平原地貌地區(qū)城(chéng)市工程測量中LIDAR數據應用(yòng)

　　機載激光(guāng)雷達系統（Light Detection And Ranging，簡稱LIDAR），也(yě)叫機載激光(guāng)雷達，是一種安裝在飛(fēi)機上的(de)機載激光(guāng)探測和(hé)測距系統，它集成了(le)激光(guāng)掃描儀、差分(fēn)GPS系統、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性量測單元，用(yòng)以量測飛(fēi)機平台的(de)飛(fēi)行姿态）、數碼相機。在動态載波相位差分(fēn)GPS系統和(hé)IMU的(de)支持下(xià)，激光(guāng)掃描系統通(tōng)過激光(guāng)掃描器和(hé)距離傳感器，經由微計算(suàn)機對(duì)測量資料進行内部處理(lǐ)，顯示或存儲、輸出距離和(hé)角度等資料，并與距離傳感器獲取的(de)數據相匹配，經過相應軟件進行一系列處理(lǐ)來(lái)獲取被測目标的(de)表面形态和(hé)三維坐(zuò)标數據，從而進行各種量算(suàn)或建立立體模型。

　　在過去十年，機載LIDAR作爲精确、快(kuài)速的(de)獲取地面三維數據的(de)工具已經得(de)到廣泛的(de)認同。至2004年全球已經有超過30類不同型号的(de)激光(guāng)掃描系統投放市場(chǎng)。加拿大(dà)Optech公司生産的(de)ALTM和(hé)SHOALS、美(měi)國Leica公司的(de)ALS50、瑞典的(de)TopoEye AB公司生産的(de)TopEye、德國IGI公司的(de)LiteMapper、法國Toposys公司的(de)FalconⅡ等是當前較成熟的(de)商業系統。

　　1 LIDAR數據獲取 的(de)基本原理(lǐ)

　　當機載LIDAR航攝飛(fēi)行時(shí)，激光(guāng)掃描儀發射、接收激光(guāng)束，對(duì)地面進行線狀掃描，與此同時(shí)，動态GPS系統确定傳感器的(de)空間位置（經緯度），IMU測量飛(fēi)機的(de)實時(shí)姿态數據，即滾動、仰俯和(hé)航偏角。由于系統的(de)幾個(gè)部分(fēn)同步工作并集成于一體，GPS 和(hé)IMU的(de)數據融合極爲方便，所以經後期地面數據處理(lǐ)後，即可(kě)獲取地面的(de)三維數據。

　　2 LIDAR數據的(de)獲取和(hé)處理(lǐ)

　　2.1 LIDAR設備選擇

　　在某市1∶500比例尺地形測量項目中，高(gāo)程精度的(de)要求優于0.15 m，我們選擇了(le)加拿大(dà)Optech公司的(de)ALTM3100。基于30年的(de)LIDAR生産經驗，新一代的(de)ALTM-3100采樣頻(pín)率高(gāo)達100 kHz，1200 m航高(gāo)以下(xià)高(gāo)程精度達到0.15 m，平面精度可(kě)以達到航高(gāo)的(de)1/3000，能夠滿足設計需求。

　　2.2 航攝高(gāo)度和(hé)飛(fēi)行時(shí)間的(de)選擇

　　LIDAR數據的(de)精度與航攝高(gāo)度有關，本攝區(qū)航攝的(de)目的(de)是爲1∶500基礎測繪數字産品提供高(gāo)程數據，爲确保測繪成果的(de)質量，根據現行相關技術标準的(de)規定和(hé)ALTM-3100的(de)性能規格，以及飛(fēi)機性能和(hé)攝區(qū)對(duì)航高(gāo)的(de)約束條件，設計飛(fēi)行高(gāo)度爲800 m。

