機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)淺析

周萬(wàn)堅(jiān)

【摘 要】機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)通過(guò)將全球定位、慣性導(dǎo)航、激光、光學(xué)技術(shù)這四類先進(jìn)技術(shù)集于一體運(yùn)用于觀測(cè)系統(tǒng)之中，此技術(shù)不僅成本投入低，而且使用效率極高。本文簡(jiǎn)單介紹了機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的理論概念及其系統(tǒng)構(gòu)成的功能與原理，針對(duì)激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)展開(kāi)分析，就其具體應(yīng)用現(xiàn)狀闡述了雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域，展望激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)載激光雷達(dá)；測(cè)繪技術(shù)；全球定位；激光掃描；空間數(shù)據(jù)

1.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)

1.1機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)簡(jiǎn)介

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)一般是將機(jī)載激光系統(tǒng)安裝于飛機(jī)之上，主要用于探測(cè)地面的三維坐標(biāo)來(lái)生產(chǎn)相應(yīng)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)影像，通過(guò)數(shù)據(jù)處理及相應(yīng)軟件處理生成相應(yīng)地面的DEM模型、等值線圖及DOM正射影像圖。其中，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)主要是將激光、全球定位、慣性導(dǎo)航、光學(xué)技術(shù)集于一體運(yùn)用光學(xué)遙感技術(shù)進(jìn)行波段探測(cè)，從而可以有效的獲取地面物體所反射能量的大小與物體反射波譜的幅度、頻率與相位，針對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的處理與定位，進(jìn)而針對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)速與識(shí)別。

目前，我國(guó)主要將機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字城市規(guī)劃、工程建筑測(cè)量、電力設(shè)計(jì)勘測(cè)選線和線路監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)、林業(yè)種植與規(guī)劃等領(lǐng)域，為我國(guó)的社會(huì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。

1.2機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)

1.2.1機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成部件主要包括：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、激光掃描測(cè)距和數(shù)碼成像系統(tǒng)等組成。

1.2.2機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的功能及原理

（1）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，用于測(cè)量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)（ω、?、κ）。

（2）基于動(dòng)態(tài)相位差分技術(shù)的全球定位系統(tǒng)，用于確定掃描投影中心的空間位置參數(shù)（X0，Y0，Z0）。

（3）激光掃描測(cè)距系統(tǒng)，用于測(cè)量傳感器到被探測(cè)目標(biāo)的距離D；在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，由發(fā)射機(jī)發(fā)出的無(wú)線電波射到空中后，一部分經(jīng)物體或空氣反射后，由雷達(dá)的接收系統(tǒng)接收，這部分反射波稱為雷達(dá)信號(hào)，反映從反射無(wú)線電波的物體到雷達(dá)的距離。

（4）數(shù)碼成像系統(tǒng)，主要用于獲取目標(biāo)的彩色或紅外影像信息。

2.數(shù)據(jù)處理

2.1確定航跡

地面GPS基站和機(jī)載GPS的測(cè)量數(shù)據(jù)聯(lián)合平差來(lái)確定飛機(jī)的飛行軌跡。

2.2激光點(diǎn)三維空間坐標(biāo)的計(jì)算

利用隨機(jī)的商用軟件，對(duì)機(jī)載GPS數(shù)據(jù)、飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差，得到各測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，稱之為“激光點(diǎn)云”。

2.3激光數(shù)據(jù)的噪聲和異常值剔除

由于水體對(duì)激光的吸收及其他原因，使有些激光測(cè)距點(diǎn)無(wú)明顯的回波信號(hào)以及因電路等原因產(chǎn)生的異常距離值，在處理激光測(cè)距的原始數(shù)據(jù)時(shí)必須先剔除噪聲和異常值。

2.4激光數(shù)據(jù)濾波

目前用于機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)濾波的方法大部分是基于激光數(shù)據(jù)腳點(diǎn)的高程突變等信息進(jìn)行的，主要分為形態(tài)學(xué)濾波法、移動(dòng)窗口法、迭代線型最小二乘法、基于地形的坡度濾波等。

2.5激光數(shù)據(jù)拼接

在機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，可利用同步獲得的影像信息，根據(jù)重疊區(qū)域的影像可確定航帶間的系統(tǒng)誤差。此外，為了保證DTM拼接正確，通常采用變系數(shù)加權(quán)平均法消除航帶間出現(xiàn)的隨機(jī)誤差。

2.6激光數(shù)據(jù)分類輸出

數(shù)據(jù)分類處理完畢后，一些不必要的數(shù)據(jù)被剔除，數(shù)據(jù)量將減小，可以以ASCII或二進(jìn)制形式輸出。

2.7坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用POS動(dòng)態(tài)定位所提供的定位結(jié)果屬于WGS-84坐標(biāo)系，而我們所需要的空三加密結(jié)果應(yīng)屬于國(guó)家規(guī)定的另一套坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系，因此必須解決動(dòng)態(tài)定位結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，利用地面基站坐標(biāo)和坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，一般采用GPS基線向量網(wǎng)的約束平差。GPS所提供的是以橢球面為基準(zhǔn)的大地高程，必須轉(zhuǎn)換為以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高，可通過(guò)測(cè)區(qū)內(nèi)若干已知正常高的控制點(diǎn)擬合建立高程異常模型進(jìn)行。

2.8影像數(shù)據(jù)的定向和鑲嵌

數(shù)字影像先進(jìn)行解壓處理，結(jié)合激光掃描測(cè)量的DTM數(shù)據(jù)進(jìn)行定向鑲嵌，形成數(shù)字正射影像圖。

