機載激光(guāng)雷達(Lidar)數據采集及數據處理(lǐ)

發布日期：2018-06-26 00:00 浏覽量：13543

　　近年來(lái)，網絡通(tōng)訊技術、計算(suàn)機技術、激光(guāng)測距技術及GPS技術等技術的(de)不斷發展成熟，機載激光(guāng)雷達技術正蓬勃發展，歐美(měi)等一些發達國家逐步研制出很多(duō)種機載激光(guāng)雷達測量系統，它的(de)應用(yòng)已超國遙感所覆蓋的(de)範圍和(hé)傳統測量，成爲一種特有的(de)數據獲取方式。

　　一、機載激光(guāng)雷達

　　機載激光(guāng)雷達是導航系統、全球定位系統以及激光(guāng)慣性3種技術集于一身的(de)空間測量系統。此系統是将慣性導航系統、激光(guāng)掃描儀、GPS接受機、數碼相機以及控制元件等搭載在載體的(de)飛(fēi)機之上。它主動朝地面發射激光(guāng)脈沖，接受反射脈沖并對(duì)所使用(yòng)的(de)時(shí)間及時(shí)記錄，計算(suàn)出激光(guāng)掃描儀距離地面的(de)距離，POS系統所測得(de)的(de)姿态信息和(hé)位置能夠計算(suàn)出地面點的(de)三維坐(zuò)标。

　　比較傳統的(de)攝影(yǐng)測量，激光(guāng)雷達可(kě)以進行直接獲取目标的(de)三維信息，數據到有用(yòng)信息的(de)過程得(de)以縮短。激光(guāng)雷達的(de)明(míng)顯特征是激光(guāng)能夠穿透植被的(de)葉面抵達地表，同時(shí)獲取植被和(hé)地面的(de)信息，探測細小目标也(yě)可(kě)以被探測到，從而獲取的(de)數據信息豐富，目前來(lái)說是其他(tā)技術所不及的(de)。

　　二、數據的(de)采集

　　1、數據采集前準備工作

　　在數據采集之前需要進行多(duō)方面詳細周密的(de)準備工作，其中主要包括選擇檢校場(chǎng)、設計航線、申請空域和(hé)布設地面基準站。

　　2、申請空域

　　在任何一個(gè)航攝任務執行前要按照(zhào)規定向有關部門提出空域取得(de)航飛(fēi)權的(de)申請。在航飛(fēi)權期間挑選最好的(de)天氣飛(fēi)行，這(zhè)樣可(kě)以使拍(pāi)攝影(yǐng)像的(de)質量得(de)到保證。

　　3、航線設計

　　在對(duì)航飛(fēi)路線設計時(shí)，要遵循經濟、周密、安全和(hé)高(gāo)效的(de)原則，選則專門的(de)航飛(fēi)設計軟件來(lái)對(duì)飛(fēi)行路線進行設計。通(tōng)常在航線設計時(shí)，要參考小比例尺的(de)二維平面地形圖，綜合的(de)進行測區(qū)的(de)地貌、地形、機載激光(guāng)雷達設備的(de)參數（掃描角、相機鏡頭焦距、掃描頻(pín)率等）天氣條件（霧、雲、煙(yān)塵、降雨(yǔ)等等）航帶重疊度、航帶寬度和(hé)用(yòng)戶要求的(de)點雲密度考慮，設計出符合項目精度要求的(de)航線。設計出良好的(de)航線，能夠在精度要求被滿足的(de)前提下(xià)降低成本，節省飛(fēi)行時(shí)間。

