機(jī)載LiDAR系統(tǒng)在道路勘測(cè)中的數(shù)據(jù)獲取及應(yīng)用

駱云飛，王書民

(首都師范大學(xué)三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100048)

一、引 言

機(jī)載LiDAR自西方興起到現(xiàn)在已有20年的歷史，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及通信技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展并且日趨成熟。特別是與慣性測(cè)量單元和差分GPS定位技術(shù)結(jié)合后，顯示出傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量和地面測(cè)量無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)，它可以實(shí)現(xiàn)空間三維信息快速、全面、準(zhǔn)確的獲取，并可以和其他航拍系統(tǒng)集成，從而實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)交互融合，激光點(diǎn)的穿透特性更是讓其他測(cè)量手段捉襟見(jiàn)肘。在歐美國(guó)家，機(jī)載LiDAR早已成為高效率獲取空間數(shù)據(jù)的研究熱點(diǎn)，并且廣泛應(yīng)用在交通、水利、林業(yè)、國(guó)土、各類線路、數(shù)字城市建設(shè)領(lǐng)域中。

在國(guó)內(nèi)，也已經(jīng)有越來(lái)越多的科研單位著手進(jìn)行研究，同時(shí)越來(lái)越多的作業(yè)單位也開(kāi)始將這項(xiàng)技術(shù)用到實(shí)際當(dāng)中，很多領(lǐng)域機(jī)載LiDAR系統(tǒng)都獲得了成功，其高效率和低成本的特點(diǎn)也極適合在道路勘測(cè)中的應(yīng)用。

二、機(jī)載LiDAR系統(tǒng)及原理概述

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)從功能上講由激光系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元3部分組成，后面兩部分負(fù)責(zé)準(zhǔn)確地確定LiDAR系統(tǒng)的飛行位置姿態(tài)，以此來(lái)準(zhǔn)確定位地面的三維坐標(biāo)。并且可以搭載高分辨率數(shù)碼相機(jī)，同時(shí)獲取地面的高清晰數(shù)碼影像，以得到地面的紋理和光譜信息。

激光系統(tǒng)包括一個(gè)發(fā)射單束窄帶的激光器和一個(gè)用于接收激光發(fā)射的接收系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)射的離散激光脈沖遭遇阻攔物體并且反射后，最終會(huì)打到接收器上面，同時(shí)接收器會(huì)準(zhǔn)確得到以光速傳播的激光束的傳播時(shí)間，由此可以計(jì)算出激光器和地面目標(biāo)的距離，然后根據(jù)GPS和IMU得到的激光器坐標(biāo)來(lái)確定地面的坐標(biāo)。激光系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心，以RIEGL公司的LMS-Q560為例，最高可以達(dá)到240 KHz的發(fā)射頻率，在800 m的飛行高度施行180 KHz的頻率，點(diǎn)間距可控制在10 cm，激光器的性能決定了最終數(shù)據(jù)成果的分辨率，同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響。

在機(jī)載LiDAR應(yīng)用中，往往采用動(dòng)態(tài)差分GPS定位技術(shù)，它需要布設(shè)若干地面GPS基站來(lái)與機(jī)載GPS進(jìn)行差分，由于它得到的定位數(shù)據(jù)是整個(gè)機(jī)載系統(tǒng)定位的初始數(shù)據(jù)，因此它的定位精度直接影響到激光數(shù)據(jù)最終的精度。在GPS數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，消除或減小對(duì)流層和電離層誤差，兩類鐘誤差以及星歷誤差后，能夠達(dá)到厘米級(jí)精度。慣性測(cè)量單元(IMU)主要負(fù)責(zé)記錄飛行載體各個(gè)時(shí)刻的飛行姿態(tài)，包括翻滾、俯仰和航向3種角度，通過(guò)系統(tǒng)糾正之后可得到LiDAR系統(tǒng)的外方位角，聯(lián)合GPS數(shù)據(jù)求得地面目標(biāo)的坐標(biāo)。但是因?yàn)镮MU中的陀螺儀存在漂移并且累計(jì)，故常常在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中通過(guò)刻意改變航向或者數(shù)據(jù)處理過(guò)程采用順逆雙向處理來(lái)消除或減小此類誤差。圖1為L(zhǎng)iDAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理原理圖。

