基于機載激光雷達技術的城市三維數(shù)據(jù)建設研究

吳佳強

摘要：隨著激光雷達技術體系的逐漸發(fā)展，在測繪工程領域發(fā)展中對于激光雷達技術的應用，成為了測繪工程的新型測繪技術。隨著激光雷達測繪技術的發(fā)展，基于機載激光雷達技術的城市三維數(shù)據(jù)建設研究對于新時期的城市建設有著重要的推動意義。本文對基于機載激光雷達技術的城市三維數(shù)據(jù)建設的基本原理展開分析，提出其技術流程，并對其城市三維數(shù)據(jù)建設的具體內容加以總結，以推動激光雷達測繪技術的發(fā)展。

關鍵詞：基于機載激光雷達技術;城市三維數(shù)據(jù)建設;原理;技術流程

隨著我國數(shù)字化產業(yè)的逐漸發(fā)展，數(shù)字城市建設成為城市建設發(fā)展的重要內容，這就離不開對城市的三維數(shù)據(jù)建設研究，以不斷提升城市三維數(shù)據(jù)建設的精準性和科學性。而機載激光雷達技術在測繪工程領域的逐漸普及與應用就為城市三維數(shù)據(jù)的精準建設奠定了新技術基礎，對于城市三維數(shù)據(jù)建設工作的發(fā)展有著積極推動意義。

一、基于機載激光雷達技術在城市三維數(shù)據(jù)建設中應用的意義

現(xiàn)代城市建設發(fā)展中，數(shù)字城市建設是智能化城市構建發(fā)展的重要基礎，是提升城市居民生活品質的必然途徑。而在數(shù)字化城市的建設實踐中，對于城市三維數(shù)據(jù)建設與應用就是其核心內容。而基于機載激光雷達技術在城市三維數(shù)據(jù)建設中的應用，就有著重要意義：首先，能夠提升城市三維數(shù)據(jù)建設的精準性?；跈C載激光雷達技術作為當前世界上最先進的測繪技術體系，其通過激光點云數(shù)據(jù)獲取的技術方式，配合雷達設備系統(tǒng)，就能夠實現(xiàn)對城市三維數(shù)據(jù)的精準掃描，并通過距離傳感系統(tǒng)實現(xiàn)對城市建筑物體表面數(shù)據(jù)信息的采集。通過基于機載激光雷達技術，就能夠全面提升城市三維數(shù)據(jù)建設的精準性，為數(shù)字城市建設提供高精度的城市三維數(shù)據(jù)支持。其次，能夠提升城市三維數(shù)據(jù)建設實效。相較于城市三維數(shù)據(jù)建設中傳統(tǒng)的測繪技術，基于機載激光雷達技術具有高效性的基本特征，通過其激光技術系統(tǒng)、計算機技術體系及其高動態(tài)載體姿態(tài)測定技術，就能夠實現(xiàn)對城市三維數(shù)據(jù)的高效建設并建立城市三維數(shù)據(jù)模型。

二、基于機載激光雷達技術在城市三維數(shù)據(jù)建設中應用的原理

基于機載激光雷達技術的城市三維數(shù)據(jù)建設中，是以激光掃描點云數(shù)據(jù)采集的技術方式來實現(xiàn)的，而對激光掃描點云數(shù)據(jù)采集的技術原理就是其在城市三維數(shù)據(jù)建設中應用的基本原理。在基于機載激光雷達技術對城市三維數(shù)據(jù)的采集過程中，激光掃描計算系統(tǒng)中的模型以三維狀態(tài)實現(xiàn)，將其模型定為S，其中的向量數(shù)據(jù)分別定義如下：方向向量為（φ，ω，κ，θ），測出激光掃描的起點Os坐標為（Xs，Ys，Zs），則向量的另一端點T（X，Y，Z）可以確定為唯一值。外方位元素（Xs，Ys，Zs）由動態(tài)查分GPS進行確定，角元素（φ，ω，κ，θ）由IMU進行確定[2]。在激光掃描過程中，地表面到激光掃描設備的距離S由系統(tǒng)進行測定，掃描方向與模型的z軸夾角θ由激光掃描儀的編碼系統(tǒng)間隔現(xiàn)實，以此實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)三維坐標數(shù)據(jù)的采集，這也是基于機載激光雷達技術的城市三維數(shù)據(jù)建設中應用的技術原理。

三、基于機載激光雷達技術在城市三維數(shù)據(jù)建設中應用的技術流程

基于機載激光雷達技術在城市三維數(shù)據(jù)采集建設的實際應用中，其技術流程分為三個作業(yè)階段，具體如下所示：

第一階段，點云數(shù)據(jù)采集及處理分類?；跈C載激光雷達技術的城市三維數(shù)據(jù)建設中，首要的技術流程就是以激光掃描技術對城市的基本三維數(shù)據(jù)信息進行采集，也就是激光掃描點云數(shù)據(jù)[3]。經過上述的技術流程處理后，得到的城市點云數(shù)據(jù)需要經過激光雷達技術系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預處理以及數(shù)據(jù)分類，為后續(xù)的作業(yè)流程開展奠定基礎。第二階段，影響空三加密處理。在激光掃描點云數(shù)據(jù)預處理與分類后，就需要對預處理的原始影像數(shù)據(jù)信息進行空三加密處理，也就是空中三角測量影像數(shù)據(jù)的加密處理。經過空三加密數(shù)據(jù)處理后，原始影像就能夠生成數(shù)字正攝影像，也就是城市三維數(shù)據(jù)建設中的DOM數(shù)據(jù)。第三階段就是將預處理后的點云數(shù)據(jù)與DOM制作城市建筑的三維數(shù)據(jù)模型以及數(shù)字高程模型，最終形成城市的三維數(shù)據(jù)信息。

