機載激光雷達(Lidar)數據采集及數據處理

　　近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)、計算機技術(shù)、激光測距技術(shù)及GPS技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，機載激光雷達技術(shù)正蓬勃發(fā)展，歐美等一些發(fā)達國家逐步研制出很多種機載激光雷達測量系統，它的應用已超國遙感所覆蓋的范圍和傳統測量，成為一種特有的數據獲取方式。

　　一、機載激光雷達

　　機載激光雷達是導航系統、全球定位系統以及激光慣性3種技術(shù)集于一身的空間測量系統。此系統是將慣性導航系統、激光掃描儀、GPS接受機、數碼相機以及控制元件等搭載在載體的飛機之上。它主動(dòng)朝地面發(fā)射激光脈沖，接受反射脈沖并對所使用的時(shí)間及時(shí)記錄，計算出激光掃描儀距離地面的距離，POS系統所測得的姿態(tài)信息和位置能夠計算出地面點(diǎn)的三維坐標。

　　比較傳統的攝影測量，激光雷達可以進(jìn)行直接獲取目標的三維信息，數據到有用信息的過(guò)程得以縮短。激光雷達的明顯特征是激光能夠穿透植被的葉面抵達地表，同時(shí)獲取植被和地面的信息，探測細小目標也可以被探測到，從而獲取的數據信息豐富，目前來(lái)說(shuō)是其他技術(shù)所不及的。

　　二、數據的采集

　　1、數據采集前準備工作

　　在數據采集之前需要進(jìn)行多方面詳細周密的準備工作，其中主要包括選擇檢校場(chǎng)、設計航線(xiàn)、申請空域和布設地面基準站。

　　2、申請空域

　　在任何一個(gè)航攝任務(wù)執行前要按照規定向有關(guān)部門(mén)提出空域取得航飛權的申請。在航飛權期間挑選最好的天氣飛行，這樣可以使拍攝影像的質(zhì)量得到保證。

　　3、航線(xiàn)設計

　　在對航飛路線(xiàn)設計時(shí)，要遵循經(jīng)濟、周密、安全和高效的原則，選則專(zhuān)門(mén)的航飛設計軟件來(lái)對飛行路線(xiàn)進(jìn)行設計。通常在航線(xiàn)設計時(shí)，要參考小比例尺的二維平面地形圖，綜合的進(jìn)行測區的地貌、地形、機載激光雷達設備的參數（掃描角、相機鏡頭焦距、掃描頻率等）天氣條件（霧、云、煙塵、降雨等等）航帶重疊度、航帶寬度和用戶(hù)要求的點(diǎn)云密度考慮，設計出符合項目精度要求的航線(xiàn)。設計出良好的航線(xiàn)，能夠在精度要求被滿(mǎn)足的前提下降低成本，節省飛行時(shí)間。

　　3、布設地面基準站

　　在測區內設置一定數量的GPS基準站，對動(dòng)態(tài)GPS定位，通常來(lái)說(shuō)基站間距為30～5km。將基站構建成SmarBase網(wǎng)解算GPS數據，大氣誤差能夠減小同時(shí)也可減小電離層延遲誤差、衛星鐘差及軌道差、對流層延遲誤差等等一系列誤差。假如要用這種方法解算GPS數據，則布設的GPS基準站就需要包圍整個(gè)測區，間距設置在70km為宜。在測區中也要布設1～2個(gè)基準站，用于在進(jìn)行數據處理之后快速的對所測點(diǎn)云與已知點(diǎn)的絕對誤差進(jìn)行檢測。

　　檢校場(chǎng)的選擇：在數據采集的前后，都要進(jìn)行對設備的檢校，通常通過(guò)處理檢校場(chǎng)數據、采集以及安裝軸間精密的偏心角和計算出各儀器之間精密的偏心分量，繼而對整個(gè)測區數據糾正系統誤差，使精度提高。

　　IMU的3個(gè)角即俯視角、側滾角、航片角的檢校，地形上要求有一定的坡度，但這個(gè)坡度不能太大，同時(shí)地形的范圍要大些，以保證航線(xiàn)有足夠長(cháng)度。通常選擇有山坡、平地、房屋的地區作為檢校場(chǎng)。在進(jìn)行飛檢校場(chǎng)時(shí)，通常飛“田”字形或者“井”字形。

　　4、采集數據

　　在飛機起飛前三十分鐘，將地面基準站上GPS接收機打開(kāi)，在飛行到測區之前，將POS系統打開(kāi)，并靜止一段時(shí)間，繼而按著(zhù)“8”字形飛，在飛完后進(jìn)行 五分鐘的直飛，從而保證POS系統能夠處于最佳的工作狀態(tài)，然后開(kāi)始數據的采集。在進(jìn)行數據采集時(shí)，飛機可以按照設計航線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)飛行，相機和掃描儀、POS系統根據設置的參數來(lái)采集數據。采集完數據之后再依次直飛五分鐘、倒“8”字形飛、幾分鐘靜止，并關(guān)掉POS系統，地面GPS接收機在飛機關(guān)掉POS系統之后的三十分鐘再關(guān)。

