LIDAR技術(shù)在數據處理中的應用

發(fā)布日期：2018-06-21 00:00 瀏覽量：8921

　　引言

　　目前，計算機信息及其它高新技術(shù)被廣泛應用，數字立體攝影測量已經(jīng)成熟，相應的軟件和數字立體測量工作站在生產(chǎn)部門(mén)逐漸普及，但是攝影測量工作目前存在生產(chǎn)模式周期過(guò)長(cháng)的弊端，不能滿(mǎn)足信息化社會(huì )及“數字地球”對測繪的要求。

　　LIDAR（LightDetectionandRanging）是近幾十年來(lái)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，根據載體不同，可分為機載和地面激光雷達兩種模式，原理是通過(guò)激光打在物體上的返回信號進(jìn)行三維坐標的測量，應用GPS（GlobalPositionSystem）、慣導（IMU，InertialMeasurementUnit）裝置測定飛機的飛行姿態(tài)、空間位置、時(shí)間，生成LIDAR數據。LIDAR技術(shù)是GPS、慣性導航、激光測距等技術(shù)的集成應用。

　　LIDAR數據經(jīng)過(guò)某些軟件（TerraSolid、LID_MAS）的數據處理后，可生成具有高精度的帶狀地形斷面圖、數字地面模型、高壓輸電線(xiàn)路三維圖（包括鐵塔位置、懸垂線(xiàn)、環(huán)境地形）、等高線(xiàn)圖、房屋三維立體模型、正射影像圖（航空飛行時(shí)要配備數字相機）等，可應用于道路設計與擴建、輸電線(xiàn)路設計與管理維護、三維建模、洪水等災害防治、農業(yè)監控研究等領(lǐng)域。

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

　　1、LIDAR系統概述

　　機載LIDAR系統主要包括：①激光測距系統，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；③動(dòng)態(tài)差分全球定位系統（DGPS），用于確定掃描投影中心的空間位置；④一套成像裝置，用于獲取對應地面的彩色數碼影像，最終用來(lái)制作正射影像。

　　機載LIDAR的特點(diǎn)如下：①數據精度高。利用高精密的傳感工藝自動(dòng)采集目標的表面與立體結構的三維數據，并根據高精度定位系統獲得較高的定位精度；②數據密度高。地表激光點(diǎn)的采集間隔可根據具體的工程需要來(lái)調節，使得LIDAR數據可達到很高的密度；③時(shí)效性強。LIDAR的作業(yè)周期遠小于傳統攝影測量方式，其實(shí)用性更強；④主動(dòng)測量?？梢蕴幚韨鹘y測量方法無(wú)法或很難進(jìn)入的危險地區，并且仍能獲取較高精度的數據。

　　2、LIDAR數據處理

　　LIDAR數據一般以二進(jìn)制的形式存儲，有三維坐標和強度信息。數據處理時(shí)是以三維的形式交互顯示，這與全數字數據采集、航空攝影測量的數據處理方式不同，是一種全新的數據處理方式，但對作業(yè)員的要求不高。LIDAR數據的數據量巨大，例如：2.79km2有700多萬(wàn)三維點(diǎn)，裸地的地面點(diǎn)間隔約0.7m，有樹(shù)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到的，尤其在有大喬木遮蓋的林區更具有優(yōu)勢。另外，高精度的LIDAR數據采集方式，可以直接采集電力輸電線(xiàn)的數據，可以直接生成高壓輸電線(xiàn)的懸鏈線(xiàn)空間三維圖，美國多用于對電力線(xiàn)的維護工作。

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

　　機載LIDAR數據處理的一般流程包括：①航飛采集激光掃描數據以及數碼影像和內業(yè)數據處理，即確定航跡；②激光掃描測量數據處理，得到點(diǎn)云數據；③對數據進(jìn)行檢驗并分類(lèi)處理，經(jīng)過(guò)坐標轉換、激光點(diǎn)濾波后，建立DEM，④進(jìn)行DOM制作。

　　2.1點(diǎn)云數據特點(diǎn)

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

　?。?）地表?？梢陨扇S地表模型，有如下3個(gè)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，作為其它數據的基礎，具有開(kāi)放性。

　?。?）建筑物（房屋）?？梢宰詣?dòng)生成房屋的頂部模型和紋理，生成粗三維模型。

　?。?）高壓輸電線(xiàn)。對于高壓輸電線(xiàn)，利用LIDAR技術(shù)獲得的數據很有特點(diǎn)，是目前其它設備難以獲得的。LIDAR數據可以表現出鐵塔的外形輪廓，能夠繪出鐵塔的位置和高壓線(xiàn)的懸垂線(xiàn)。在美國的生產(chǎn)實(shí)踐證明，高壓輸電線(xiàn)在夏天和荷載增加時(shí)，高壓線(xiàn)與地面距離會(huì )變近，這不利于電線(xiàn)的安全。

　?。?）高速公路。我國高速公路建設速度很快，在道路設計中LIDAR技術(shù)可以發(fā)揮作用。因為L(cháng)IDAR技術(shù)可以生成很密的三維數據點(diǎn)，可以用來(lái)計算土石方量、破壞樹(shù)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，因為這樣的成本相對較低。

　　2.2DEM建立

　　作為4D產(chǎn)品之一，DEM制作方法如下：①利用航空相片，使用全數字攝影測量的方法制作，優(yōu)點(diǎn)是直觀(guān)、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(xiàn)等矢量地圖，通過(guò)軟件自動(dòng)生成，優(yōu)點(diǎn)是速度很快，缺點(diǎn)是受數據源精度的嚴重影響，往往需要人工干預和再處理；③利用儀器設備到野外實(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)，只有在計算土方量時(shí)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)：?jiǎn)未稳蝿?wù)啟動(dòng)費用大，且需要有空中飛行許可。

