LIDAR技術在數據處理(lǐ)中的(de)應用(yòng)

發布日期：2018-06-21 00:00 浏覽量：8347

　　引言

　　目前，計算(suàn)機信息及其它高(gāo)新技術被廣泛應用(yòng)，數字立體攝影(yǐng)測量已經成熟，相應的(de)軟件和(hé)數字立體測量工作站在生産部門逐漸普及，但是攝影(yǐng)測量工作目前存在生産模式周期過長(cháng)的(de)弊端，不能滿足信息化(huà)社會及“數字地球”對(duì)測繪的(de)要求。

　　LIDAR（LightDetectionandRanging）是近幾十年來(lái)攝影(yǐng)測量領域最具革新性的(de)技術之一。LIDAR即光(guāng)探測與測距，根據載體不同，可(kě)分(fēn)爲機載和(hé)地面激光(guāng)雷達兩種模式，原理(lǐ)是通(tōng)過激光(guāng)打在物(wù)體上的(de)返回信号進行三維坐(zuò)标的(de)測量，應用(yòng)GPS（GlobalPositionSystem）、慣導（IMU，InertialMeasurementUnit）裝置測定飛(fēi)機的(de)飛(fēi)行姿态、空間位置、時(shí)間，生成LIDAR數據。LIDAR技術是GPS、慣性導航、激光(guāng)測距等技術的(de)集成應用(yòng)。

　　LIDAR數據經過某些軟件（TerraSolid、LID_MAS）的(de)數據處理(lǐ)後，可(kě)生成具有高(gāo)精度的(de)帶狀地形斷面圖、數字地面模型、高(gāo)壓輸電線路三維圖（包括鐵塔位置、懸垂線、環境地形）、等高(gāo)線圖、房(fáng)屋三維立體模型、正射影(yǐng)像圖（航空飛(fēi)行時(shí)要配備數字相機）等，可(kě)應用(yòng)于道路設計與擴建、輸電線路設計與管理(lǐ)維護、三維建模、洪水(shuǐ)等災害防治、農業監控研究等領域。

　　目前歐美(měi)發達國家中，在高(gāo)效率空間數據信息獲取方面，該技術已成爲當下(xià)研究熱(rè)點，其應用(yòng)領域囊括了(le)經濟建設、軍事、林(lín)業等多(duō)個(gè)方面。而我國關于該技術的(de)研究及應用(yòng)仍處于起步階段，因此其數據處理(lǐ)方法及應用(yòng)還(hái)具有很大(dà)潛力。

　　1、LIDAR系統概述

　　機載LIDAR系統主要包括：①激光(guāng)測距系統，用(yòng)于測量發射點與地面障礙物(wù)間的(de)距離；②姿态測量裝置（IMU），用(yòng)于測量掃描裝置主光(guāng)軸的(de)空間姿态參數；③動态差分(fēn)全球定位系統（DGPS），用(yòng)于确定掃描投影(yǐng)中心的(de)空間位置；④一套成像裝置，用(yòng)于獲取對(duì)應地面的(de)彩色數碼影(yǐng)像，最終用(yòng)來(lái)制作正射影(yǐng)像。

　　機載LIDAR的(de)特點如下(xià)：①數據精度高(gāo)。利用(yòng)高(gāo)精密的(de)傳感工藝自動采集目标的(de)表面與立體結構的(de)三維數據，并根據高(gāo)精度定位系統獲得(de)較高(gāo)的(de)定位精度；②數據密度高(gāo)。地表激光(guāng)點的(de)采集間隔可(kě)根據具體的(de)工程需要來(lái)調節，使得(de)LIDAR數據可(kě)達到很高(gāo)的(de)密度；③時(shí)效性強。LIDAR的(de)作業周期遠(yuǎn)小于傳統攝影(yǐng)測量方式，其實用(yòng)性更強；④主動測量。可(kě)以處理(lǐ)傳統測量方法無法或很難進入的(de)危險地區(qū)，并且仍能獲取較高(gāo)精度的(de)數據。

　　2、LIDAR數據處理(lǐ)