　　LIDAR系統是一個(gè)先進的(de)主動傳感系統，它不依賴太陽光(guāng)照(zhào)，所以在獲取地面三維信息時(shí)可(kě)以考慮夜航。飛(fēi)行作業中，需根據測區(qū)内實際星曆數據情況，選擇避開GPS信号較弱時(shí)段。爲了(le)避免植被，尤其是農作物(wù)對(duì)真實地面的(de)幹擾，建議(yì)選擇秋冬季節進行航飛(fēi)。所以測區(qū)的(de)航攝時(shí)間選擇在當年10月(yuè)至次年1月(yuè)間，并且增加了(le)夜航。

　　2.3 LIDAR數據的(de)獲取

　　該1∶500地形測量項目共涉及飛(fēi)行11個(gè)架次，其中1個(gè)架次爲檢校場(chǎng)飛(fēi)行，用(yòng)于ALTM-3100系統檢校，其他(tā)10個(gè)架次爲測區(qū)航攝飛(fēi)行。全測區(qū)面積810 km2，航線總計81條，總長(cháng)2613.5 km2，飛(fēi)行高(gāo)度800 m，有效飛(fēi)行時(shí)間爲29小時(shí)30分(fēn)。激光(guāng)掃描儀脈沖頻(pín)率100 kHz，掃描頻(pín)率43 Hz，掃描角度21°，旁向重疊率30%，激光(guāng)點地面點間距0.52 m。

　　2.4 LIDAR數據的(de)處理(lǐ)

　　LIDAR航攝飛(fēi)行結束後，要盡快(kuài)對(duì)航飛(fēi)數據進行有效性評價，決定是否需要補飛(fēi)或重飛(fēi)，進而解算(suàn)激光(guāng)點數據，并進行分(fēn)類處理(lǐ)。

　　2.4.1 LIDAR數據處理(lǐ)流程

　　原始數據解碼：原始采集的(de)激光(guāng)數據與POS數據（定位定向數據，包括DGPS數據和(hé)IMU數據）需要進行解碼，從而獲得(de)GPS文件，IMU文件，激光(guāng)點文件等；POS數據處理(lǐ)：機載POS與地面基站GPS進行差分(fēn)和(hé)融合，獲得(de)精确坐(zuò)标；激光(guāng)數據處理(lǐ)：處理(lǐ)後的(de)POS數據與激光(guāng)點數據融合，獲得(de)地面坐(zuò)标；輸出激光(guāng)點文件。

　　2.4.2 LIDAR數據處理(lǐ)說明(míng)

　　解算(suàn)原則，方法：實際解算(suàn)，采用(yòng)多(duō)邊形範圍輸出，以單條航線存儲爲一個(gè)激光(guāng)點文件；坐(zuò)标系統，采用(yòng)WGS84橢球，UTM投影(yǐng)坐(zuò)标系；POS處理(lǐ)說明(míng)：處理(lǐ)基站時(shí)，使用(yòng)某市所在省份的(de)GPS控制網，并同時(shí)保證機場(chǎng)附近架設一個(gè)基站，由觀測手簿獲得(de)基站坐(zuò)标及天線高(gāo)；使用(yòng)基站時(shí)，盡可(kě)能多(duō)的(de)使用(yòng)離測區(qū)範圍最近的(de)所有基站。航帶重疊處理(lǐ)：航線與航線之間重疊的(de)部分(fēn)，根據航線，将重疊部分(fēn)的(de)數據劃分(fēn)出去，減小數據量。

　　2.4.3 LIDAR數據分(fēn)類處理(lǐ)

　　LIDAR數據包括很多(duō)類型，例如房(fáng)屋建築、植被、水(shuǐ)體、地表、管線等，如果要提取DTM（Digital Terrain Model，數字地形模型），就必須将非地表類型點和(hé)地表點分(fēn)離開，也(yě)就是要進行數據分(fēn)類。目前基于LIDAR數據點濾波的(de)方法絕大(dà)部分(fēn)都是基于三維激光(guāng)數據腳點的(de)高(gāo)程突變等信息進行的(de)，概括來(lái)講主要有移動窗(chuāng)口法，叠代線性最小二乘内插法，基于地形坡度濾波和(hé)移動曲面拟合法等幾種。

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