　　3、布設地面基準站

　　在測區(qū)内設置一定數量的(de)GPS基準站，對(duì)動态GPS定位，通(tōng)常來(lái)說基站間距爲30～5km。将基站構建成SmarBase網解算(suàn)GPS數據，大(dà)氣誤差能夠減小同時(shí)也(yě)可(kě)減小電離層延遲誤差、衛星鐘(zhōng)差及軌道差、對(duì)流層延遲誤差等等一系列誤差。假如要用(yòng)這(zhè)種方法解算(suàn)GPS數據，則布設的(de)GPS基準站就需要包圍整個(gè)測區(qū)，間距設置在70km爲宜。在測區(qū)中也(yě)要布設1～2個(gè)基準站，用(yòng)于在進行數據處理(lǐ)之後快(kuài)速的(de)對(duì)所測點雲與已知點的(de)絕對(duì)誤差進行檢測。

　　檢校場(chǎng)的(de)選擇：在數據采集的(de)前後，都要進行對(duì)設備的(de)檢校，通(tōng)常通(tōng)過處理(lǐ)檢校場(chǎng)數據、采集以及安裝軸間精密的(de)偏心角和(hé)計算(suàn)出各儀器之間精密的(de)偏心分(fēn)量，繼而對(duì)整個(gè)測區(qū)數據糾正系統誤差，使精度提高(gāo)。

　　IMU的(de)3個(gè)角即俯視角、側滾角、航片角的(de)檢校，地形上要求有一定的(de)坡度，但這(zhè)個(gè)坡度不能太大(dà)，同時(shí)地形的(de)範圍要大(dà)些，以保證航線有足夠長(cháng)度。通(tōng)常選擇有山坡、平地、房(fáng)屋的(de)地區(qū)作爲檢校場(chǎng)。在進行飛(fēi)檢校場(chǎng)時(shí)，通(tōng)常飛(fēi)“田”字形或者“井”字形。

　　4、采集數據

　　在飛(fēi)機起飛(fēi)前三十分(fēn)鐘(zhōng)，将地面基準站上GPS接收機打開，在飛(fēi)行到測區(qū)之前，将POS系統打開，并靜止一段時(shí)間，繼而按著(zhe)“8”字形飛(fēi)，在飛(fēi)完後進行五分(fēn)鐘(zhōng)的(de)直飛(fēi)，從而保證POS系統能夠處于最佳的(de)工作狀态，然後開始數據的(de)采集。在進行數據采集時(shí)，飛(fēi)機可(kě)以按照(zhào)設計航線進行自動飛(fēi)行，相機和(hé)掃描儀、POS系統根據設置的(de)參數來(lái)采集數據。采集完數據之後再依次直飛(fēi)五分(fēn)鐘(zhōng)、倒“8”字形飛(fēi)、幾分(fēn)鐘(zhōng)靜止，并關掉POS系統，地面GPS接收機在飛(fēi)機關掉POS系統之後的(de)三十分(fēn)鐘(zhōng)再關。

　　假如機場(chǎng)離測區(qū)比較遠(yuǎn)，在采集測區(qū)數據前後就不用(yòng)飛(fēi)倒“8”的(de)字形。總而言之，在數據采集之前，POS系統要保證處于良好工作狀态。

　　三、Lidar數據的(de)分(fēn)類處理(lǐ)

　　Lidar數據包含許多(duō)類型，比如植被、房(fáng)屋建築、地表等等，假如要對(duì)DTM（數字地形模型）提取，就必須要分(fēn)離開地表點和(hé)非地表類型點，也(yě)就是說要對(duì)其進行數據分(fēn)類，目前位置Lidar數據點濾波的(de)力法很大(dà)一部分(fēn)都是基于三維激光(guāng)數據腳點中的(de)高(gāo)程突變信息來(lái)進行的(de)，概括來(lái)說主要有基于地形坡度濾波，叠代線性最小二乘内插法，移動窗(chuāng)口法和(hé)移動曲面拟合法等。

　　Lidar數據首先通(tōng)常剔除噪聲點，包括折射等一些會造成的(de)高(gāo)程異常點，然後采用(yòng)專業軟件進行适合的(de)參數設置，TerraScan軟件是處理(lǐ)地面激光(guāng)雷達數據或者機載的(de)通(tōng)用(yòng)軟件包，是根據窗(chuāng)口移動法來(lái)分(fēn)類提取地面點。