圖1 機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理原理圖

三、機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取

1．航線規(guī)劃

航線規(guī)劃是在數(shù)據(jù)獲取前非常重要的工作，它的目的在于確定LiDAR系統(tǒng)載體的飛行線路，為數(shù)據(jù)采集過(guò)程實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，保證全面、正確地獲取符合要求的激光數(shù)據(jù)。在具體的規(guī)劃中還需要知道選用的橢球標(biāo)準(zhǔn)和投影方式，這對(duì)于大片或者帶狀區(qū)域意義重大。

飛行高度、激光發(fā)射頻率和掃描角共同決定了激光點(diǎn)云的密度，決定成果的分辨率，不同的飛行高度對(duì)激光發(fā)射頻率上限有不同的要求，所以在飛行進(jìn)行之前需要綜合考慮。同時(shí)為了得到均勻分布點(diǎn)云，對(duì)飛行器的飛行速度也會(huì)有相應(yīng)的要求，飛行器一般有最低速度限制，需要激光器設(shè)置調(diào)整。對(duì)于集成了各類相機(jī)的系統(tǒng)，還需控制航帶和曝光點(diǎn)來(lái)滿足重疊率的要求。圖2為設(shè)計(jì)好的航線。

2．地面GPS基站布設(shè)

對(duì)于帶狀的測(cè)區(qū)，需要沿道路方向每隔一段距離布設(shè)一個(gè)GPS基站，根據(jù)GPS差分原理以及項(xiàng)目實(shí)際基線長(zhǎng)度應(yīng)該控制在適合的范圍，一般在20 km以內(nèi)，這樣才能達(dá)到GPS差分效果的最優(yōu)化。在機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)之前，設(shè)定好一致采樣頻率并且開(kāi)機(jī)工作，保證系統(tǒng)GPS工作時(shí)間有地面基站與其差分。

圖2 在公路勘測(cè)中的航線

3．確保獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量

為了得到全面、精確、符合要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)該在數(shù)據(jù)采集前做好充分的準(zhǔn)備，采集過(guò)程中密切關(guān)注數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)情況。對(duì)于儀器懸掛在飛行器外面的情況，要做好防風(fēng)防雨措施，導(dǎo)航和存儲(chǔ)單元應(yīng)保證其散熱良好，飛行器飛行中會(huì)連帶激光器產(chǎn)生高頻震動(dòng)，系統(tǒng)的搭載器件在牢固的前提下應(yīng)做好減震防護(hù)。圖3為兩種質(zhì)量的道路激光點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖3 兩種質(zhì)量點(diǎn)云對(duì)比

POS系統(tǒng)取得數(shù)據(jù)的精度直接影響了激光點(diǎn)的成圖質(zhì)量，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中應(yīng)盡量減少和降低GPS和IMU誤差。航空測(cè)量前，得到GPS的偏心分量并做好IMU的視準(zhǔn)軸矯正，在飛行之前給予系統(tǒng)足夠的時(shí)間進(jìn)行初始化。POS系統(tǒng)基于WGS-84坐標(biāo)系，得到的目標(biāo)點(diǎn)也是在WGS-84下的坐標(biāo)。以AEROcontrol為例(IGI的 GPS/IMU系統(tǒng))，圖4為某試驗(yàn)區(qū)GPS差分的標(biāo)準(zhǔn)差(SD)結(jié)果?？梢钥闯鱿到y(tǒng)收斂速度非常快(3 s以內(nèi))，收斂后3個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)差：SDNorth 約 2．7 cm;SDEast約 2．5 cm;SDHeight約7 cm。

四、機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的應(yīng)用

1．LiDAR在道路勘測(cè)中的應(yīng)用

(1)制作DTM和DSM

數(shù)字地面模型(DTM)是利用一個(gè)坐標(biāo)系中的大量已知坐標(biāo)，得到的連續(xù)的帶有地理特征地面模型，還包括坡度坡向特性。具體實(shí)現(xiàn)主要以TIN三角網(wǎng)或者規(guī)則格網(wǎng)為基礎(chǔ)來(lái)建立數(shù)字地面模型，數(shù)字地表模型(DSM)是對(duì)地球表面各類地物和綜合描述。二者的區(qū)別在于前者是去除掉植被，建筑物等物體后，反映地球表面最根本的構(gòu)造模型，而DSM則包括植被和各種建筑。

