機載LiDAR技術在城(chéng)市3D數字産品中的(de)應用(yòng)

　　引言

　　機載激光(guāng)雷達 (AirborneLightDetectionAnd Ranging，簡記爲LiDAR)，是集激光(guāng)掃描、全球定位系統(GPS)和(hé)慣性導航系統(INS)三種技術于一體的(de)空間測量技術，能夠快(kuài)速、精确地獲取地表信息。與傳統航測相比，機載LiDAR具有速度快(kuài)、精度高(gāo)、能提供豐富的(de)三維信息等優點。機載激光(guāng)雷達系統與數字航攝儀、機載GPS及慣性導航系統相結合，使用(yòng)大(dà)容量高(gāo)速計算(suàn)機，經過專用(yòng)軟件處理(lǐ)，可(kě)快(kuài)速完成數字高(gāo)程模型(DEM)、數字正射影(yǐng)像圖(DOM)及數字表面模型（DSM）的(de)大(dà)規模生産。LiDAR數據的(de)平面精度可(kě)以達到0.2m，高(gāo)程精度可(kě)達到0.1m。

　　近10年以來(lái)，LiDAR硬件設備已經成熟和(hé)穩定，并且性能越來(lái)越優化(huà)；針對(duì)LiDAR數據的(de)處理(lǐ)軟件已基本成熟；并已投入商業應用(yòng)。LiDAR的(de)應用(yòng)領域在不斷的(de)擴展和(hé)深化(huà)，已經成功的(de)應用(yòng)于大(dà)比例尺DEM、DSM、DOM制圖、電力和(hé)公路選線、城(chéng)市規劃、森林(lín)調查、災害災情監測、三維數字城(chéng)市建設等行業領域。

　　1.LiDAR系統構成、定位原理(lǐ)及應用(yòng)

　　1.1 LiDAR系統構成

　　LiDAR系統主要如下(xià)幾部分(fēn)構成：

　　⑴GPS：根據地面基站及機載GPS快(kuài)速确定空中飛(fēi)機的(de)三維坐(zuò)标；

　　⑵INS：慣性測量系統，用(yòng)于确定飛(fēi)機的(de)空中姿态；

　　⑶激光(guāng)掃描測距系統：測量空中點至地面的(de)距離

　　⑷成像裝置（CCD數碼相機）：獲取所經地面的(de)影(yǐng)像，用(yòng)于制作地面正射數字影(yǐng)像；

　　⑸工作平台：可(kě)攜帶上述裝置的(de)飛(fēi)行器。

　　1.2 LiDAR定位原理(lǐ)

　　機載LiDAR定位原理(lǐ)：設空間有一向量S，其模爲S，方向爲（φ，ω，κ），若能測出該向量起點Os的(de)坐(zuò)标（Xs，Ys，Zs），則此向量的(de)另一端點Ps的(de)坐(zuò)标（Xs，Ys，Zs）便可(kě)唯一确定。對(duì)機載系統而言，起點Os爲遙感器光(guāng)學系統的(de)投影(yǐng)中心，其坐(zuò)标可(kě)利用(yòng)動态差分(fēn)GPS求出，向量S的(de)模S是由激光(guāng)測距系統測定的(de)機載激光(guāng)測距儀測理(lǐ)投影(yǐng)中心到地面激光(guāng)腳點之間的(de)距離，姿态參數（φ，ω，κ）可(kě)以利用(yòng)高(gāo)精度的(de)姿态測量裝置進測量獲取。其中一些系統參數，主要包括激光(guāng)測距光(guāng)學投影(yǐng)中心相對(duì)于天線相位中心的(de)偏差；激光(guāng)掃描器的(de)安裝角，即傾斜角、仰俯角和(hé)航偏角；IMU（慣性測量單元）相對(duì)于GPS的(de)位置偏差及IMU機體同載體坐(zuò)标軸系之間的(de)不平行等項參數，需要通(tōng)過一定的(de)檢校方法确定。

　　2．LiDAR系統的(de)數據處理(lǐ)

　　利用(yòng)系統自帶的(de)随機軟件，可(kě)以對(duì)飛(fēi)機GPS軌迹、飛(fēi)行姿态、測光(guāng)測距等相關數據進行處理(lǐ)，得(de)到各測點的(de)三維無屬性的(de)空間坐(zuò)标數據，即所謂的(de)“點雲數據”。LiDAR系統的(de)數據處理(lǐ)即是對(duì)上述的(de)“點雲數據”進行分(fēn)類處理(lǐ)，根據不同的(de)需要，按一定的(de)分(fēn)類原則，提取相關的(de)信息，形成用(yòng)途各異的(de)數字産品。

