機載激光(guāng)LiDAR的(de)運用(yòng)領域及誤差消除方法

　　一、機載LiDAR技術概述

　　LiDAR是基于激光(guāng)雷達技術的(de)基礎上形成的(de)一種新技術，也(yě)被人(rén)們廣泛的(de)稱之爲航空激光(guāng)掃描探測技術，是一種安裝在飛(fēi)機上的(de)機載激光(guāng)探測設備與測距系統，可(kě)以準确的(de)測量出地面物(wù)體的(de)三維坐(zuò)标。LiDAR技術在目前的(de)應用(yòng)中主要是主動進行的(de)，是針對(duì)地面、地形進行觀測的(de)一種測量體系，它最早出現于本世紀初期，是集激光(guāng)測距技術、慣性測量單元、GPS定位技術和(hé)激光(guāng)雷測繪技術爲一體的(de)現代化(huà)技術領域，該技術的(de)應用(yòng)使得(de)實時(shí)信息獲取和(hé)控制方面取得(de)了(le)重大(dà)突破，爲高(gāo)時(shí)空分(fēn)辨率在地球空間信息資源中的(de)應用(yòng)提供了(le)全新的(de)理(lǐ)論技術和(hé)指導依據。其中機載LiDAR設備在飛(fēi)行中以每秒40萬個(gè)點，側向60°的(de)掃描範圍，在短時(shí)間内實現大(dà)範圍三維地貌、地物(wù)和(hé)植被掃描，數據在水(shuǐ)平和(hé)垂直方向上可(kě)達到厘米級精度。機載激光(guāng)雷達掃描技術以其便利性、可(kě)重複性和(hé)絕對(duì)定位，以及數據的(de)真三維性和(hé)前所未有的(de)精度等優勢，在地學及相關領域中得(de)到日益廣泛應用(yòng)和(hé)快(kuài)速發展。

　　機載LiDAR系統主要由激光(guāng)掃面系統、GPS、IMU、數碼相機、監控和(hé)控制系統組成，其中LiDAR傳感器和(hé)IMU是系統的(de)核心部件，LiDAR傳感器是發射測量激光(guāng)脈沖和(hé)接受激光(guāng)脈沖遇到障礙物(wù)（目标）後所反射的(de)回波，IMU爲确定任一瞬間平台在空間中的(de)姿态，GPS爲LiDAR系統提供精确的(de)定時(shí)和(hé)定位數據。數碼相機可(kě)以爲獲得(de)高(gāo)分(fēn)辨率的(de)影(yǐng)像數據，監控及控制系統在系統采集數據的(de)同時(shí)爲操作人(rén)員(yuán)提供有效的(de)實時(shí)監控信息。對(duì)以上數據進行處理(lǐ)，可(kě)以獲得(de)DOM、DEM、DSM、DLG、三維數字模型等産品。

　　二、機載LiDAR技術的(de)應用(yòng)

　　随著(zhe)計算(suàn)技術以及GPS技術的(de)進一步發展和(hé)應用(yòng)，LiDAR技術經過近20年的(de)發展，其技術已經完全成熟。在使用(yòng)攝影(yǐng)測量方法獲取地形模型有困難的(de)森林(lín)和(hé)沙漠地區(qū)，LiDAR技術提供了(le)一種直接獲取地形表面模型的(de)有效手段。通(tōng)過與影(yǐng)像以及信息的(de)融合，LiDAR系統不僅僅局限于獲取數字高(gāo)程模型數據等傳統的(de)應用(yòng)領域，而且廣泛應用(yòng)于城(chéng)市三維模型的(de)直接獲取、GIS數據獲取、高(gāo)壓線監測、林(lín)業監測等領域。LiDAR利用(yòng)激光(guāng)傳感器對(duì)地面進行掃描，同時(shí)利用(yòng)慣性導航系統實時(shí)定位飛(fēi)機姿态，再加上GPS觀測坐(zuò)标，還(hái)可(kě)以打開LiDAR攜帶的(de)數碼相機進行航空攝影(yǐng)，獲取相片數據。利用(yòng)這(zhè)些高(gāo)精度的(de)數據可(kě)以得(de)到大(dà)範圍高(gāo)精度的(de)4D産品。

