機(jī)載激光雷達(dá)(Lidar)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理

　　近年來，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)正蓬勃發(fā)展，歐美等一些發(fā)達(dá)國家逐步研制出很多種機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，它的應(yīng)用已超國遙感所覆蓋的范圍和傳統(tǒng)測量，成為一種特有的數(shù)據(jù)獲取方式。

　　一、機(jī)載激光雷達(dá)

　　機(jī)載激光雷達(dá)是導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)以及激光慣性3種技術(shù)集于一身的空間測量系統(tǒng)。此系統(tǒng)是將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光掃描儀、GPS接受機(jī)、數(shù)碼相機(jī)以及控制元件等搭載在載體的飛機(jī)之上。它主動朝地面發(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(jì)算出激光掃描儀距離地面的距離，POS系統(tǒng)所測得的姿態(tài)信息和位置能夠計(jì)算出地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

　　比較傳統(tǒng)的攝影測量，激光雷達(dá)可以進(jìn)行直接獲取目標(biāo)的三維信息，數(shù)據(jù)到有用信息的過程得以縮短。激光雷達(dá)的明顯特征是激光能夠穿透植被的葉面抵達(dá)地表，同時(shí)獲取植被和地面的信息，探測細(xì)小目標(biāo)也可以被探測到，從而獲取的數(shù)據(jù)信息豐富，目前來說是其他技術(shù)所不及的。

　　二、數(shù)據(jù)的采集

　　1、數(shù)據(jù)采集前準(zhǔn)備工作

　　在數(shù)據(jù)采集之前需要進(jìn)行多方面詳細(xì)周密的準(zhǔn)備工作，其中主要包括選擇檢校場、設(shè)計(jì)航線、申請空域和布設(shè)地面基準(zhǔn)站。

　　2、申請空域

　　在任何一個航攝任務(wù)執(zhí)行前要按照規(guī)定向有關(guān)部門提出空域取得航飛權(quán)的申請。在航飛權(quán)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、航線設(shè)計(jì)

　　在對航飛路線設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循經(jīng)濟(jì)、周密、安全和高效的原則，選則專門的航飛設(shè)計(jì)軟件來對飛行路線進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常在航線設(shè)計(jì)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(qū)的地貌、地形、機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備的參數(shù)（掃描角、相機(jī)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、航帶寬度和用戶要求的點(diǎn)云密度考慮，設(shè)計(jì)出符合項(xiàng)目精度要求的航線。設(shè)計(jì)出良好的航線，能夠在精度要求被滿足的前提下降低成本，節(jié)省飛行時(shí)間。

　　3、布設(shè)地面基準(zhǔn)站

　　在測區(qū)內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的GPS基準(zhǔn)站，對動態(tài)GPS定位，通常來說基站間距為30～5km。將基站構(gòu)建成SmarBase網(wǎng)解算GPS數(shù)據(jù)，大氣誤差能夠減小同時(shí)也可減小電離層延遲誤差、衛(wèi)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(shù)據(jù)，則布設(shè)的GPS基準(zhǔn)站就需要包圍整個測區(qū)，間距設(shè)置在70km為宜。在測區(qū)中也要布設(shè)1～2個基準(zhǔn)站，用于在進(jìn)行數(shù)據(jù)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。

　　檢校場的選擇：在數(shù)據(jù)采集的前后，都要進(jìn)行對設(shè)備的檢校，通常通過處理檢校場數(shù)據(jù)、采集以及安裝軸間精密的偏心角和計(jì)算出各儀器之間精密的偏心分量，繼而對整個測區(qū)數(shù)據(jù)糾正系統(tǒng)誤差，使精度提高。

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

　　4、采集數(shù)據(jù)

　　在飛機(jī)起飛前三十分鐘，將地面基準(zhǔn)站上GPS接收機(jī)打開，在飛行到測區(qū)之前，將POS系統(tǒng)打開，并靜止一段時(shí)間，繼而按著“8”字形飛，在飛完后進(jìn)行 五分鐘的直飛，從而保證POS系統(tǒng)能夠處于最佳的工作狀態(tài)，然后開始數(shù)據(jù)的采集。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，飛機(jī)可以按照設(shè)計(jì)航線進(jìn)行自動飛行，相機(jī)和掃描儀、POS系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)來采集數(shù)據(jù)。采集完數(shù)據(jù)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(tǒng)，地面GPS接收機(jī)在飛機(jī)關(guān)掉POS系統(tǒng)之后的三十分鐘再關(guān)。

　　假如機(jī)場離測區(qū)比較遠(yuǎn)，在采集測區(qū)數(shù)據(jù)前后就不用飛倒“8”的字形。總而言之，在數(shù)據(jù)采集之前，POS系統(tǒng)要保證處于良好工作狀態(tài)。