　　LIDAR數據一般以二進制的(de)形式存儲，有三維坐(zuò)标和(hé)強度信息。數據處理(lǐ)時(shí)是以三維的(de)形式交互顯示，這(zhè)與全數字數據采集、航空攝影(yǐng)測量的(de)數據處理(lǐ)方式不同，是一種全新的(de)數據處理(lǐ)方式，但對(duì)作業員(yuán)的(de)要求不高(gāo)。LIDAR數據的(de)數據量巨大(dà)，例如：2.79km2有700多(duō)萬三維點，裸地的(de)地面點間隔約0.7m，有樹遮擋地面點間隔約1.4m，這(zhè)樣的(de)點密度是目前其它獲取手段所不能達到的(de)，尤其在有大(dà)喬木(mù)遮蓋的(de)林(lín)區(qū)更具有優勢。另外，高(gāo)精度的(de)LIDAR數據采集方式，可(kě)以直接采集電力輸電線的(de)數據，可(kě)以直接生成高(gāo)壓輸電線的(de)懸鏈線空間三維圖，美(měi)國多(duō)用(yòng)于對(duì)電力線的(de)維護工作。

　　關于LIDAR技術國内外一直在研究，直到精度能達到一定的(de)水(shuǐ)平才真正有它的(de)使用(yòng)價值。質量較好的(de)1∶500DLG圖中誤差在實地0.5m以内；GPS的(de)RTK技術可(kě)以實現快(kuài)速單點厘米級的(de)定位精度；全數字攝影(yǐng)測量一般可(kě)以實現20cm矢量圖形的(de)測繪工作；而目前的(de)LIDAR技術可(kě)以實現隻有極少控制點的(de)大(dà)面積測量，精度可(kě)以達到實地15cm，可(kě)以直接獲取真三維的(de)地球表面信息。

　　機載LIDAR數據處理(lǐ)的(de)一般流程包括：①航飛(fēi)采集激光(guāng)掃描數據以及數碼影(yǐng)像和(hé)内業數據處理(lǐ)，即确定航迹；②激光(guāng)掃描測量數據處理(lǐ)，得(de)到點雲數據；③對(duì)數據進行檢驗并分(fēn)類處理(lǐ)，經過坐(zuò)标轉換、激光(guāng)點濾波後，建立DEM，④進行DOM制作。

　　2.1點雲數據特點

　　三維激光(guāng)掃描儀在很早之前就在醫學、文物(wù)保護、機械制造等領域廣泛應用(yòng)，數據處理(lǐ)使用(yòng)的(de)主要是點雲處理(lǐ)技術。由于LIDAR技術獲取的(de)數據有範圍大(dà)的(de)特點，應用(yòng)點雲技術處理(lǐ)數據與其它領域應用(yòng)有所不同。用(yòng)LIDAR技術獲取的(de)數據有3種點雲：①地表上的(de)人(rén)工對(duì)象：主要有建築物(wù)、電力設施等；②植被：主要有大(dà)的(de)喬木(mù)和(hé)低矮灌木(mù)；③地表。

　　（1）地表。可(kě)以生成三維地表模型，有如下(xià)3個(gè)特點：①有高(gāo)精度、高(gāo)密度的(de)地表特征點，超越目前任何其它生成手段；②可(kě)以直接建模，具有任意精度，靈活多(duō)變；③可(kě)輸出文本，作爲其它數據的(de)基礎，具有開放性。

　　（2）建築物(wù)（房(fáng)屋）。可(kě)以自動生成房(fáng)屋的(de)頂部模型和(hé)紋理(lǐ)，生成粗三維模型。

　　（3）高(gāo)壓輸電線。對(duì)于高(gāo)壓輸電線，利用(yòng)LIDAR技術獲得(de)的(de)數據很有特點，是目前其它設備難以獲得(de)的(de)。LIDAR數據可(kě)以表現出鐵塔的(de)外形輪廓，能夠繪出鐵塔的(de)位置和(hé)高(gāo)壓線的(de)懸垂線。在美(měi)國的(de)生産實踐證明(míng)，高(gāo)壓輸電線在夏天和(hé)荷載增加時(shí)，高(gāo)壓線與地面距離會變近，這(zhè)不利于電線的(de)安全。

　　（4）高(gāo)速公路。我國高(gāo)速公路建設速度很快(kuài)，在道路設計中LIDAR技術可(kě)以發揮作用(yòng)。因爲LIDAR技術可(kě)以生成很密的(de)三維數據點，可(kě)以用(yòng)來(lái)計算(suàn)土石方量、破壞樹木(mù)植被量，并能清楚地摸清道路兩旁的(de)環境。對(duì)于修路，在起伏比較大(dà)的(de)地方較能顯示出LIDAR技術的(de)優勢，因爲這(zhè)樣的(de)成本相對(duì)較低。

