探究機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)

鄂羽

摘要： 機(jī)載激光雷達(dá)是一種新的技術(shù)，可以快速獲得高精度的三維地面和地面物體信息。這是一種綜合了激光技術(shù)、高動(dòng)態(tài)載波姿態(tài)確定技術(shù)和高精度動(dòng)態(tài)全球定位系統(tǒng)差分定位技術(shù)的探測(cè)技術(shù)。它可以比傳統(tǒng)的攝影測(cè)量方法更快和更準(zhǔn)確地獲得地面和地面信息。空載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)是一系列具有不規(guī)則空間分布的離散三維點(diǎn)云。再度處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)和應(yīng)用搜索顯然落后于激光雷達(dá)設(shè)備的快速開(kāi)發(fā)。如何管理大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從中提取有用的地形信息和土壤特性信息，并研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)在地形測(cè)量和繪圖中的應(yīng)用，城市建設(shè)和森林規(guī)劃是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。基于此，本文對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行了一系列的探究。

關(guān)鍵詞： 機(jī)載激光雷達(dá); 點(diǎn)云數(shù)據(jù); 處理

【中圖分類號(hào)】 P23【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1674-3733（2020）16-0191-01

遙感技術(shù)是一個(gè)新興和全面的先進(jìn)課題，它是在現(xiàn)代物理學(xué)、空間科學(xué)、電子計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)方法和地球科學(xué)理論的基礎(chǔ)上建立和發(fā)展的。這是一個(gè)先進(jìn)和實(shí)用的探測(cè)技術(shù)。近年來(lái)，利用全球定位系統(tǒng)和機(jī)載激光掃描慣性測(cè)量裝置，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)逐漸出現(xiàn)。測(cè)量的數(shù)據(jù)是DSM的離散點(diǎn)表示，數(shù)據(jù)包含三維信息和激光強(qiáng)度信息。通過(guò)使用分類技術(shù)從這些原始數(shù)字表面模型中去除諸如建筑物、人造物體和覆蓋植物等測(cè)量點(diǎn)，可以獲得DEM，同時(shí)實(shí)現(xiàn)地面覆蓋的高度。

1機(jī)載激光雷達(dá)的出現(xiàn)

在地形和繪圖領(lǐng)域使用的許多數(shù)據(jù)是多源數(shù)據(jù)的合并，LIDAR可以獲得多源數(shù)據(jù)。包括GPS軌跡數(shù)據(jù)、INS飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)和L激光掃描鏡的旋轉(zhuǎn)角。在實(shí)際操作中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)量越來(lái)越多，因?yàn)閿?shù)據(jù)質(zhì)量要求硬件設(shè)備的精度越來(lái)越高。因此，機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用的關(guān)鍵是如何迅速處理大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而對(duì)點(diǎn)云的過(guò)濾和分類是最重要的。對(duì)于未通過(guò)自動(dòng)分類過(guò)濾的某些粗糙錯(cuò)誤和激光點(diǎn)，需要手動(dòng)交互編輯。最后，執(zhí)行諸如內(nèi)插的操作以產(chǎn)生高精度的DSM和DEM。此外，空載激光雷達(dá)還配備了高分辨率數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。數(shù)字空中照相機(jī)獲得的數(shù)據(jù)可用于JX-4、Virozo、Geoway DPS和MAPMITRIX上的數(shù)字路線測(cè)量。

2機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)完成激光掃描飛行任務(wù)后，獲得的數(shù)據(jù)可分為三類：差分GPS數(shù)據(jù)、慣性測(cè)量單元IMU數(shù)據(jù)和激光掃描測(cè)距數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為定位和定向POS數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)記錄了每個(gè)激光脈沖的發(fā)射信息和返回信息，一般包括系統(tǒng)在飛行過(guò)程中獲得的位置、方位角、距離、時(shí)間、強(qiáng)度、回波等數(shù)據(jù)。利用GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)和掃描測(cè)距數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出WGS84坐標(biāo)系中激光點(diǎn)的X、Y和Z坐標(biāo)。這些具有精確三維坐標(biāo)的大量離散點(diǎn)稱為目標(biāo)激光雷達(dá)點(diǎn)云。