　　TerraSolid是用(yòng)于對(duì)點雲數據進行分(fēn)析處理(lǐ)的(de)專用(yòng)軟件。該軟件具有可(kě)顯示3維點數據，可(kě)任意定義點的(de)類型，可(kě)手動或自動分(fēn)類點，進行點位抽稀，提取關鍵點，在激光(guāng)點上數字化(huà)特征地物(wù)，并能與攝影(yǐng)測量影(yǐng)象數據融合，可(kě)輸出分(fēn)類後的(de)激光(guāng)點和(hé)高(gāo)程模型等功能。

　　在3D城(chéng)市數字化(huà)産品制作中，TerraSolid主要用(yòng)于構建地面高(gāo)程數據（DEM）和(hé)數字表面模型（DSM），并結合影(yǐng)象數據生成數字正射圖（DOM）

　　3．3D數據數字産品制作

　　現以某濱海城(chéng)市爲例介紹3D數據數字産品制作過程。利用(yòng)機載Lidar設備飛(fēi)行采集的(de)原始點雲、數碼航片、航迹信息等數據通(tōng)過影(yǐng)像調色、數據預處理(lǐ)、點雲分(fēn)類、空三加密、拼接線修改、圖幅裁切等一系列處理(lǐ)，生産出符合相應比例尺國家标準的(de)DEM、DSM、DOM成果及建築物(wù)體框模型。

　　3.1 DSM和(hé)DEM制作流程:

　　3.1.1對(duì)激光(guāng)點三維數據進行地表和(hé)地面激光(guāng)點的(de)分(fēn)類處理(lǐ)。

　　3.1.2生成粗imagelist，直接利用(yòng)未空三加密的(de)imagelist文件快(kuài)速生成粗數字正射影(yǐng)像。

　　3.1.3參考粗數字正射影(yǐng)像，對(duì)分(fēn)類後的(de)激光(guāng)點三維數據進行檢查，糾正前期分(fēn)類錯誤的(de)激光(guāng)點。

　　3.1.4對(duì)地面激光(guāng)點構建三角網模型，按2.5和(hé)0.8米的(de)格網間距分(fēn)别内插爲1：2000比例尺數字高(gāo)程模型；對(duì)地面和(hé)建築物(wù)、樹木(mù)、橋梁地上構建物(wù)等對(duì)應的(de)所有激光(guāng)點構建三角網模型，按2.5和(hé)0.8米的(de)格網間距内插爲1：2000比例尺數字表面模型。

　　3.2 DOM制作流程

　　3.2.1原始航片調色、勻色。

　　3.2.2 POS輔助空三加密，添加連接點。集成後的(de)大(dà)區(qū)域空三加密時(shí)，平原地區(qū)要求公共點較差中誤差在0.1米以内、最大(dà)誤差0.2米。山地要求公共點較差中誤差在0.13米以内、最大(dà)誤差0.26米以内；還(hái)未集成的(de)小區(qū)域空三加密時(shí)，平原和(hé)山地的(de)公共點較差可(kě)在以上基礎上放寬一倍。

　　3.2.3 通(tōng)過生成的(de)連接點文件，對(duì)原始影(yǐng)像的(de)三個(gè)角度外方位元素進行優化(huà)調整。

　　3.2.4 對(duì)正射糾正的(de)影(yǐng)像進行拼接線修改和(hé)優化(huà)，使不同航片在接邊處不穿過建築物(wù)、樹木(mù)等非地面地物(wù)，保證地物(wù)影(yǐng)像的(de)完整、自然。

　　3.2.5 在拼接線處對(duì)影(yǐng)像進行色調修改和(hé)平衡，使整幅正射影(yǐng)像色調自然、均勻。

　　3.2.6對(duì)專用(yòng)軟件生成的(de)數字正射影(yǐng)像進行架空橋梁等地物(wù)出現的(de)拉花、錯位、變形等情況的(de)修正，并提交最後數字正射影(yǐng)像成果。

　　4. 結語

　　機載雷達（LiDAR）系統以其方便、快(kuài)捷和(hé)高(gāo)效的(de)3維數據獲取技術，具有十分(fēn)廣泛的(de)應用(yòng)前景。該系統在城(chéng)市3D數字産品的(de)制作中，可(kě)快(kuài)速獲取符合相關規範标準的(de)DEM、DSM、DOM産品。與傳統的(de)生産流程相比，采用(yòng)該技術具有處理(lǐ)區(qū)域範圍大(dà)、成圖周期短、成圖精度高(gāo)和(hé)生産成本相對(duì)較低等特點，具有相當廣泛的(de)應用(yòng)前景。随著(zhe)LiDAR技術硬件系統的(de)進一步的(de)發展和(hé)分(fēn)類技術研究的(de)不斷推進，該技術将在我國城(chéng)市信息化(huà)建設中，發揮重要的(de)作用(yòng)。

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