平原地貌地區城市工程測量中LIDAR數據應用

　　機載激光雷達系統（Light Detection And Ranging，簡(jiǎn)稱(chēng)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，它集成了激光掃描儀、差分GPS系統、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性量測單元，用以量測飛機平臺的飛行姿態(tài)）、數碼相機。在動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS系統和IMU的支持下，激光掃描系統通過(guò)激光掃描器和距離傳感器，經(jīng)由微計算機對測量資料進(jìn)行內部處理，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據相匹配，經(jīng)過(guò)相應軟件進(jìn)行一系列處理來(lái)獲取被測目標的表面形態(tài)和三維坐標數據，從而進(jìn)行各種量算或建立立體模型。

　　在過(guò)去十年，機載LIDAR作為精確、快速的獲取地面三維數據的工具已經(jīng)得到廣泛的認同。至2004年全球已經(jīng)有超過(guò)30類(lèi)不同型號的激光掃描系統投放市場(chǎng)。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等是當前較成熟的商業(yè)系統。

　　1 LIDAR數據獲取 的基本原理

　　當機載LIDAR航攝飛行時(shí)，激光掃描儀發(fā)射、接收激光束，對地面進(jìn)行線(xiàn)狀掃描，與此同時(shí)，動(dòng)態(tài)GPS系統確定傳感器的空間位置（經(jīng)緯度），IMU測量飛機的實(shí)時(shí)姿態(tài)數據，即滾動(dòng)、仰俯和航偏角。由于系統的幾個(gè)部分同步工作并集成于一體，GPS 和IMU的數據融合極為方便，所以經(jīng)后期地面數據處理后，即可獲取地面的三維數據。

　　2 LIDAR數據的獲取和處理

　　2.1 LIDAR設備選擇

　　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?；?0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(mǎn)足設計需求。

　　2.2 航攝高度和飛行時(shí)間的選擇

　　LIDAR數據的精度與航攝高度有關(guān)，本攝區航攝的目的是為1∶500基礎測繪數字產(chǎn)品提供高程數據，為確保測繪成果的質(zhì)量，根據現行相關(guān)技術(shù)標準的規定和ALTM-3100的性能規格，以及飛機性能和攝區對航高的約束條件，設計飛行高度為800 m。

　　LIDAR系統是一個(gè)先進(jìn)的主動(dòng)傳感系統，它不依賴(lài)太陽(yáng)光照，所以在獲取地面三維信息時(shí)可以考慮夜航。飛行作業(yè)中，需根據測區內實(shí)際星歷數據情況，選擇避開(kāi)GPS信號較弱時(shí)段。為了避免植被，尤其是農作物對真實(shí)地面的干擾，建議選擇秋冬季節進(jìn)行航飛。所以測區的航攝時(shí)間選擇在當年10月至次年1月間，并且增加了夜航。

　　2.3 LIDAR數據的獲取

　　該1∶500地形測量項目共涉及飛行11個(gè)架次，其中1個(gè)架次為檢校場(chǎng)飛行，用于A(yíng)LTM-3100系統檢校，其他10個(gè)架次為測區航攝飛行。全測區面積810 km2，航線(xiàn)總計81條，總長(cháng)2613.5 km2，飛行高度800 m，有效飛行時(shí)間為29小時(shí)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(diǎn)地面點(diǎn)間距0.52 m。

　　2.4 LIDAR數據的處理

　　LIDAR航攝飛行結束后，要盡快對航飛數據進(jìn)行有效性評價(jià)，決定是否需要補飛或重飛，進(jìn)而解算激光點(diǎn)數據，并進(jìn)行分類(lèi)處理。

　　2.4.1 LIDAR數據處理流程

　　原始數據解碼：原始采集的激光數據與POS數據（定位定向數據，包括DGPS數據和IMU數據）需要進(jìn)行解碼，從而獲得GPS文件，IMU文件，激光點(diǎn)文件等；POS數據處理：機載POS與地面基站GPS進(jìn)行差分和融合，獲得精確坐標；激光數據處理：處理后的POS數據與激光點(diǎn)數據融合，獲得地面坐標；輸出激光點(diǎn)文件。

　　2.4.2 LIDAR數據處理說(shuō)明

　　解算原則，方法：實(shí)際解算，采用多邊形范圍輸出，以單條航線(xiàn)存儲為一個(gè)激光點(diǎn)文件；坐標系統，采用WGS84橢球，UTM投影坐標系；POS處理說(shuō)明：處理基站時(shí)，使用某市所在省份的GPS控制網(wǎng)，并同時(shí)保證機場(chǎng)附近架設一個(gè)基站，由觀(guān)測手簿獲得基站坐標及天線(xiàn)高；使用基站時(shí)，盡可能多的使用離測區范圍最近的所有基站。航帶重疊處理：航線(xiàn)與航線(xiàn)之間重疊的部分，根據航線(xiàn)，將重疊部分的數據劃分出去，減小數據量。

　　2.4.3 LIDAR數據分類(lèi)處理

　　LIDAR數據包括很多類(lèi)型，例如房屋建筑、植被、水體、地表、管線(xiàn)等，如果要提取DTM（Digital Terrain Model，數字地形模型），就必須將非地表類(lèi)型點(diǎn)和地表點(diǎn)分離開(kāi)，也就是要進(jìn)行數據分類(lèi)。目前基于LIDAR數據點(diǎn)濾波的方法絕大部分都是基于三維激光數據腳點(diǎn)的高程突變等信息進(jìn)行的，概括來(lái)講主要有移動(dòng)窗口法，迭代線(xiàn)性最小二乘內插法，基于地形坡度濾波和移動(dòng)曲面擬合法等幾種。

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