喬志勇

摘 要：機載激光雷達系統(tǒng)（Light Detection And Ranging，簡稱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，具有同時采集三維地形數(shù)據(jù)和數(shù)字影像的能力。本文以某市1∶500比例尺地形測量為例，詳細介紹了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。

關(guān)鍵詞：LIDAR POS GPS IMU DTM DSM

中圖分類號：P315 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0032-02

機載激光雷達系統(tǒng)（Light Detection And Ranging，簡稱LIDAR），也叫機載激光雷達，是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統(tǒng)，它集成了激光掃描儀、差分GPS系統(tǒng)、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性量測單元，用以量測飛機平臺的飛行姿態(tài)）、數(shù)碼相機。在動態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)和IMU的支持下，激光掃描系統(tǒng)通過激光掃描器和距離傳感器，經(jīng)由微計算機對測量資料進行內(nèi)部處理，顯示或存儲、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)過相應(yīng)軟件進行一系列處理來獲取被測目標(biāo)的表面形態(tài)和三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進行各種量算或建立立體模型。

在過去十年，機載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30類不同型號的激光掃描系統(tǒng)投放市場。加拿大Optech公司生產(chǎn)的ALTM和SHOALS、美國Leica公司的ALS50、瑞典的TopoEye AB公司生產(chǎn)的TopEye、德國IGI公司的LiteMapper、法國Toposys公司的FalconⅡ等是當(dāng)前較成熟的商業(yè)系統(tǒng)。本文以某市1∶500比例尺地形測量為例，主要介紹機載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。

1 LIDAR數(shù)據(jù)獲取的基本原理

當(dāng)機載LIDAR航攝飛行時，激光掃描儀發(fā)射、接收激光束，對地面進行線狀掃描，與此同時，動態(tài)GPS系統(tǒng)確定傳感器的空間位置（經(jīng)緯度），IMU測量飛機的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，即滾動、仰俯和航偏角。由于系統(tǒng)的幾個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)。

2 LIDAR數(shù)據(jù)的獲取和處理

2.1 LIDAR設(shè)備選擇

在某市1∶500比例尺地形測量項目中，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，新一代的ALTM-3100采樣頻率高達100 kHz，1200 m航高以下高程精度達到0.15 m，平面精度可以達到航高的1/3000，能夠滿足設(shè)計需求。

2.2 航攝高度和飛行時間的選擇

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)測繪數(shù)字產(chǎn)品提供高程數(shù)據(jù)，為確保測繪成果的質(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，以及飛機性能和攝區(qū)對航高的約束條件，設(shè)計飛行高度為800 m。

LIDAR系統(tǒng)是一個先進的主動傳感系統(tǒng)，它不依賴太陽光照，所以在獲取地面三維信息時可以考慮夜航。飛行作業(yè)中，需根據(jù)測區(qū)內(nèi)實際星歷數(shù)據(jù)情況，選擇避開GPS信號較弱時段。為了避免植被，尤其是農(nóng)作物對真實地面的干擾，建議選擇秋冬季節(jié)進行航飛。所以測區(qū)的航攝時間選擇在當(dāng)年10月至次年1月間，并且增加了夜航。

2.3 LIDAR數(shù)據(jù)的獲取

該1∶500地形測量項目共涉及飛行11個架次，其中1個架次為檢校場飛行，用于ALTM-3100系統(tǒng)檢校，其他10個架次為測區(qū)航攝飛行。全測區(qū)面積810 km2，航線總計81條，總長2613.5 km2，飛行高度800 m，有效飛行時間為29小時30分。激光掃描儀脈沖頻率100 kHz，掃描頻率43 Hz，掃描角度21°，旁向重疊率30%，激光點地面點間距0.52 m。

2.4 LIDAR數(shù)據(jù)的處理

LIDAR航攝飛行結(jié)束后，要盡快對航飛數(shù)據(jù)進行有效性評價，決定是否需要補飛或重飛，進而解算激光點數(shù)據(jù)，并進行分類處理。

