張?zhí)烨?趙瑞睿

（1.廣州建通測繪技術(shù)開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣東省鶴山國土局，廣東 鶴山 529700）

機(jī)載LIDAR技術(shù)在國土行業(yè)的應(yīng)用

張?zhí)烨?趙瑞睿2

（1.廣州建通測繪技術(shù)開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣東省鶴山國土局，廣東 鶴山 529700）

本文介紹了機(jī)載LiDAR測量技術(shù)的主要原理與方法，并結(jié)合LiDAR產(chǎn)品特點(diǎn)和國土行業(yè)的需求，詳細(xì)闡述了該技術(shù)在國土行業(yè)中的應(yīng)用。

機(jī)載LiDAR；國土行業(yè)；三維模型

機(jī)載LiDAR測量系統(tǒng)是一種主動(dòng)航空遙感裝置，是實(shí)現(xiàn)地面三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實(shí)現(xiàn)地物三維實(shí)時(shí)、變化、真實(shí)形態(tài)特性再現(xiàn)的一種國際領(lǐng)先的測繪高新技術(shù)。該技術(shù)基于激光測距、GPS定位、慣導(dǎo)測量、及航空攝影測量原理，可以快速、低成本、高精度地獲取三維地形地貌、航空數(shù)碼影像等空間地理信息數(shù)據(jù)。

機(jī)載LiDAR技術(shù)是當(dāng)前測繪行業(yè)前沿技術(shù)，該技術(shù)集成了慣性導(dǎo)航技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)和激光測距技術(shù)，具有在大范圍內(nèi)高效地獲取多種高精度數(shù)據(jù)的能力，并且具有精度高、產(chǎn)品多、效率高，人為影響因素小的特點(diǎn)。這必將在技術(shù)上和應(yīng)用上根本解決現(xiàn)存的諸多問題，大大促進(jìn)地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和充分發(fā)揮空間地理信息在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)中的作用。

1 機(jī)載LiDAR測量技術(shù)

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)主要由激光掃描系統(tǒng)、GPS、IMU、數(shù)碼相機(jī)、監(jiān)控和控制系統(tǒng)組成，其中LiDAR傳感器和IMU是系統(tǒng)的核心部件，LiDAR傳感器是發(fā)射測量激光脈沖和接受激光脈沖遇到障礙物（目標(biāo)）后所反射的回波，IMU為確定任一瞬間平臺(tái)在空間中的姿態(tài)，GPS為LiDAR系統(tǒng)提供精確的定時(shí)和定位數(shù)據(jù)。數(shù)碼相機(jī)可以為獲得高分辨率的影像數(shù)據(jù)，監(jiān)控及控制系統(tǒng)在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)為操作人員提供有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息。對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲得DOM、DEM、DSM、DLG、三維數(shù)字模型等產(chǎn)品。

1.2 航飛計(jì)劃制定及數(shù)據(jù)采集

1.2.1 在航飛前要制訂飛行計(jì)劃。航飛計(jì)劃應(yīng)包括航帶劃分，確定飛行高度、速度、激光脈沖頻率、航帶寬度、激光反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)速度、數(shù)碼相機(jī)方位元素及定位、相機(jī)拍攝時(shí)間間隔等，并將各航帶的首尾坐標(biāo)及其他導(dǎo)航坐標(biāo)輸入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)內(nèi)，在飛行導(dǎo)航控制軟件的輔助下進(jìn)行飛行作業(yè)。

1.2.2 安置GPS接收機(jī)。為保證飛機(jī)飛行各時(shí)刻的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精度，需要在地面沿航線布設(shè)一定數(shù)量的GPS基準(zhǔn)站，同時(shí)將GPS流動(dòng)站安置在飛機(jī)上。

1.2.3 激光掃描測量。預(yù)先設(shè)置好掃描鏡的擺動(dòng)方向和擺動(dòng)角度，當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，紅外激光發(fā)生器向掃描鏡上不停地發(fā)射激光，通過飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)和掃描鏡的運(yùn)動(dòng)反射，使激光束打到地面并覆蓋測區(qū)，當(dāng)激光束到達(dá)地面或遇到其他障礙物時(shí)被反射回來，被一光電接收感應(yīng)器接收并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。根據(jù)激光發(fā)射至接收的時(shí)間間隔即可精確測出傳感器至地面的距離。

1.2.4 慣性測量。當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，慣性測量裝置同時(shí)也將飛機(jī)的飛行姿態(tài)測出來，并和激光的有關(guān)數(shù)據(jù)、掃描鏡的掃描角度一起記錄在磁帶上。

1.2.5 數(shù)碼相機(jī)拍攝。利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝時(shí)，需要對其拍攝時(shí)間間隔和拍攝位置進(jìn)行控制。通常是用GPS系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間和位置控制。

1.2.6 數(shù)據(jù)傳輸。航飛數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，將所有的激光掃描測量數(shù)據(jù)、數(shù)碼影像數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)及慣性測量數(shù)據(jù)都傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理作準(zhǔn)備。

1.3 數(shù)據(jù)處理

機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)在野外采集得到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行一定的處理才能得到需要的信息。數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容包括：

1.3.1 確定航跡。將地面的GPS基準(zhǔn)站和飛機(jī)上的GPS流動(dòng)站的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分解算，即可精確確定飛行軌跡。