在上述的三個作業(yè)階段，第一階段點云數(shù)據(jù)采集與處理分類是基于機載激光雷達技術的城市三維數(shù)據(jù)建設應用的核心所在，其處理流程較為復雜，包含了以下方面：

第一，航線統(tǒng)計。在基于機載激光雷達技術的城市三維數(shù)據(jù)建設中，需要通過地面的GPS系統(tǒng)的基準站以及機載的GPSD測量系統(tǒng)進行聯(lián)合的差分計算，以實現(xiàn)對航線軌跡的導出。

第二，點云數(shù)據(jù)結算。這一過程中，需要聯(lián)合POS數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)共同進行，生產激光掃描三維數(shù)據(jù)模型。

第三，異常數(shù)據(jù)和噪聲處理。實際的測繪過程中，城市中的水環(huán)境會對激光掃描儀的激光產生吸收或者異常影響，導致實際測繪中激光測繪點沒有明顯回波信號反饋。因此，在點云數(shù)據(jù)的處理中，需要對異常數(shù)據(jù)以及掃描過程中的噪聲數(shù)據(jù)進行處理。

第四，數(shù)據(jù)拼接與系統(tǒng)誤差處理。在實際的掃描過程中，掃描數(shù)據(jù)需要通過拼接形成整體。而在數(shù)據(jù)拼接前，需要確定各航帶的點云數(shù)據(jù)沒受系統(tǒng)誤差的影響，并保證相鄰航帶之間的同名點高程數(shù)據(jù)誤差小于限定值。以此，實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)的無縫拼接，構架高精準的城市三維數(shù)據(jù)。

第五，數(shù)據(jù)分割處理。在對點云數(shù)據(jù)的使用工程中，為了提升其使用和管理的便捷性，需要按照1：1000的比例，將點云數(shù)據(jù)進行分割處理，每個圖幅的數(shù)據(jù)為一個基本單元。

第六，坐標轉換。在利用機載激光雷達技術進行城市三維數(shù)據(jù)建設時，動態(tài)定位所提供數(shù)據(jù)結果坐標需要轉換到地方的坐標系下，并且在轉換過程中，需要以測區(qū)均勻分布的控制點進行坐標轉換參數(shù)計算，高程轉換則以測區(qū)掃描測量的水準點進行擬合轉換。

第七，數(shù)據(jù)分類。最后就是對點云數(shù)據(jù)的分類處理，包括了地面點、低植被點、高植被點和建筑物點，采用階層式分類策略以人機結合的方式對點云進行分類。

四、基于機載激光雷達技術在城市三維數(shù)據(jù)建設中應用的具體內容

第一，DEM生成。基于機載激光雷達技術進行城市三維數(shù)據(jù)建設應用的主要內容就是進行DEM模型制作，其核心內容是對點云數(shù)據(jù)的地面點進行分類處理，通過DEM的渲染效果、剖面圖判斷等共同進行，實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)的去噪以及地面點云數(shù)據(jù)的分類，最終生產DEM。

第二，城市建筑三維模型生成。基于機載激光雷達技術進行城市三維數(shù)據(jù)建設應用中，其重要的內容之一就是進行城市建筑三維模型的生成，而這一過程需要結合點云數(shù)據(jù)、空三加密數(shù)據(jù)、原始航片、DOM數(shù)據(jù)以及城市地形數(shù)據(jù)信息等等。實際過程中，在機載激光雷達計算機軟件系統(tǒng)之中生成城市建筑的屋面結構模型，然后根據(jù)原始影像采集的建筑結構形態(tài)以及建筑鄰接關系進行人工調整，最終產生城市建筑結構的三維模型，然后通過3DMax軟件進行模型的質量優(yōu)化，生成最終的城市建筑結構三維模型。

結束語：

綜上所述，基于機載激光雷達技術的城市三維數(shù)據(jù)建設對于數(shù)字城市建設發(fā)展具有重要意義，能夠有效提升城市三維數(shù)據(jù)采集處理的效率，并全面提升數(shù)據(jù)的精準性。在機載激光雷達技術的實際應用中，也需要注重對其技術流程的把握，以保證其應用效果。

參考文獻：

[1] 姚娟， 周遠舟. 基于大數(shù)據(jù)技術的機載激光雷達點云分類與建模研究[J]. 激光雜志， 2019， v.40;No.267（12）：159-162.

[2] 金忠誠. 鞍山市城區(qū)鎮(zhèn)界測量工程中無人機激光雷達技術的應用與研究[J]. 中國室內裝飾裝修天地， 2018， 000（012）：257-257.

[3] 吳俁昊， 崔子浩， 高陽，等. 無人機載激光線掃描淺灘三維成像研究[J]. 激光與紅外， 2020， v.50;No.497（02）：17-21.