　　三、Lidar數(shù)據(jù)的分類處理

　　Lidar數(shù)據(jù)包含許多類型，比如植被、房屋建筑、地表等等，假如要對DTM（數(shù)字地形模型）提取，就必須要分離開地表點(diǎn)和非地表類型點(diǎn)，也就是說要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，目前位置Lidar數(shù)據(jù)點(diǎn)濾波的力法很大一部分都是基于三維激光數(shù)據(jù)腳點(diǎn)中的高程突變信息來進(jìn)行的，概括來說主要有基于地形坡度濾波，迭代線性最小二乘內(nèi)插法，移動窗口法和移動曲面擬合法等。

　　Lidar數(shù)據(jù)首先通常剔除噪聲點(diǎn)，包括折射等一些會造成的高程異常點(diǎn)，然后采用專業(yè)軟件進(jìn)行適合的參數(shù)設(shè)置，TerraScan軟件是處理地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)或者機(jī)載的通用軟件包，是根據(jù)窗口移動法來分類提取地面點(diǎn)。

　　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用POS的動態(tài)定位來計(jì)算出激光點(diǎn)坐標(biāo)屬WGS84坐標(biāo)體系，而大多測區(qū)采用地方坐標(biāo)系，所以要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來獲取最終的成果，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包含兩個方面：正常高轉(zhuǎn)換與平面坐標(biāo)體系的轉(zhuǎn)換。平面坐標(biāo)體系轉(zhuǎn)換通常情況通過聯(lián)測地方坐標(biāo)，用七參數(shù)法轉(zhuǎn)換得到，正常高轉(zhuǎn)換是則是根據(jù)測區(qū)的高程控制點(diǎn)擬合的，是大地水準(zhǔn)面計(jì)算而得到的。

　　四、機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢

　　與傳統(tǒng)航測技術(shù)相比，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)有很大的綜合經(jīng)濟(jì)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(shù)據(jù)是由激光直接進(jìn)行測量而得到的，傳統(tǒng)的航測本質(zhì)上是根據(jù)有限的幾個像控點(diǎn)依據(jù)航測理論擬合測量。

　　（2）三維激光雷達(dá)系統(tǒng)采集的原始點(diǎn)的密度要高于傳統(tǒng)的航測，每平方米平均可達(dá)到一個或者是十幾個原始的數(shù)據(jù)點(diǎn)，傳統(tǒng)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(tǒng)測量手段里存在較大困難的樹木覆蓋的地區(qū)，激光有著比較強(qiáng)的穿透能力，可以獲得到更高精度的地形表面的數(shù)據(jù)。

　　2、生產(chǎn)效率高、工期短

　?。?）航飛的高度比較低，因?yàn)槭侵鲃影l(fā)射激光脈沖測量的，在航飛的過程中受到天氣的影響比傳統(tǒng)航測影響要小很多，適合飛行的天氣比較多。

　?。?）機(jī)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，自動化、智能化的生產(chǎn)水平較高。

　?。?）綜合利用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和二維航空影像數(shù)據(jù)，在內(nèi)業(yè)就能夠清晰判別很大部分的地物，使傳統(tǒng)航測的外業(yè)調(diào)繪工作量大大減少。

　　（4）根據(jù)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(dá)系統(tǒng)是同時(shí)采集數(shù)碼影像、激光點(diǎn)云等許多源原始數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)間能夠彼此互相驗(yàn)證，而傳統(tǒng)的航測只是采集單影像類的原始數(shù)據(jù)。

　　結(jié)語：

　　機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在以下幾方面的主要應(yīng)用：

　　1、測制帶狀的地形圖

　　包括測繪道路測量、鐵路線路、道路設(shè)計(jì)和規(guī)劃、交通運(yùn)輸、海岸侵蝕監(jiān)測、海岸地帶管理、輸電線路和管理、河道和水資源等等。

　　2、環(huán)境檢測和災(zāi)害調(diào)查

　　主要適用于自然災(zāi)害的災(zāi)后響應(yīng)與評估。機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)能及時(shí)、快速并準(zhǔn)確地直接服務(wù)自然災(zāi)害評估、管理和監(jiān)測上。在我國去年5.12地震中失事直升機(jī)的搜索范圍的圈定，利用的就是機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)通過ADS40航空數(shù)碼相機(jī)相結(jié)合，向難度較高的搜尋工作提供了高精度的、可靠的地形數(shù)據(jù)。

　　3、測繪海岸地區(qū)

　　包括淺海岸侵蝕的動態(tài)、海岸帶測繪、海水深測量的監(jiān)測。機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)在這個領(lǐng)域的應(yīng)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(xiàng)目

　　按照機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)測量出的數(shù)據(jù)，對森林樹木的覆蓋面積和覆蓋率進(jìn)行分析，對樹木的疏密程度進(jìn)行了解，年長樹木覆蓋的面積與年幼樹木覆蓋的面積。

　　5、城市三維建模

　　城市是GIS研究與應(yīng)用領(lǐng)域的一個非常重要方面，3d城市模型是很多個應(yīng)用領(lǐng)域急切需要的，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、無線通訊等一系列領(lǐng)域，比如在城市規(guī)劃中的建筑物地下管線、景觀模擬的3d顯示等問題。機(jī)載激光雷達(dá)測量能夠提供精確與高密度觀測值，應(yīng)用前景廣闊。

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