　　（1）面積大。激光掃描儀以每秒10萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的速度向地面發(fā)送信號，飛機的航高不同，地面的掃描走廊也不同，一般幾十米到幾百米，是行高在400m時(shí)，直升飛機的掃描走廊。說(shuō)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和直升飛機進(jìn)行LIDAR數據的飛行任務(wù)，其數據采集的速度與普通的航飛相當。但是，由于是主動(dòng)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。數據的后期處理也非常迅速，在美國，一個(gè)熟練的作業(yè)員，每平方公里的數據處理只要1個(gè)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(shù)木遮蓋的林區，由于樹(shù)蔭和樹(shù)葉，用全數字航測的立體影像方法很難切準地面或者根本不能看到地面，這種情況用LIDAR采集數據就特別有優(yōu)勢。前文提到，精度可以控制在15cm以?xún)?，而且所有的點(diǎn)都可以參加構成TIN。

　　一次飛行的啟動(dòng)費用為航空攝影測量的缺點(diǎn)，也正是該缺點(diǎn)，使得將來(lái)的空間數據采集向兩個(gè)極端發(fā)展：一是大范圍、高自動(dòng)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(huì )兩種方式結合采用，以滿(mǎn)足宏觀(guān)和微觀(guān)的需要。

　　2.3DOM制作

　　用LIDAR技術(shù)獲得空間三維離散點(diǎn)數據的同時(shí)，如果安裝了數碼相機，也能獲得數字影像，這種數字影像與DMC相機的影像在格式上完全相同，只是像幅較小。由于飛行時(shí)相機的快門(mén)與GPS的實(shí)時(shí)測量同時(shí)開(kāi)啟，因而獲得影像的重疊度比較大，有的地方可以達到90%以上的四度重疊。常規航空攝影用的膠片，如果是1∶8000的航片，0.021mm掃描，實(shí)地分辨率約為15cm，采用DMC數碼相機，同樣是1∶8000，實(shí)地分辨率有7.2cm。由此可以看出，隨著(zhù)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)三維數據的影像，一般分辨率在10cm之內。

　　用機載三維掃描儀的數據制作正射影像有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①生成速度快，可以生成真正射。通?？梢宰詣?dòng)或半自動(dòng)選擇影像的連接點(diǎn)，然后全自動(dòng)生成正射影像，通過(guò)人為引入建筑物的矢量數據，直接生成真正射，這對制作三維大場(chǎng)景十分重要；②分辨率高，5cm/象元。在用LIDAR技術(shù)獲取數據時(shí)，一般航飛的高度低于1000m，這樣拍攝的影像分辨率很大，可以控制在10cm之內，用分辨率為5cm的影像作三維場(chǎng)景的地表，基本上能夠滿(mǎn)足人們視覺(jué)上的需要；③絕對精度好。因為DEM的精度好，所以DOM的精度也隨之提高，在技術(shù)層面上，所采用的方法與現在流行的糾正算法相同；④影像拼接較差，色彩過(guò)渡不好。

　　這是自動(dòng)制作DOM不可避免的缺點(diǎn)。雖然數據處理軟件可以自動(dòng)校正色差、亮度，但如果測區過(guò)大，并不能達到令人滿(mǎn)意的效果。若是在城區，房屋影像的拼接也是一個(gè)問(wèn)題。

　　3、LIDAR技術(shù)系統應用

　　LIDAR技術(shù)在國民經(jīng)濟建設中，如林業(yè)、水利電力設計、交通設計規劃、城市規劃以及軍事等各大領(lǐng)域可得到廣泛應用。

　　軍事應用上，機載LIDAR在戰場(chǎng)偵察、大氣探測、跟蹤及火控、水下探測、武器鑒定、指揮引導、障礙回避等多方面都可得到廣泛應用。

　　林業(yè)管理上，可根據LIDAR數據，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(cháng)樹(shù)木及年幼樹(shù)木各自覆蓋率，估算出森林總占地面積、樹(shù)木均高及木材量。這對人們的伐木及植樹(shù)事業(yè)具有一定的科學(xué)指導性意義，且便于相關(guān)部門(mén)進(jìn)行調控。

　　電力輸送上，可有效助力電網(wǎng)的布設與維護管理工作。在進(jìn)行電力線(xiàn)路設計時(shí)，通過(guò)LIDAR數據可以了解整個(gè)線(xiàn)路設計區域內的地形和地物要素情況。尤其是在樹(shù)木密集處，可以估算出需要砍伐樹(shù)木的面積和木材量。在進(jìn)行電力線(xiàn)搶修和維護時(shí)，根據電力線(xiàn)路上的LIDAR數據點(diǎn)和相應的地面裸露點(diǎn)的高程可以測算出任意一處線(xiàn)路距離地面的高度，這樣便于搶修和維護。

　　交通管線(xiàn)設計上，LIDAR技術(shù)為公路、鐵路設計提供了高精度的地面高程模型DEM，以方便線(xiàn)路設計和施工土方量的精確計算。同樣，其在進(jìn)行通訊網(wǎng)絡(luò )、油管、氣管線(xiàn)路設計時(shí)具有重要的應用價(jià)值。

　　數字城市項目上，將高精度的LIDAR數字地面模型DEM與GIS系統有機結合，可以建立并完善“數字城市”系統，實(shí)現對數據的實(shí)時(shí)更新。

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