基于車載激光系統(tǒng)的地面三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)研究

李夢(mèng)++孫龍++李娜

摘 要：機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)（Light Detection And Ranging，簡(jiǎn)稱LIDAR）集成了激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）、高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)（IMU）、數(shù)碼相機(jī)，具有同時(shí)采集三維地形數(shù)據(jù)和數(shù)字影像的能力。本文以遼寧省大連市1∶500比例尺地形測(cè)量為例，詳細(xì)介紹了LIDAR的基本原理、地面三維數(shù)據(jù)的獲取和處理方法，以及數(shù)據(jù)成果的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：LIDAR POS GPS IMU DTM DSM

中圖分類號(hào)：P225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（c）-0030-02

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)（Light Detection And Ranging，簡(jiǎn)稱LIDAR），也叫機(jī)載激光雷達(dá)，是一種安裝在飛機(jī)上的機(jī)載激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，它集成了激光掃描儀、差分GPS系統(tǒng)、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性量測(cè)單元，用以量測(cè)飛機(jī)平臺(tái)的飛行姿態(tài)）、數(shù)碼相機(jī)。在動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)和IMU的支持下，激光掃描系統(tǒng)通過(guò)激光掃描器和距離傳感器，經(jīng)由微計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量資料進(jìn)行內(nèi)部處理，顯示或存儲(chǔ)、輸出距離和角度等資料，并與距離傳感器獲取的數(shù)據(jù)相匹配，經(jīng)過(guò)相應(yīng)軟件進(jìn)行一系列處理來(lái)獲取被測(cè)目標(biāo)的表面形態(tài)和三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行各種量算或建立立體模型。

在過(guò)去十年，機(jī)載LIDAR作為精確、快速的獲取地面三維數(shù)據(jù)的工具已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)同。至2004年全球已經(jīng)有超過(guò)30類不同型號(hào)的激光掃描系統(tǒng)投放市場(chǎng)。加拿大Optech公司生產(chǎn)的ALTM和SHOALS、美國(guó)Leica公司的ALS50、瑞典的TopoEye AB公司生產(chǎn)的TopEye、德國(guó)IGI公司的Lite Mapper、法國(guó)Toposys公司的FalconⅡ等是當(dāng)前較成熟的商業(yè)系統(tǒng)。本文以遼寧省大連市1∶500比例尺地形測(cè)量為例，主要介紹機(jī)載LIDAR基本原理、地面三維數(shù)據(jù)的獲取和處理方法，以及數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

2 LIDAR數(shù)據(jù)獲取的基本原理

當(dāng)機(jī)載LIDAR航攝飛行時(shí)，激光掃描儀發(fā)射、接收激光束，對(duì)地面進(jìn)行線狀掃描，與此同時(shí)，動(dòng)態(tài)GPS系統(tǒng)確定傳感器的空間位置（經(jīng)緯度），IMU測(cè)量飛機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，即滾動(dòng)、仰俯和航偏角。由于系統(tǒng)的幾個(gè)部分同步工作并集成于一體，GPS 和IMU的數(shù)據(jù)融合極為方便，所以經(jīng)后期地面數(shù)據(jù)處理后，即可獲取地面的三維數(shù)據(jù)（見圖1）。

3 IDAR數(shù)據(jù)的獲取和處理

3.1 LIDAR設(shè)備選擇

在遼寧省大連市1∶500比例尺地形測(cè)量項(xiàng)目中，高程精度的要求優(yōu)于0.15 m，我們選擇了加拿大Optech公司的ALTM3100。基于30年的LIDAR生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，新一代的ALTM-3100采樣頻率高達(dá)100 kHz，1200 m航高以下高程精度達(dá)到0.15 m，平面精度可以達(dá)到航高的1/3000，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 航攝高度和飛行時(shí)間的選擇

LIDAR數(shù)據(jù)的精度與航攝高度有關(guān)，本攝區(qū)航攝的目的是為1∶500基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)字產(chǎn)品提供高程數(shù)據(jù)，為確保測(cè)繪成果的質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和ALTM-3100的性能規(guī)格，以及飛機(jī)性能和攝區(qū)對(duì)航高的約束條件，設(shè)計(jì)飛行高度為800 m。

LIDAR系統(tǒng)是一個(gè)先進(jìn)的主動(dòng)傳感系統(tǒng)，它不依賴太陽(yáng)光照，所以在獲取地面三維信息時(shí)可以考慮夜航。飛行作業(yè)中，需根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)實(shí)際星歷數(shù)據(jù)情況，選擇避開GPS信號(hào)較弱時(shí)段。為了避免植被，尤其是農(nóng)作物對(duì)真實(shí)地面的干擾，建議選擇秋冬季節(jié)進(jìn)行航飛。所以大連測(cè)區(qū)的航攝時(shí)間選擇在2006年10月至2007年1月間，并且增加了夜航。

3.3 LIDAR數(shù)據(jù)的獲取

大連1∶500地形測(cè)量項(xiàng)目共涉及飛行11個(gè)架次，其中1個(gè)架次為檢校場(chǎng)飛行，用于ALTM-3100系統(tǒng)檢校，其他10個(gè)架次為測(cè)區(qū)航攝飛行。全測(cè)區(qū)面積810 km2，航線總計(jì)81條，總長(zhǎng)2613.5 km，飛行高度800 m，有效飛行時(shí)間為29 h30 min。激光掃描儀脈沖頻率100 kHz，掃描頻率43 Hz，掃描角度21度，旁向重疊率30%，激光點(diǎn)地面點(diǎn)間距 0.52 m。

3.4 LIDAR數(shù)據(jù)的處理

LIDAR航攝飛行結(jié)束后，要盡快對(duì)航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)，決定是否需要補(bǔ)飛或重飛，進(jìn)而解算激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類處理。