　　2.2DEM建立

　　作爲4D産品之一，DEM制作方法如下(xià)：①利用(yòng)航空相片，使用(yòng)全數字攝影(yǐng)測量的(de)方法制作，優點是直觀、速度較快(kuài)，缺點是精度較差、有死角；②利用(yòng)高(gāo)程點和(hé)等高(gāo)線等矢量地圖，通(tōng)過軟件自動生成，優點是速度很快(kuài)，缺點是受數據源精度的(de)嚴重影(yǐng)響，往往需要人(rén)工幹預和(hé)再處理(lǐ)；③利用(yòng)儀器設備到野外實地采集，優點是精度很高(gāo)，但效率低下(xià)，不适合大(dà)面積作業，隻有在計算(suàn)土方量時(shí)才使用(yòng)；④利用(yòng)LIDAR技術獲取離散點制作DEM。

　　LIDAR技術的(de)優點：面積大(dà)、速度快(kuài)、精度高(gāo)；缺點：單次任務啓動費用(yòng)大(dà)，且需要有空中飛(fēi)行許可(kě)。

　　（1）面積大(dà)。激光(guāng)掃描儀以每秒10萬個(gè)點的(de)速度向地面發送信号，飛(fēi)機的(de)航高(gāo)不同，地面的(de)掃描走廊也(yě)不同，一般幾十米到幾百米，是行高(gāo)在400m時(shí)，直升飛(fēi)機的(de)掃描走廊。說明(míng)航向與飛(fēi)行方向垂直，激光(guāng)掃描儀的(de)掃描軌迹以“之”字形前進。

　　（2）速度快(kuài)。通(tōng)常采用(yòng)固定翼飛(fēi)機和(hé)直升飛(fēi)機進行LIDAR數據的(de)飛(fēi)行任務，其數據采集的(de)速度與普通(tōng)的(de)航飛(fēi)相當。但是，由于是主動式的(de)遙感，不需要等天氣，甚至可(kě)以夜間飛(fēi)行，因而相對(duì)于常規的(de)航飛(fēi)任務而言，可(kě)以大(dà)大(dà)提高(gāo)飛(fēi)行效率，一般幾百平方公裏的(de)任務，幾天就可(kě)以完成。數據的(de)後期處理(lǐ)也(yě)非常迅速，在美(měi)國，一個(gè)熟練的(de)作業員(yuán)，每平方公裏的(de)數據處理(lǐ)隻要1個(gè)星期。

　　（3）精度高(gāo)。由于是直接對(duì)地面進行測量，隻要不被正上空的(de)物(wù)體遮擋，激光(guāng)點都能直接打到地表，這(zhè)樣激光(guāng)點在地表的(de)密度就非常大(dà)。特别是對(duì)于有樹木(mù)遮蓋的(de)林(lín)區(qū)，由于樹蔭和(hé)樹葉，用(yòng)全數字航測的(de)立體影(yǐng)像方法很難切準地面或者根本不能看到地面，這(zhè)種情況用(yòng)LIDAR采集數據就特别有優勢。前文提到，精度可(kě)以控制在15cm以内，而且所有的(de)點都可(kě)以參加構成TIN。

　　一次飛(fēi)行的(de)啓動費用(yòng)爲航空攝影(yǐng)測量的(de)缺點，也(yě)正是該缺點，使得(de)将來(lái)的(de)空間數據采集向兩個(gè)極端發展：一是大(dà)範圍、高(gāo)自動化(huà)的(de)空中采集；二是小範圍、高(gāo)精度的(de)地面人(rén)工采集。在對(duì)城(chéng)市的(de)測量中，一般會兩種方式結合采用(yòng)，以滿足宏觀和(hé)微觀的(de)需要。

　　2.3DOM制作

　　用(yòng)LIDAR技術獲得(de)空間三維離散點數據的(de)同時(shí)，如果安裝了(le)數碼相機，也(yě)能獲得(de)數字影(yǐng)像，這(zhè)種數字影(yǐng)像與DMC相機的(de)影(yǐng)像在格式上完全相同，隻是像幅較小。由于飛(fēi)行時(shí)相機的(de)快(kuài)門與GPS的(de)實時(shí)測量同時(shí)開啓，因而獲得(de)影(yǐng)像的(de)重疊度比較大(dà)，有的(de)地方可(kě)以達到90%以上的(de)四度重疊。常規航空攝影(yǐng)用(yòng)的(de)膠片，如果是1∶8000的(de)航片，0.021mm掃描，實地分(fēn)辨率約爲15cm，采用(yòng)DMC數碼相機，同樣是1∶8000，實地分(fēn)辨率有7.2cm。由此可(kě)以看出，随著(zhe)航空攝影(yǐng)高(gāo)度的(de)降低和(hé)攝影(yǐng)比例尺的(de)增大(dà)，獲得(de)的(de)影(yǐng)像圖的(de)分(fēn)辨率在不斷增加。對(duì)于伴随LIDAR技術三維數據的(de)影(yǐng)像，一般分(fēn)辨率在10cm之内。