1.3.2 激光掃描測量數(shù)據(jù)處理。利用儀器廠家提供的隨機(jī)軟件，對飛機(jī)GPS軌跡數(shù)據(jù)、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測量數(shù)據(jù)及激光掃描鏡的擺動(dòng)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，最后得到各測點(diǎn)的（X、Y、Z）三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)分類處理?？梢愿鶕?jù)高出地面的高度對非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，如可以對不同的植被進(jìn)行分類。然后把輸出分類的數(shù)據(jù)。

1.3.4 航帶拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。將每條航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)和參考面數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對點(diǎn)云進(jìn)行平面和高程檢查和校正，小于限差后，再進(jìn)行航帶拼接。平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換應(yīng)采用布爾莎七參數(shù)法，高程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換應(yīng)采用多項(xiàng)式曲面擬合法進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

1.3.5 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，再結(jié)合航片的內(nèi)外方位元素進(jìn)行空中三角測量，然后結(jié)合激光掃描測量的DTM數(shù)據(jù)進(jìn)行定向鑲嵌，形成正射影像圖。

1.3.6 在以上數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上制作DLG圖和建立三維模型。

2 機(jī)載LiDAR測量的產(chǎn)品

2.1 三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅僅包含X、Y、Z坐標(biāo)信息，還包括如反射強(qiáng)度等其他多種信息。根據(jù)具體需求，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度可達(dá)到100點(diǎn)／平方米以上，高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)能精確反映地形地貌細(xì)節(jié)。

2.2 數(shù)字高程模型（DEM）

基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠快速高質(zhì)地生成高精度DEM成果，DEM高程可達(dá)到優(yōu)于10厘米精度。

2.3 數(shù)字表面模型（DSM）

DSM是用含有首次回波信息的激光數(shù)據(jù)擬合生成的地表模型，DSM模型對地表的房屋和樹木有很好的表現(xiàn)。

2.4 數(shù)字正射影像（DOM）

DSM是用含有首次回波信息的激光數(shù)據(jù)擬合生成的地表模型，DSM模型對地表的房屋和樹木有很好的表現(xiàn)。

2.5 大比例尺地形圖（DLG）

利用激光點(diǎn)云和DOM影像可快速生產(chǎn)大比例尺（1：500至1：2000）DLG產(chǎn)品。

2.6 三維模型

在三維建模軟件支持下，以對應(yīng)的數(shù)碼影像數(shù)據(jù)為參考，采用人工繪制的方式可以比較精確地對城市建筑物進(jìn)行三維建模。

3 機(jī)載LiDAR技術(shù)在國土行業(yè)的應(yīng)用

機(jī)載LiDAR技術(shù)不僅可以得到常規(guī)的DOM、地形圖等數(shù)據(jù)，還可以得到三維點(diǎn)云、DEM、DSM和三維模型等數(shù)據(jù)，利用以上數(shù)據(jù)或者以上數(shù)據(jù)合成數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對國土資源“批、供、用、補(bǔ)、查”全程的監(jiān)管。

3.1 三維量測和計(jì)算

利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)可以對建筑物進(jìn)行高度、寬度、直線距離、傾斜距離、投影面積、表面積、土方量等進(jìn)行量測和計(jì)算。（見圖1）

圖1 三維面積量測

3.2 土地利用規(guī)劃分析和評價(jià)

利用地形圖制作入庫數(shù)據(jù)得到土地資源數(shù)據(jù)庫，結(jié)合上輪規(guī)劃實(shí)施評價(jià)、土地利用現(xiàn)狀與布局、本輪規(guī)劃目標(biāo)等，輔助編制土地利用規(guī)劃。（見圖2）

圖2 用地規(guī)劃分析

3.3 用地報(bào)批和無紙化審批

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（DOM和DEM）和土地專題數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在三維可視化場景中完成地類核查與分析等整個(gè)用地報(bào)批流程。可以實(shí)現(xiàn)以地查圖也可以以圖查地。（見圖3）

3.4 三維地籍管理

三維地籍管理，利用（DOM和DEM）和地籍?dāng)?shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)宗地平面與空間三維可視化立體管理，在二維系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)地表、地上、地下土地使用權(quán)的有效管理，更可直觀反映宗地用途、建筑容積率。（見圖4）

3.5 土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測和執(zhí)法監(jiān)察

利用兩期高清晰的影像數(shù)據(jù)結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以快速自動(dòng)對地面建筑物的變化做出監(jiān)測，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，可以直接將結(jié)果反饋到移動(dòng)終端，輔助執(zhí)法部門現(xiàn)場執(zhí)法。（見圖5、6）

圖3 用地報(bào)批

圖4 三維地籍

圖 5 土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測

圖6 現(xiàn)場執(zhí)法監(jiān)察

3.6 土地確權(quán)和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)

基于高分辨率影像數(shù)據(jù)，以易于理解的影像地圖方式進(jìn)行土地確權(quán)，1：2000線劃圖可以滿足高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

激光雷達(dá)技術(shù)作為近年來航空遙感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，無疑代表著航空遙感技術(shù)未來的發(fā)展方向。而機(jī)載激光雷達(dá)優(yōu)化選線技術(shù)自身的優(yōu)勢以及未來國土建設(shè)、智慧城市以及運(yùn)營維護(hù)等對三維空間信息的需求，都將使其成為未來國土行業(yè)的發(fā)展趨勢，其在電國土行業(yè)中必將具有很好的應(yīng)用前景。

[1]張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社.

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P231

A

1671-0037（2014）05-28-2

張?zhí)烨桑?983-），男，副總工程師、注冊測繪師，研究方向：機(jī)載LiDAR技術(shù)實(shí)踐與應(yīng)用。