3.4.1 LIDAR數(shù)據(jù)處理流程

原始數(shù)據(jù)解碼：原始采集的激光數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)（定位定向數(shù)據(jù)，包括DGPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)）需要進(jìn)行解碼，從而獲得GPS文件，IMU文件，激光點(diǎn)文件等；POS數(shù)據(jù)處理：機(jī)載POS與地面基站GPS進(jìn)行差分和融合，獲得精確坐標(biāo)；激光數(shù)據(jù)處理：處理后的POS數(shù)據(jù)與激光點(diǎn)數(shù)據(jù)融合，獲得地面坐標(biāo)；輸出激光點(diǎn)文件。

3.4.2 LIDAR數(shù)據(jù)處理說(shuō)明

解算原則，方法：實(shí)際解算，采用多邊形范圍輸出，以單條航線存儲(chǔ)為一個(gè)激光點(diǎn)文件；坐標(biāo)系統(tǒng)，采用WGS84橢球，UTM投影坐標(biāo)系；POS處理說(shuō)明：處理基站時(shí)，使用遼寧省的GPS控制網(wǎng)，并同時(shí)保證機(jī)場(chǎng)附近架設(shè)一個(gè)基站，由觀測(cè)手簿獲得基站坐標(biāo)及天線高；使用基站時(shí)，盡可能多的使用離測(cè)區(qū)范圍最近的所有基站。航帶重疊處理：航線與航線之間重疊的部分，根據(jù)航線，將重疊部分的數(shù)據(jù)劃分出去，減小數(shù)據(jù)量。

3.4.3 LIDAR數(shù)據(jù)分類處理

LIDAR數(shù)據(jù)包括很多類型，例如房屋建筑、植被、水體、地表、管線等，如果要提取DTM（Digital Terrain Model，數(shù)字地形模型），就必須將非地表類型點(diǎn)和地表點(diǎn)分離開，也就是要進(jìn)行數(shù)據(jù)分類。目前基于LIDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)濾波的方法絕大部分都是基于三維激光數(shù)據(jù)腳點(diǎn)的高程突變等信息進(jìn)行的，概括來(lái)講主要有移動(dòng)窗口法，迭代線性最小二乘內(nèi)插法，基于地形坡度濾波和移動(dòng)曲面擬合法等幾種。endprint

大連測(cè)區(qū)為平原地貌，地勢(shì)低平，絕大部分地區(qū)海拔不足5 m，最大相對(duì)高度不足8 m，海拔高程一般在2～3 m。根據(jù)地形情況，首先剔除噪聲點(diǎn)，包括云，折射等造成的高程異常點(diǎn)；然后設(shè)定適合的參數(shù)，采用TerraScan軟件（芬蘭Terrasoild公司出品）自動(dòng)分類提取地面點(diǎn)。TerraScan軟件是依據(jù)移動(dòng)窗口法來(lái)分類提取地面點(diǎn)的。

3.4.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用POS動(dòng)態(tài)定位計(jì)算出來(lái)的激光點(diǎn)坐標(biāo)屬于WGS84坐標(biāo)體系，而大連測(cè)區(qū)采用的是80坐標(biāo)系，因此需要通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得最終成果。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括兩個(gè)方面：平面坐標(biāo)體系轉(zhuǎn)換和正常高轉(zhuǎn)換。平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以利用遼寧省C級(jí)網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果，七參數(shù)法轉(zhuǎn)換得到。正常高轉(zhuǎn)換是利用大連測(cè)區(qū)高程控制點(diǎn)擬合的似大地水準(zhǔn)面計(jì)算得到。

3.4.5 高程數(shù)據(jù)成果

經(jīng)過(guò)分類和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，LIDAR數(shù)據(jù)就可以用于測(cè)繪成果的生產(chǎn)了。大連1：500地形測(cè)量項(xiàng)目主要是獲取DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）、等高線、高程注記點(diǎn)等。由于LIDAR數(shù)據(jù)的高密度和高精度，使得由分類后的地表點(diǎn)生成的TIN（Triangulated Irregular Network，不規(guī)則三角網(wǎng)）的精度較傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法有了質(zhì)的提高，能夠滿足大比例尺地形測(cè)量的需求。

3.4.6 高程精度檢測(cè)

大連1∶500地形測(cè)量高程成果采用實(shí)地水準(zhǔn)測(cè)量和差分GPS測(cè)量方法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1。

其中Δ為檢測(cè)誤差值，M=0.15（m）為標(biāo)準(zhǔn)中誤差。

兩種檢測(cè)方法結(jié)果表明，大部分成果精度很高，1倍標(biāo)準(zhǔn)中誤差以內(nèi)的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)達(dá)到85%以上，大于2倍標(biāo)準(zhǔn)中誤差的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)小于5%，檢測(cè)中誤差小于0.15 m，滿足設(shè)計(jì)書的要求，證明用LIDAR測(cè)高獲取地形高程的方法可行。

4 結(jié)語(yǔ)

從大連市1∶500地形測(cè)量項(xiàng)目可以看出，機(jī)載LIDAR技術(shù)為獲取高分辨率的地球空間信息提供了全新的技術(shù)手段，使人們從傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)數(shù)據(jù)獲取，提高了觀測(cè)的精度和速度，能快速的獲取精確的數(shù)字高程模型及地物的三維坐標(biāo)，同時(shí)配合地物影像，增強(qiáng)對(duì)地物的認(rèn)知和識(shí)別能力，在攝影測(cè)量與遙感及測(cè)繪等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用需求，因此開展機(jī)載LIDAR技術(shù)的應(yīng)用研究以及數(shù)據(jù)處理的方法研究具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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