　　用(yòng)機載三維掃描儀的(de)數據制作正射影(yǐng)像有以下(xià)幾個(gè)特點：①生成速度快(kuài)，可(kě)以生成真正射。通(tōng)常可(kě)以自動或半自動選擇影(yǐng)像的(de)連接點，然後全自動生成正射影(yǐng)像，通(tōng)過人(rén)爲引入建築物(wù)的(de)矢量數據，直接生成真正射，這(zhè)對(duì)制作三維大(dà)場(chǎng)景十分(fēn)重要；②分(fēn)辨率高(gāo)，5cm/象元。在用(yòng)LIDAR技術獲取數據時(shí)，一般航飛(fēi)的(de)高(gāo)度低于1000m，這(zhè)樣拍(pāi)攝的(de)影(yǐng)像分(fēn)辨率很大(dà)，可(kě)以控制在10cm之内，用(yòng)分(fēn)辨率爲5cm的(de)影(yǐng)像作三維場(chǎng)景的(de)地表，基本上能夠滿足人(rén)們視覺上的(de)需要；③絕對(duì)精度好。因爲DEM的(de)精度好，所以DOM的(de)精度也(yě)随之提高(gāo)，在技術層面上，所采用(yòng)的(de)方法與現在流行的(de)糾正算(suàn)法相同；④影(yǐng)像拼接較差，色彩過渡不好。

　　這(zhè)是自動制作DOM不可(kě)避免的(de)缺點。雖然數據處理(lǐ)軟件可(kě)以自動校正色差、亮度，但如果測區(qū)過大(dà)，并不能達到令人(rén)滿意的(de)效果。若是在城(chéng)區(qū)，房(fáng)屋影(yǐng)像的(de)拼接也(yě)是一個(gè)問題。

　　3、LIDAR技術系統應用(yòng)

　　LIDAR技術在國民經濟建設中，如林(lín)業、水(shuǐ)利電力設計、交通(tōng)設計規劃、城(chéng)市規劃以及軍事等各大(dà)領域可(kě)得(de)到廣泛應用(yòng)。

　　軍事應用(yòng)上，機載LIDAR在戰場(chǎng)偵察、大(dà)氣探測、跟蹤及火控、水(shuǐ)下(xià)探測、武器鑒定、指揮引導、障礙回避等多(duō)方面都可(kě)得(de)到廣泛應用(yòng)。

　　林(lín)業管理(lǐ)上，可(kě)根據LIDAR數據，分(fēn)析森林(lín)植被的(de)覆蓋率和(hé)覆蓋面積，掌握植被疏密程度、年長(cháng)樹木(mù)及年幼樹木(mù)各自覆蓋率，估算(suàn)出森林(lín)總占地面積、樹木(mù)均高(gāo)及木(mù)材量。這(zhè)對(duì)人(rén)們的(de)伐木(mù)及植樹事業具有一定的(de)科學指導性意義，且便于相關部門進行調控。

　　電力輸送上，可(kě)有效助力電網的(de)布設與維護管理(lǐ)工作。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。在進行電力線搶修和(hé)維護時(shí)，根據電力線路上的(de)LIDAR數據點和(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)樣便于搶修和(hé)維護。

　　交通(tōng)管線設計上，LIDAR技術爲公路、鐵路設計提供了(le)高(gāo)精度的(de)地面高(gāo)程模型DEM，以方便線路設計和(hé)施工土方量的(de)精确計算(suàn)。同樣，其在進行通(tōng)訊網絡、油管、氣管線路設計時(shí)具有重要的(de)應用(yòng)價值。

　　數字城(chéng)市項目上，将高(gāo)精度的(de)LIDAR數字地面模型DEM與GIS系統有機結合，可(kě)以建立并完善“數字城(chéng)市”系統，實現對(duì)數據的(de)實時(shí)更新。

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