LIDAR技術(shù)在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

耿會東+呂德奎+陶偉東

摘 要：LIDAR作為一種獲取高分辨率地球空間信息的嶄新技術(shù)手段，具有數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、天氣影響小、自動化程度高等特點(diǎn)。探討了DEM、DOM制作和點(diǎn)云處理，闡述了LIDAR技術(shù)的數(shù)據(jù)處理過程及其在城市建設(shè)管理、軍事探測等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了預(yù)測和展望。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：LIDAR；慣導(dǎo)技術(shù)；DEM；DOM；點(diǎn)云；數(shù)據(jù)處理

DOIDOI：10.11907/rjdk.161516

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）008-0162-03

0 引言

目前，計(jì)算機(jī)信息及其它高新技術(shù)被廣泛應(yīng)用，數(shù)字立體攝影測量已經(jīng)成熟，相應(yīng)的軟件和數(shù)字立體測量工作站在生產(chǎn)部門逐漸普及，但是攝影測量工作目前存在生產(chǎn)模式周期過長的弊端，不能滿足信息化社會及“數(shù)字地球”對測繪的要求。

LIDAR（Light Detection and Ranging）技術(shù)[1]是近幾十年來攝影測量領(lǐng)域最具革新性的技術(shù)之一。LIDAR即光探測與測距，根據(jù)載體不同，可分為機(jī)載和地面激光雷達(dá)兩種模式，原理是通過激光打在物體上的返回信號進(jìn)行三維坐標(biāo)的測量，應(yīng)用GPS（Global Position System）、慣導(dǎo)（IMU，Inertial Measurement Unit）裝置測定飛機(jī)的飛行姿態(tài)、空間位置、時間，生成LIDAR數(shù)據(jù)。LIDAR技術(shù)是GPS、慣性導(dǎo)航、激光測距等技術(shù)的集成應(yīng)用。

LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過某些軟件（TerraSolid、 LID_MAS）的數(shù)據(jù)處理后，可生成具有高精度的帶狀地形斷面圖、數(shù)字地面模型、高壓輸電線路三維圖（包括鐵塔位置、懸垂線、環(huán)境地形）、等高線圖、房屋三維立體模型、正射影像圖（航空飛行時要配備數(shù)字相機(jī)）等，可應(yīng)用于道路設(shè)計(jì)與擴(kuò)建、輸電線路設(shè)計(jì)與管理維護(hù)、三維建模、洪水等災(zāi)害防治、農(nóng)業(yè)監(jiān)控研究等領(lǐng)域。

目前歐美發(fā)達(dá)國家中，在高效率空間數(shù)據(jù)信息獲取方面，該技術(shù)已成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域囊括了經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事、林業(yè)等多個方面。而我國關(guān)于該技術(shù)的研究及應(yīng)用仍處于起步階段，因此其數(shù)據(jù)處理方法及應(yīng)用還具有很大潛力。

截至2003年1月1日，全世界LIDAR系統(tǒng)分布情況為：北美洲43套、歐洲29套、南美洲5套、亞洲8套、非洲1套。在美國、日本、歐洲應(yīng)用有10年的歷史，在中國沒有機(jī)載高精度的硬件設(shè)備，也沒有中國本土高精度的數(shù)據(jù)，只是在大氣污染研究方面中科院有相關(guān)報道。2005年4月，北京星天地信息技術(shù)有限公司準(zhǔn)備由加拿大進(jìn)口引進(jìn)中國第一臺機(jī)載激光掃描儀及與之配套的GPS和慣性導(dǎo)航設(shè)備，總價150萬美元（此價格是估計(jì)值），激光掃描儀信號脈沖頻率為10萬HZ，其中GPS的定位精度可以達(dá)到10cm，在美國和歐洲的試驗(yàn)和生產(chǎn)證明激光點(diǎn)的高程精度可以控制在15cm以內(nèi)。LIDAR設(shè)備外觀如圖1所示。

1 LIDAR系統(tǒng)概述

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)主要包括：①激光測距系統(tǒng)，用于測量發(fā)射點(diǎn)與地面障礙物間的距離；②姿態(tài)測量裝置（IMU），用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)；③動態(tài)差分全球定位系統(tǒng)（DGPS），用于確定掃描投影中心的空間位置；④一套成像裝置，用于獲取對應(yīng)地面的彩色數(shù)碼影像，最終用來制作正射影像[2]。