　　（一）基礎測繪

　　基礎測繪主要指的(de)是對(duì)工程項目施工場(chǎng)地進行的(de)測繪工作，其工作目的(de)在于實現工程項目的(de)基本要求和(hé)主要施工目的(de)。通(tōng)常來(lái)說，工程測繪是一種對(duì)有關測量物(wù)體的(de)基本信息進行搜集和(hé)整理(lǐ)的(de)，因此在這(zhè)一工作階段應當是以數字影(yǐng)像爲主要技術要求進行的(de)。但是在工作中，因爲數字影(yǐng)像本身存在著(zhe)工作力度繁瑣、施工内容複雜(zá)的(de)特點，爲此在工程項目中我們有必要針對(duì)其基本工作線路和(hé)施工技術要求來(lái)提前設置合理(lǐ)的(de)程序和(hé)控制策略。經過多(duō)年的(de)工作實踐總結得(de)出，在基礎測繪工作中采用(yòng)LiDAR測繪技術可(kě)以有效的(de)緩解傳統測繪技術所帶來(lái)的(de)工作壓力，提高(gāo)工作效率和(hé)工作進度。這(zhè)種技術在應用(yòng)中是通(tōng)過三維坐(zuò)标的(de)方式來(lái)實現對(duì)地面坐(zuò)标的(de)三維立體控制，從而達到精确坐(zuò)标的(de)要求。

　　（二）電力線路設計

　　在進行電力線路設計時(shí)，通(tōng)過LiDAR數據可(kě)以了(le)解整個(gè)線路設計區(qū)域内的(de)地形和(hé)地物(wù)要素的(de)情況。尤其是在樹木(mù)密集處，可(kě)以估算(suàn)出需要砍伐樹木(mù)的(de)面積和(hé)木(mù)材量。在進行電力搶修和(hé)維護時(shí)，根據電力線路上的(de)LiDAR數據和(hé)相應的(de)地面裸露點的(de)高(gāo)程可(kě)以測算(suàn)出任意一處線路距離地面的(de)高(gāo)度，這(zhè)樣就可(kě)以便于搶修和(hé)維護。

　　（三）公路線路等工程優化(huà)

　　激光(guāng)雷達技術用(yòng)于高(gāo)速公路線路等工程優化(huà)設計具有創新性和(hé)代表性，打破了(le)傳統設計的(de)方式方法，從數據獲取及處理(lǐ)、初步設計、優化(huà)設計、終勘定位、三維模拟、運營維護管理(lǐ)等方面建立了(le)一體化(huà)的(de)、三維可(kě)視化(huà)的(de)系統性技術體系和(hé)支撐平台。（1）原始數據采集：在航飛(fēi)前要制訂飛(fēi)行計劃，安置全球定位系統接收機、激光(guāng)掃描測量、慣性測量、數碼相機等。（2）基礎數據處理(lǐ)：機載激光(guāng)雷達測量系統在野外采集得(de)到的(de)數據需要進行一定的(de)處理(lǐ)才能得(de)到需要的(de)信息。數據處理(lǐ)的(de)内容包括：确定航迹、激光(guāng)掃描測量數據處理(lǐ)、數據分(fēn)類處理(lǐ)、坐(zuò)标匹配、影(yǐng)像數據的(de)定向和(hé)鑲嵌、建立三維地形模型。（3）線路優化(huà)設計：以高(gāo)精度、高(gāo)分(fēn)辨率正射影(yǐng)像和(hé)激光(guāng)點雲數據、數字高(gāo)程模型數據爲基礎，采用(yòng)二、三維結合方式，結合架空高(gāo)速公路線路設計業務需求，采用(yòng)多(duō)人(rén)協同設計，實現高(gāo)速公路線路路徑優化(huà)設計的(de)一體化(huà)全流程應用(yòng)。