　　假如機場(chǎng)離測區比較遠，在采集測區數據前后就不用飛倒“8”的字形?？偠灾?，在數據采集之前，POS系統要保證處于良好工作狀態(tài)。

　　三、Lidar數據的分類(lèi)處理

　　Lidar數據包含許多類(lèi)型，比如植被、房屋建筑、地表等等，假如要對DTM（數字地形模型）提取，就必須要分離開(kāi)地表點(diǎn)和非地表類(lèi)型點(diǎn)，也就是說(shuō)要對其進(jìn)行數據分類(lèi)，目前位置Lidar數據點(diǎn)濾波的力法很大一部分都是基于三維激光數據腳點(diǎn)中的高程突變信息來(lái)進(jìn)行的，概括來(lái)說(shuō)主要有基于地形坡度濾波，迭代線(xiàn)性最小二乘內插法，移動(dòng)窗口法和移動(dòng)曲面擬合法等。

　　Lidar數據首先通常剔除噪聲點(diǎn)，包括折射等一些會(huì )造成的高程異常點(diǎn)，然后采用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行適合的參數設置，TerraScan軟件是處理地面激光雷達數據或者機載的通用軟件包，是根據窗口移動(dòng)法來(lái)分類(lèi)提取地面點(diǎn)。

　　坐標轉換。利用POS的動(dòng)態(tài)定位來(lái)計算出激光點(diǎn)坐標屬WGS84坐標體系，而大多測區采用地方坐標系，所以要通過(guò)坐標轉換來(lái)獲取最終的成果，坐標轉換包含兩個(gè)方面：正常高轉換與平面坐標體系的轉換。平面坐標體系轉換通常情況通過(guò)聯(lián)測地方坐標，用七參數法轉換得到，正常高轉換是則是根據測區的高程控制點(diǎn)擬合的，是大地水準面計算而得到的。

　　四、機載激光雷達技術(shù)的優(yōu)勢

　　與傳統航測技術(shù)相比，機載激光雷達技術(shù)有很大的綜合經(jīng)濟優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢。

　　1、成果的整體精度更高

　?。?）三維激光點(diǎn)云數據是由激光直接進(jìn)行測量而得到的，傳統的航測本質(zhì)上是根據有限的幾個(gè)像控點(diǎn)依據航測理論擬合測量。

　?。?）三維激光雷達系統采集的原始點(diǎn)的密度要高于傳統的航測，每平方米平均可達到一個(gè)或者是十幾個(gè)原始的數據點(diǎn)，傳統航測立體像對與模擬技術(shù)采集所不能相比的。

　?。?）高程測量精度要比其它測繪方法高，尤其是在對傳統測量手段里存在較大困難的樹(shù)木覆蓋的地區，激光有著(zhù)比較強的穿透能力，可以獲得到更高精度的地形表面的數據。

　　2、生產(chǎn)效率高、工期短

　?。?）航飛的高度比較低，因為是主動(dòng)發(fā)射激光脈沖測量的，在航飛的過(guò)程中受到天氣的影響比傳統航測影響要小很多，適合飛行的天氣比較多。

　?。?）機載Lidar測量技術(shù)僅僅只需要少量的人工進(jìn)行野外測量工作，自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)水平較高。

　?。?）綜合利用三維激光點(diǎn)云數據和二維航空影像數據，在內業(yè)就能夠清晰判別很大部分的地物，使傳統航測的外業(yè)調繪工作量大大減少。

　?。?）根據三維激光點(diǎn)云數據能直接并獲得DSM/DEM等成果。

　　3、成果質(zhì)量更加有保障

　　三維激光雷達系統是同時(shí)采集數碼影像、激光點(diǎn)云等許多源原始數據，在這些數據間能夠彼此互相驗證，而傳統的航測只是采集單影像類(lèi)的原始數據。

　　結語(yǔ)：

　　機載激光雷達系統在以下幾方面的主要應用：

　　1、測制帶狀的地形圖

　　包括測繪道路測量、鐵路線(xiàn)路、道路設計和規劃、交通運輸、海岸侵蝕監測、海岸地帶管理、輸電線(xiàn)路和管理、河道和水資源等等。

　　2、環(huán)境檢測和災害調查

　　主要適用于自然災害的災后響應與評估。機載激光雷達測量技術(shù)能及時(shí)、快速并準確地直接服務(wù)自然災害評估、管理和監測上。在我國去年5.12地震中失事直升機的搜索范圍的圈定，利用的就是機載激光雷達測量技術(shù)通過(guò)ADS40航空數碼相機相結合，向難度較高的搜尋工作提供了高精度的、可靠的地形數據。

　　3、測繪海岸地區

　　包括淺海岸侵蝕的動(dòng)態(tài)、海岸帶測繪、海水深測量的監測。機載激光雷達測量技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域的應用相比較于其他測繪技術(shù)是有非常大的優(yōu)勢。

　　4、林業(yè)項目

　　按照機載激光雷達系統測量出的數據，對森林樹(shù)木的覆蓋面積和覆蓋率進(jìn)行分析，對樹(shù)木的疏密程度進(jìn)行了解，年長(cháng)樹(shù)木覆蓋的面積與年幼樹(shù)木覆蓋的面積。

　　5、城市三維建模

　　城市是GIS研究與應用領(lǐng)域的一個(gè)非常重要方面，3d城市模型是很多個(gè)應用領(lǐng)域急切需要的，已經(jīng)被廣泛的應用于建筑設計、城市規劃、無(wú)線(xiàn)通訊等一系列領(lǐng)域，比如在城市規劃中的建筑物地下管線(xiàn)、景觀(guān)模擬的3d顯示等問(wèn)題。機載激光雷達測量能夠提供精確與高密度觀(guān)測值，應用前景廣闊。

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