2.4.1 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)）需要進行解碼，從而獲得GPS文件，IMU文件，激光點文件等；POS數(shù)據(jù)處理：機載POS與地面基站GPS進行差分和融合，獲得精確坐標(biāo)；激光數(shù)據(jù)處理：處理后的POS數(shù)據(jù)與激光點數(shù)據(jù)融合，獲得地面坐標(biāo)；輸出激光點文件。

2.4.2 LIDAR數(shù)據(jù)處理說明

解算原則，方法：實際解算，采用多邊形范圍輸出，以單條航線存儲為一個激光點文件；坐標(biāo)系統(tǒng)，采用WGS84橢球，UTM投影坐標(biāo)系；POS處理說明：處理基站時，使用某市所在省份的GPS控制網(wǎng)，并同時保證機場附近架設(shè)一個基站，由觀測手簿獲得基站坐標(biāo)及天線高；使用基站時，盡可能多的使用離測區(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。

2.4.3 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和地表點分離開，也就是要進行數(shù)據(jù)分類。目前基于LIDAR數(shù)據(jù)點濾波的方法絕大部分都是基于三維激光數(shù)據(jù)腳點的高程突變等信息進行的，概括來講主要有移動窗口法，迭代線性最小二乘內(nèi)插法，基于地形坡度濾波和移動曲面擬合法等幾種。

某市的測區(qū)為平原地貌，地勢低平，絕大部分地區(qū)海拔不足5 m，最大相對高度不足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，包括云，折射等造成的高程異常點；然后設(shè)定適合的參數(shù)，采用TerraScan軟件（芬蘭Terrasoild公司出品）自動分類提取地面點。TerraScan軟件是依據(jù)移動窗口法來分類提取地面點的。

2.4.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用POS動態(tài)定位計算出來的激光點坐標(biāo)屬于WGS84坐標(biāo)體系，而某市測區(qū)采用的是西安80坐標(biāo)系，因此需要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得最終成果。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括兩個方面：平面坐標(biāo)體系轉(zhuǎn)換和正常高轉(zhuǎn)換。平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以利用某省C級網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果，七參數(shù)法轉(zhuǎn)換得到。正常高轉(zhuǎn)換是利用某市測區(qū)高程控制點擬合的似大地水準(zhǔn)面計算得到。

2.4.5 高程數(shù)據(jù)成果

經(jīng)過分類和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，LIDAR數(shù)據(jù)就可以用于測繪成果的生產(chǎn)了。該1∶500地形測量項目主要是獲取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影測量方法有了質(zhì)的提高，能夠滿足大比例尺地形測量的需求。

2.4.6 高程精度檢測

地形測量高程成果采用實地水準(zhǔn)測量和差分GPS測量方法進行檢測，檢測結(jié)果見表1。

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

兩種檢測方法結(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)的檢測點數(shù)達到85%以上，大于2倍標(biāo)準(zhǔn)中誤差的檢測點數(shù)小于5%，檢測中誤差小于0.15 m，滿足設(shè)計書的要求，證明用LIDAR測高獲取地形高程的方法可行。

3 結(jié)語

從該地形測量項目可以看出，機載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)的單點數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動數(shù)據(jù)獲取，提高了觀測的精度和速度，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)，同時配合地物影像，增強對地物的認(rèn)知和識別能力，在攝影測量與遙感及測繪等領(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值和現(xiàn)實意義。

參考文獻

[1] 舒寧.激光成像[M].武漢大學(xué)出版社，2005（8）.

[2] 李英成，文沃根，王偉.快速獲取地面三維數(shù)據(jù)的LIDAR技術(shù)系統(tǒng)[J].測繪科學(xué)，2002，27（4）.

[3] 劉經(jīng)南，張曉紅.激光掃描測高技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2003，23（2）.

[4] 張玉方，程新文，歐陽平，等.機載LIDAR數(shù)據(jù)處理及其應(yīng)用綜述[J]..工程地球物理學(xué)報，2008，5（1）.