3.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1數(shù)字城市應(yīng)用

隨著科技技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)的城市化推進(jìn)工作不斷加快，其中尤以數(shù)字化城市建設(shè)為重。在進(jìn)行數(shù)字化城市規(guī)劃的過(guò)程中，必然需要通過(guò)運(yùn)用相應(yīng)的規(guī)劃軟件與技術(shù)來(lái)有效開(kāi)展規(guī)劃工作。二維規(guī)劃技術(shù)已無(wú)法滿足當(dāng)前數(shù)字化城市的規(guī)劃需求，而機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)可以有效的實(shí)現(xiàn)三維城市形象規(guī)劃。

其中，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)主要通過(guò)將獲取的三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)處理，對(duì)城市進(jìn)行系統(tǒng)化、全面化、形象化的規(guī)劃與模擬，進(jìn)而可以有效避免由于航高、陰影遮擋等限制因素而導(dǎo)致城市規(guī)劃處理出現(xiàn)誤差。由此可見(jiàn)，通過(guò)運(yùn)用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行數(shù)字城市規(guī)劃，不僅可以有效、快速、準(zhǔn)確的采集相應(yīng)的三維空間數(shù)據(jù)來(lái)生成影像，而且可以進(jìn)行大比例尺地形圖規(guī)劃，以高精度、高自動(dòng)化水平、高效率方式進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)獲取與測(cè)量工作，確保其紋理映射自動(dòng)化水平以及高效率的房屋建模工作，推進(jìn)數(shù)字化城市的規(guī)劃工作。

3.2工程建筑測(cè)量

如文中所述，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)具備高精確度，可以為建筑工程項(xiàng)目提供高精確度、高實(shí)效性的工程測(cè)量數(shù)據(jù)，確保工程項(xiàng)目按期按質(zhì)完成。其中，將機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于建筑工程項(xiàng)目施工領(lǐng)域之中，主要是通過(guò)應(yīng)用DEM結(jié)合GIS及CAD軟件進(jìn)行影像與數(shù)據(jù)搜集，以便及時(shí)篩選最優(yōu)化的施工方案。由激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)各方案中的施工組織設(shè)計(jì)及施工線路、施工位置進(jìn)行測(cè)量，從而為工程項(xiàng)目，例如道路施工工程提供大量有效、準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，提供工程施工方案設(shè)計(jì)的有效性。

3.3電力設(shè)計(jì)勘測(cè)選線和線路監(jiān)測(cè)應(yīng)用

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域還包括電力企業(yè)中的相關(guān)工程項(xiàng)目之中，包括電力設(shè)計(jì)過(guò)程中的勘測(cè)選線與電力線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，可以對(duì)電力線路的設(shè)計(jì)區(qū)域中的地形與物體要素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以供線路監(jiān)測(cè)與選線之需，提高電力企業(yè)施工的效率與質(zhì)量水平。

3.4災(zāi)害監(jiān)測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)

根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，它可以生成DEM系統(tǒng)，從而可以針對(duì)我國(guó)社區(qū)進(jìn)行必要的災(zāi)害控制、監(jiān)測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)。

水文學(xué)家可以通過(guò)采用激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，對(duì)我國(guó)社區(qū)的重大自然災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)與防治，包括地震、洪災(zāi)、泥石流滑坡、風(fēng)害等，還可以對(duì)我國(guó)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。例如，在降水量大的季節(jié)進(jìn)行洪水范圍預(yù)測(cè)，以便應(yīng)急消防救助小組根據(jù)災(zāi)害范圍及災(zāi)害情況提前設(shè)計(jì)、組織災(zāi)害防治方案與救援組織方案，以便將災(zāi)害的損傷降到最低。其中，在一架固定翼飛機(jī)上安裝一臺(tái)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)30公里的區(qū)域之內(nèi)進(jìn)行維持四小時(shí)的實(shí)地勘測(cè)，為災(zāi)害監(jiān)測(cè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了重要的數(shù)據(jù)資料。

3.5林業(yè)應(yīng)用

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在我國(guó)林業(yè)種植與發(fā)展方面（下轉(zhuǎn)第22頁(yè)）（上接第20頁(yè)）也具有很大貢獻(xiàn)。通過(guò)運(yùn)用激光雷達(dá)系統(tǒng)，可以提供準(zhǔn)確的森林及樹(shù)冠下面的信息數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)的后期處理，獨(dú)立的激光返回值可分為植被返回值和地面返回值，根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，針對(duì)森林中的林木覆蓋率與覆蓋面積數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便林業(yè)管理者掌握樹(shù)木的疏密程度，年長(zhǎng)樹(shù)木的覆蓋面積和年幼樹(shù)木的覆蓋面積，從而促進(jìn)森林管理工作的規(guī)范化與高效化，便于管理者針對(duì)森林進(jìn)行宏觀調(diào)控與管理，提高其管理水平與管理質(zhì)量。

4.小結(jié)

結(jié)合上文中所述，隨著科學(xué)信息技術(shù)的不斷發(fā)展、改進(jìn)與成熟，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)也將隨之發(fā)展，其應(yīng)用的領(lǐng)域與深度也將逐漸拓寬、加深。根據(jù)當(dāng)前機(jī)載激光雷達(dá)市場(chǎng)來(lái)看，我國(guó)在今后的技術(shù)研討工作中，將主要集中于開(kāi)發(fā)、利用新的激光輻射源、多傳感器系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)融合，通過(guò)不斷探索機(jī)載激光雷達(dá)的新體制，力求為我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。 [科]

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