機(jī)載LIDAR的特點(diǎn)如下：①數(shù)據(jù)精度高。利用高精密的傳感工藝自動采集目標(biāo)的表面與立體結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)高精度定位系統(tǒng)獲得較高的定位精度；②數(shù)據(jù)密度高。地表激光點(diǎn)的采集間隔可根據(jù)具體的工程需要來調(diào)節(jié)，使得LIDAR數(shù)據(jù)可達(dá)到很高的密度；③時效性強(qiáng)。LIDAR的作業(yè)周期遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)攝影測量方式，其實(shí)用性更強(qiáng)；④主動測量。可以處理傳統(tǒng)測量方法無法或很難進(jìn)入的危險地區(qū)，并且仍能獲取較高精度的數(shù)據(jù)。

2 LIDAR數(shù)據(jù)處理

LIDAR數(shù)據(jù)一般以二進(jìn)制的形式存儲，有三維坐標(biāo)和強(qiáng)度信息。數(shù)據(jù)處理時是以三維的形式交互顯示，這與全數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集、航空攝影測量的數(shù)據(jù)處理方式不同，是一種全新的數(shù)據(jù)處理方式，但對作業(yè)員的要求不高。LIDAR數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量巨大，例如：2.79km2有700多萬三維點(diǎn)，裸地的地面點(diǎn)間隔約0.7m，有樹遮擋地面點(diǎn)間隔約1.4m，這樣的點(diǎn)密度是目前其它獲取手段所不能達(dá)到的，尤其在有大喬木遮蓋的林區(qū)更具有優(yōu)勢。另外，高精度的LIDAR數(shù)據(jù)采集方式，可以直接采集電力輸電線的數(shù)據(jù)，可以直接生成高壓輸電線的懸鏈線空間三維圖，美國多用于對電力線的維護(hù)工作。

關(guān)于LIDAR技術(shù)國內(nèi)外一直在研究，直到精度能達(dá)到一定的水平才真正有它的使用價值。質(zhì)量較好的1∶500 DLG圖中誤差在實(shí)地0.5m以內(nèi)；GPS的RTK技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速單點(diǎn)厘米級的定位精度；全數(shù)字?jǐn)z影測量一般可以實(shí)現(xiàn)20cm矢量圖形的測繪工作；而目前的LIDAR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)只有極少控制點(diǎn)的大面積測量，精度可以達(dá)到實(shí)地15cm，可以直接獲取真三維的地球表面信息。

機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)處理的一般流程包括：①航飛采集激光掃描數(shù)據(jù)以及數(shù)碼影像和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，即確定航跡；②激光掃描測量數(shù)據(jù)處理，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)；③對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)并分類處理，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、激光點(diǎn)濾波后，建立DEM，④進(jìn)行DOM制作。本文主要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)[3-4]、DEM[5-7]建立及DOM[8]制作進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)

三維激光掃描儀在很早之前就在醫(yī)學(xué)、文物保護(hù)、機(jī)械制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理使用的主要是點(diǎn)云處理技術(shù)。由于LIDAR技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)有范圍大的特點(diǎn)，應(yīng)用點(diǎn)云技術(shù)處理數(shù)據(jù)與其它領(lǐng)域應(yīng)用有所不同。用LIDAR技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)有3種點(diǎn)云：①地表上的人工對象：主要有建筑物、電力設(shè)施等；②植被：主要有大的喬木和低矮灌木；③地表。

（1）地表?？梢陨扇S地表模型，有如下3個特點(diǎn)：①有高精度、高密度的地表特征點(diǎn)，超越目前任何其它生成手段；②可以直接建模，具有任意精度，靈活多變；③可輸出文本，作為其它數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，具有開放性。

（2）建筑物（房屋）。可以自動生成房屋的頂部模型和紋理，生成粗三維模型。具體如圖2所示。

（3）高壓輸電線。對于高壓輸電線，利用LIDAR技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)很有特點(diǎn)，是目前其它設(shè)備難以獲得的。LIDAR數(shù)據(jù)可以表現(xiàn)出鐵塔的外形輪廓，能夠繪出鐵塔的位置和高壓線的懸垂線。在美國的生產(chǎn)實(shí)踐證明，高壓輸電線在夏天和荷載增加時，高壓線與地面距離會變近，這不利于電線的安全。筆者認(rèn)為，用LIDAR技術(shù)維護(hù)高壓輸電線路的日常管理，能夠提高效率，節(jié)省費(fèi)用。這也說明，在這一領(lǐng)域，LIDAR技術(shù)存在巨大的市場。

（4）高速公路。我國高速公路建設(shè)速度很快，在道路設(shè)計(jì)中LIDAR技術(shù)可以發(fā)揮作用。因?yàn)長IDAR技術(shù)可以生成很密的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以用來計(jì)算土石方量、破壞樹木植被量，并能清楚地摸清道路兩旁的環(huán)境。對于修路，在起伏比較大的地方較能顯示出LIDAR技術(shù)的優(yōu)勢，因?yàn)檫@樣的成本相對較低。