2.1機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)與格式

三維激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)、回波強(qiáng)度、回波數(shù)量和掃描角度等信息。不同的激光雷達(dá)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)也有很大的不同，但在實(shí)際應(yīng)用中，常用的信息是激光脈沖返回的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)、激光強(qiáng)度數(shù)據(jù)和激光回波數(shù)據(jù)。

2.2機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

與多光譜圖像數(shù)據(jù)相比，機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高程信息準(zhǔn)確、垂直分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，但缺乏圖像的光譜信息。因此，為了彌補(bǔ)這一不足，許多相關(guān)研究將激光雷達(dá)系統(tǒng)與多光譜成像儀或CCD數(shù)碼相機(jī)相結(jié)合，同時(shí)獲得激光雷達(dá)點(diǎn)云的光譜信息。

3點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是對(duì)航空攝影獲得的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、航空影像數(shù)據(jù)、IPAS數(shù)據(jù)、地面基站數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮、差分、IPAS計(jì)算、激光和相機(jī)標(biāo)定、點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成等。獲取數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、數(shù)字線畫(huà)圖、數(shù)字柵格地圖制作所需的參數(shù)和數(shù)據(jù)。

激光雷達(dá)系統(tǒng)獲得的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括：激光束的掃描角、激光發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)的距離、目標(biāo)的回波數(shù)、回波強(qiáng)度等。根據(jù)激光發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)的距離以及系統(tǒng)GPS和INS記錄，計(jì)算掃描目標(biāo)的三維坐標(biāo)，得到工區(qū)的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了大量的冗余信息和噪聲。在使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征識(shí)別和分類之前，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括誤差校正、拼接數(shù)據(jù)消除空氣帶重疊、去除點(diǎn)云噪聲數(shù)據(jù)和區(qū)域分割。

3.1誤差校正

誤差包括系統(tǒng)性誤差和偶然性誤差。系統(tǒng)誤差的主要來(lái)源是GPS定位誤差、測(cè)距誤差、姿態(tài)誤差和掃描角誤差。因此，在有效利用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)之前，需要對(duì)這些誤差進(jìn)行校正。

3.2數(shù)據(jù)拼接

機(jī)載激光雷達(dá)在航空工作時(shí)，由于側(cè)掃視場(chǎng)有限，每條帶的數(shù)據(jù)只能覆蓋一定寬度的地面。在某一區(qū)域作業(yè)時(shí)，需要設(shè)計(jì)多條進(jìn)路，一般在進(jìn)路之間維持10條進(jìn)路。由于飛行的復(fù)雜性，相鄰兩個(gè)飛行帶之間每一行掃描數(shù)據(jù)的重疊是不同的，飛行帶重疊部分的數(shù)據(jù)也可能不同，這將影響激光數(shù)據(jù)的整體點(diǎn)密度分布和后續(xù)激光點(diǎn)云濾波分類等處理。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)用之前，需要去除空氣帶的重疊部分進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接。

3.3噪聲去除

掃描儀獲得的初始數(shù)據(jù)中存在大量噪聲，主要包括無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)（如天空）和雜質(zhì)點(diǎn)（如樹(shù)木、玻璃等）。這些點(diǎn)信息會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)處理和三維模型重建產(chǎn)生負(fù)面影響，因此需要對(duì)這些信息進(jìn)行失效處理或干涉點(diǎn)移除。

3.4區(qū)域分割

在有效利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)之前，需要根據(jù)掃描區(qū)域的整體地形對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，以提高數(shù)據(jù)處理的效率和精度。

4結(jié)語(yǔ)

機(jī)載激光雷達(dá)是一種應(yīng)用廣泛的高分辨率地球表面探測(cè)技術(shù)。與其他傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)相比，它有許多優(yōu)點(diǎn)。它可以更快速、準(zhǔn)確地獲得實(shí)驗(yàn)區(qū)的三維數(shù)據(jù)。這些三維數(shù)據(jù)是大量空間分布不規(guī)則的離散點(diǎn)云，包括被測(cè)地物的三維坐標(biāo)、回波強(qiáng)度和回波數(shù)目。了解lidar系統(tǒng)檢測(cè)的特點(diǎn)和lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，有助于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)濾、分類和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究。

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