圖4 GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差

DTM對(duì)于道路勘測(cè)的作用十分重要，通過(guò)它能夠迅速得到關(guān)鍵區(qū)域的橫斷面;激光具有穿透特性，根據(jù)激光波的強(qiáng)度和回波信息可以實(shí)現(xiàn)地面和植被的分離，LiDAR建立的地面模型相比航拍具有更好的精度水平，尤其是高程方面，并且與GPSRTK方法相比，能節(jié)省大量的資源和時(shí)間，根據(jù)其精確的高程數(shù)據(jù)，有利于勘測(cè)過(guò)程中土方量的計(jì)算。根據(jù)DTM還能生成等高線圖和各類地形圖，可以滿足勘測(cè)設(shè)計(jì)需要。圖5為根據(jù)DTM繪制等高線。

圖5 DTM繪制等高線

近些年環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重，植被和水域都遭受了不同程度的破壞，同時(shí)氣候?yàn)?zāi)害層出不窮，影響交通系統(tǒng)正常運(yùn)行。運(yùn)用LiDAR數(shù)據(jù)生成的DSM能夠及時(shí)的獲取道路附近的植被和水域情況，從而幫助道路的設(shè)計(jì)決策。

(2)與其他數(shù)據(jù)相互融合

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)缺少相應(yīng)的紋理和光譜信息，為了使獲取的信息更加全面，可以利用高分辨率數(shù)碼相機(jī)甚至高光譜相機(jī)同步獲取地面的真彩影像信息。LiDAR系統(tǒng)自帶了高精度POS系統(tǒng)(GPS和IMU)，得到的POS數(shù)據(jù)可以與相機(jī)共享，采用POS系統(tǒng)輔助光束法來(lái)生成正射影像。激光數(shù)據(jù)具有明顯的三維特征，這兩種數(shù)據(jù)融合能夠?qū)⒏髯缘膬?yōu)勢(shì)集合起來(lái)，生成的三維模型也更加逼真。可以將正射影像和處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)同一標(biāo)準(zhǔn)的地理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)和相元的一一對(duì)應(yīng)，把相元的色彩和光譜信息賦到激光點(diǎn)上。還可以在LiDAR數(shù)據(jù)輔助下采用多種算法對(duì)高分影像進(jìn)行輪廓提取，然后通過(guò)激光點(diǎn)云的高程信息完成目標(biāo)區(qū)域的三維重建，這種以各類影像為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)建筑物三維重建的融合手段已經(jīng)在電子地圖方面得到了應(yīng)用。圖6為在google地球上截取的橋梁三維模型。

圖6 舊金山金門大橋

2．LiDAR在其他方面的應(yīng)用

LiDAR在林學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最早，可以測(cè)定樹(shù)高，樹(shù)冠面積以及植被密度，并且可以根據(jù)激光回波強(qiáng)度信息實(shí)現(xiàn)物種分類，對(duì)于森林普查具有重要意義。Li-DAR豐富的數(shù)據(jù)信息還可用于數(shù)字城市建模，真三維模型已經(jīng)逐漸應(yīng)用于城市規(guī)劃，市政建設(shè)以及房產(chǎn)開(kāi)發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域。另外，在電力、各類線路、淺海海域信息獲取、災(zāi)害檢測(cè)多個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。

五、結(jié)束語(yǔ)

機(jī)載LiDAR近些年的蓬勃發(fā)展已經(jīng)吸引了越來(lái)越多的人來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究和應(yīng)用。LiDAR技術(shù)在道路勘測(cè)中的取得了成功應(yīng)用，其高效率、高精度的數(shù)據(jù)獲取方式，以及豐富的激光波信息和易于傳統(tǒng)航拍集成的作業(yè)模式均有著原始測(cè)繪手段無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)道路建設(shè)尤其是近幾年的鐵路建設(shè)任務(wù)非常迫切，應(yīng)該繼續(xù)推廣LiDAR技術(shù)在交通勘測(cè)當(dāng)中的應(yīng)用，同時(shí)，需要盡快完善機(jī)載LiDAR的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的規(guī)范化。

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