（5）植被。LIDAR技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)中，有4次回波，第一次回波是房屋頂部、樹木頂部，第二次和第三次回波多半是樹干和枝葉，第四次回波是地表?？梢岳眠@4次回波的信息，測量出樹冠大小，進(jìn)而估算木材產(chǎn)量。在美國，也有人用LIDAR數(shù)據(jù)制作作森林的防火模型。

2.2 DEM建立

作為4D產(chǎn)品之一，DEM制作方法如下：①利用航空相片，使用全數(shù)字?jǐn)z影測量的方法制作，優(yōu)點(diǎn)是直觀、速度較快，缺點(diǎn)是精度較差、有死角；②利用高程點(diǎn)和等高線等矢量地圖，通過軟件自動生成，優(yōu)點(diǎn)是速度很快，缺點(diǎn)是受數(shù)據(jù)源精度的嚴(yán)重影響，往往需要人工干預(yù)和再處理；③利用儀器設(shè)備到野外實(shí)地采集，優(yōu)點(diǎn)是精度很高，但效率低下，不適合大面積作業(yè)，只有在計(jì)算土方量時才使用；④利用LIDAR技術(shù)獲取離散點(diǎn)制作DEM。

LIDAR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：面積大、速度快、精度高；缺點(diǎn)：單次任務(wù)啟動費(fèi)用大，且需要有空中飛行許可。

（1）面積大。激光掃描儀以每秒10萬個點(diǎn)的速度向地面發(fā)送信號，飛機(jī)的航高不同，地面的掃描走廊也不同，一般幾十米到幾百米，圖3是行高在400m時，直升飛機(jī)的掃描走廊。圖4說明航向與飛行方向垂直，激光掃描儀的掃描軌跡以“之”字形前進(jìn)。

（2）速度快。通常采用固定翼飛機(jī)和直升飛機(jī)進(jìn)行LIDAR數(shù)據(jù)的飛行任務(wù)，其數(shù)據(jù)采集的速度與普通的航飛相當(dāng)。但是，由于是主動式的遙感，不需要等天氣，甚至可以夜間飛行，因而相對于常規(guī)的航飛任務(wù)而言，可以大大提高飛行效率，一般幾百平方公里的任務(wù)，幾天就可以完成。數(shù)據(jù)的后期處理也非常迅速，在美國，一個熟練的作業(yè)員，每平方公里的數(shù)據(jù)處理只要1個星期。

（3）精度高。由于是直接對地面進(jìn)行測量，只要不被正上空的物體遮擋，激光點(diǎn)都能直接打到地表，這樣激光點(diǎn)在地表的密度就非常大。特別是對于有樹木遮蓋的林區(qū)，由于樹蔭和樹葉，用全數(shù)字航測的立體影像方法很難切準(zhǔn)地面或者根本不能看到地面，這種情況用LIDAR采集數(shù)據(jù)就特別有優(yōu)勢。前文提到，精度可以控制在15cm以內(nèi)，而且所有的點(diǎn)都可以參加構(gòu)成TIN。激光點(diǎn)密度圖和側(cè)視圖分別如圖5、圖6所示。圖5說明激光點(diǎn)密度非常大，本圖是裸露地面，平均每平方米有2.024個點(diǎn)。圖6是激光點(diǎn)的側(cè)視圖，不同顏色代表不同的返回波。

一次飛行的啟動費(fèi)用為航空攝影測量的缺點(diǎn)，也正是該缺點(diǎn)，使得將來的空間數(shù)據(jù)采集向兩個極端發(fā)展：一是大范圍、高自動化的空中采集；二是小范圍、高精度的地面人工采集。在對城市的測量中，一般會兩種方式結(jié)合采用，以滿足宏觀和微觀的需要。

2.3 DOM制作

用LIDAR技術(shù)獲得空間三維離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的同時，如果安裝了數(shù)碼相機(jī)，也能獲得數(shù)字影像，這種數(shù)字影像與DMC相機(jī)的影像在格式上完全相同，只是像幅較小。由于飛行時相機(jī)的快門與GPS的實(shí)時測量同時開啟，因而獲得影像的重疊度比較大，有的地方可以達(dá)到90%以上的四度重疊。常規(guī)航空攝影用的膠片，如果是1∶8 000的航片，0.021mm掃描，實(shí)地分辨率約為15cm，采用DMC數(shù)碼相機(jī)，同樣是1∶8 000，實(shí)地分辨率有7.2cm。由此可以看出，隨著航空攝影高度的降低和攝影比例尺的增大，獲得的影像圖的分辨率在不斷增加。對于伴隨LIDAR技術(shù)三維數(shù)據(jù)的影像，一般分辨率在10cm之內(nèi)。

