生成DEM處理

由ALS點(diǎn)數(shù)據(jù)快速生成DEM的效果圖如圖4所示。

圖4

四、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)ADS80和ALS60進(jìn)行的同機(jī)飛行試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行的ALS60數(shù)據(jù)融合作了深入的理論分析。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文提出的ADS80和ALS60同機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)是成功的，融合后的數(shù)據(jù)可以應(yīng)用在點(diǎn)云的分類和濾波，以及構(gòu)建三維地形、建筑物，結(jié)合圖形處理技術(shù)，還能夠快速構(gòu)建、生成DEM。地理數(shù)據(jù)的更新速度和質(zhì)量對(duì)城市的發(fā)展起著基礎(chǔ)性質(zhì)的作用，而本文提出的同機(jī)聯(lián)測(cè)，對(duì)快速有效地構(gòu)建城市模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集具有一定的推動(dòng)作用。