　　三、機載激光(guāng)雷達測量系統檢校及消除系統誤差的(de)方法

　　機載激光(guāng)雷達測量系統是由多(duō)個(gè)部件集成在一起的(de)測量系統。爲了(le)提高(gāo)機載激光(guāng)雷達對(duì)地定位的(de)精度，在飛(fēi)行作業之前，必須經過仔細的(de)檢校，以提高(gāo)地面激光(guāng)腳點坐(zuò)标的(de)對(duì)地定位精度。機載激光(guāng)雷達測量系統的(de)檢校比較繁雜(zá)，其中包括對(duì)每個(gè)部件的(de)檢校以及确定它們之間的(de)相互空間關系（空間配準）。本文主要討(tǎo)論如何确定傳确器之間的(de)空間位置和(hé)方位關系。

　　（一）内方位元素的(de)測定

　　GPS/INS組合導航定位與測姿系統爲獲取載體高(gāo)精度的(de)位置和(hé)姿态參數提供了(le)有力的(de)支持，這(zhè)是機載激光(guāng)雷達實現高(gāo)精度對(duì)地定位的(de)前提。爲了(le)高(gāo)精度地求解每個(gè)激光(guāng)腳點的(de)位置坐(zuò)标，除了(le)要知道外方位元素（即三個(gè)姿态角）、飛(fēi)機航迹以及激光(guāng)掃描測距時(shí)提供的(de)距離和(hé)掃描角外，還(hái)必須精确地知道定位定姿傳感器同激光(guāng)掃描系統之間的(de)空間關系，提供正确的(de)内方位元素，這(zhè)對(duì)于激光(guāng)腳點的(de)位置計算(suàn)非常關鍵。内方位元素主要包括：（1）激光(guāng)脈沖測距參考點同GPS相位中心間的(de)偏移量tL-tG；（2）安置偏差角。

　　激光(guāng)脈沖測距參考點同GPS相位中心間的(de)偏移量通(tōng)常是利用(yòng)飛(fēi)機在行檢校技術直接從機載激光(guāng)雷達測量數據中估計出來(lái)。

　　INS坐(zuò)标參考框架和(hé)激光(guāng)掃描參考系統之間的(de)安置角誤差是機載激光(guāng)雷達中最大(dà)的(de)系統誤差源。根據經驗，這(zhè)些安置角誤差通(tōng)常爲0.1°-0.3°。

　　（二）消除系統誤差的(de)方法

　　爲了(le)提高(gāo)機載激光(guāng)雷達的(de)測量精度，最大(dà)可(kě)能地降低各種系統誤差的(de)影(yǐng)響，一般有三種方法：一是建立誤差改正模型；二是儀器檢校；三是條帶平差改正。如果激光(guāng)光(guāng)束的(de)空間方位有誤差，多(duō)條激光(guāng)掃描條帶覆蓋同一掃描區(qū)域時(shí)（彼此重疊），不同航帶測定的(de)同一點的(de)坐(zuò)标和(hé)高(gāo)程間彼此會有差異，其産生原因是INS姿态測定時(shí)會帶來(lái)誤差（漂移和(hé)初始化(huà)），INS和(hé)激光(guāng)掃描鏡安置時(shí)不能保證彼此軸系平行而産生安置角誤差等。根據這(zhè)些差異建立相應的(de)參數模型，利用(yòng)一定的(de)匹配技術将不同航帶的(de)條帶重疊部分(fēn)聯系起來(lái)，通(tōng)過最小二乘平差求解這(zhè)些參數。然後利用(yòng)求解出的(de)參數改正每條航帶的(de)激光(guāng)腳點坐(zuò)标。

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