用機(jī)載三維掃描儀的數(shù)據(jù)制作正射影像有以下幾個特點(diǎn)：①生成速度快，可以生成真正射。通?？梢宰詣踊虬胱詣舆x擇影像的連接點(diǎn)，然后全自動生成正射影像，通過人為引入建筑物的矢量數(shù)據(jù)，直接生成真正射，這對制作三維大場景十分重要；②分辨率高，5cm/象元。在用LIDAR技術(shù)獲取數(shù)據(jù)時，一般航飛的高度低于1 000m，這樣拍攝的影像分辨率很大，可以控制在10cm之內(nèi)，用分辨率為5cm的影像作三維場景的地表，基本上能夠滿足人們視覺上的需要；③絕對精度好。因?yàn)镈EM的精度好，所以DOM的精度也隨之提高，在技術(shù)層面上，所采用的方法與現(xiàn)在流行的糾正算法相同；④影像拼接較差，色彩過渡不好。

這是自動制作DOM不可避免的缺點(diǎn)。雖然數(shù)據(jù)處理軟件可以自動校正色差、亮度，但如果測區(qū)過大，并不能達(dá)到令人滿意的效果。若是在城區(qū)，房屋影像的拼接也是一個問題。

3 LIDAR技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用

LIDAR技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，如林業(yè)、水利電力設(shè)計(jì)、交通設(shè)計(jì)規(guī)劃、城市規(guī)劃以及軍事等各大領(lǐng)域可得到廣泛應(yīng)用。

軍事應(yīng)用上，機(jī)載LIDAR在戰(zhàn)場偵察、大氣探測、跟蹤及火控、水下探測、武器鑒定、指揮引導(dǎo)、障礙回避等多方面都可得到廣泛應(yīng)用。

林業(yè)管理上，可根據(jù)LIDAR數(shù)據(jù)，分析森林植被的覆蓋率和覆蓋面積，掌握植被疏密程度、年長樹木及年幼樹木各自覆蓋率，估算出森林總占地面積、樹木均高及木材量。這對人們的伐木及植樹事業(yè)具有一定的科學(xué)指導(dǎo)性意義，且便于相關(guān)部門進(jìn)行調(diào)控。

電力輸送上，可有效助力電網(wǎng)的布設(shè)與維護(hù)管理工作。在進(jìn)行電力線路設(shè)計(jì)時，通過LIDAR數(shù)據(jù)可以了解整個線路設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素情況。尤其是在樹木密集處，可以估算出需要砍伐樹木的面積和木材量。在進(jìn)行電力線搶修和維護(hù)時，根據(jù)電力線路上的LIDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)和相應(yīng)的地面裸露點(diǎn)的高程可以測算出任意一處線路距離地面的高度，這樣便于搶修和維護(hù)。

交通管線設(shè)計(jì)上，LIDAR技術(shù)為公路、鐵路設(shè)計(jì)提供了高精度的地面高程模型DEM，以方便線路設(shè)計(jì)和施工土方量的精確計(jì)算。同樣，其在進(jìn)行通訊網(wǎng)絡(luò)、油管、氣管線路設(shè)計(jì)時具有重要的應(yīng)用價值。

數(shù)字城市項(xiàng)目上，將高精度的LIDAR數(shù)字地面模型DEM 與GIS系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，可以建立并完善“數(shù)字城市”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時更新。

4 結(jié)語

LIDAR技術(shù)是數(shù)據(jù)獲取方法中的新數(shù)據(jù)源，是三維空間點(diǎn)，以點(diǎn)云的形式存在。利用空中飛行器，可以方便地獲取LIDAR數(shù)據(jù)，這將改變測繪某些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)處理方法，也會影響基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，如DEM的應(yīng)用、高壓輸電線路的設(shè)計(jì)與維護(hù)、帶狀地形的測量與施工、土方計(jì)算等。通過引進(jìn)、消化和應(yīng)用LIDAR技術(shù)，能夠進(jìn)一步提高使用遙感方式采集的空間數(shù)據(jù)精度，推動空間數(shù)據(jù)處理方式和應(yīng)用領(lǐng)域由二維轉(zhuǎn)化到三維，從而推進(jìn)我國在測量領(lǐng)域的技術(shù)革命。本文僅對數(shù)據(jù)處理的3個基本方面作了初步探索，仍有很多數(shù)據(jù)處理算法、軟件等問題需進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）