　　坐(zuò)标轉換。利用(yòng)POS的(de)動态定位來(lái)計算(suàn)出激光(guāng)點坐(zuò)标屬WGS84坐(zuò)标體系，而大(dà)多(duō)測區(qū)采用(yòng)地方坐(zuò)标系，所以要通(tōng)過坐(zuò)标轉換來(lái)獲取最終的(de)成果，坐(zuò)标轉換包含兩個(gè)方面：正常高(gāo)轉換與平面坐(zuò)标體系的(de)轉換。平面坐(zuò)标體系轉換通(tōng)常情況通(tōng)過聯測地方坐(zuò)标，用(yòng)七參數法轉換得(de)到，正常高(gāo)轉換是則是根據測區(qū)的(de)高(gāo)程控制點拟合的(de)，是大(dà)地水(shuǐ)準面計算(suàn)而得(de)到的(de)。

激光(guāng)雷達數據采集及數據處理(lǐ).jpg

　　四、機載激光(guāng)雷達技術的(de)優勢

　　與傳統航測技術相比，機載激光(guāng)雷達技術有很大(dà)的(de)綜合經濟優勢和(hé)技術優勢。

　　1、成果的(de)整體精度更高(gāo)

　　（1）三維激光(guāng)點雲數據是由激光(guāng)直接進行測量而得(de)到的(de)，傳統的(de)航測本質上是根據有限的(de)幾個(gè)像控點依據航測理(lǐ)論拟合測量。

　　（2）三維激光(guāng)雷達系統采集的(de)原始點的(de)密度要高(gāo)于傳統的(de)航測，每平方米平均可(kě)達到一個(gè)或者是十幾個(gè)原始的(de)數據點，傳統航測立體像對(duì)與模拟技術采集所不能相比的(de)。

　　（3）高(gāo)程測量精度要比其它測繪方法高(gāo)，尤其是在對(duì)傳統測量手段裏存在較大(dà)困難的(de)樹木(mù)覆蓋的(de)地區(qū)，激光(guāng)有著(zhe)比較強的(de)穿透能力，可(kě)以獲得(de)到更高(gāo)精度的(de)地形表面的(de)數據。

　　2、生産效率高(gāo)、工期短

　　（1）航飛(fēi)的(de)高(gāo)度比較低，因爲是主動發射激光(guāng)脈沖測量的(de)，在航飛(fēi)的(de)過程中受到天氣的(de)影(yǐng)響比傳統航測影(yǐng)響要小很多(duō)，适合飛(fēi)行的(de)天氣比較多(duō)。

　　（2）機載Lidar測量技術僅僅隻需要少量的(de)人(rén)工進行野外測量工作，自動化(huà)、智能化(huà)的(de)生産水(shuǐ)平較高(gāo)。

　　（3）綜合利用(yòng)三維激光(guāng)點雲數據和(hé)二維航空影(yǐng)像數據，在内業就能夠清晰判别很大(dà)部分(fēn)的(de)地物(wù)，使傳統航測的(de)外業調繪工作量大(dà)大(dà)減少。

　　（4）根據三維激光(guāng)點雲數據能直接并獲得(de)DSM/DEM等成果。

　　3、成果質量更加有保障

　　三維激光(guāng)雷達系統是同時(shí)采集數碼影(yǐng)像、激光(guāng)點雲等許多(duō)源原始數據，在這(zhè)些數據間能夠彼此互相驗證，而傳統的(de)航測隻是采集單影(yǐng)像類的(de)原始數據。

　　結語：

　　機載激光(guāng)雷達系統在以下(xià)幾方面的(de)主要應用(yòng)：

　　1、測制帶狀的(de)地形圖

　　包括測繪道路測量、鐵路線路、道路設計和(hé)規劃、交通(tōng)運輸、海岸侵蝕監測、海岸地帶管理(lǐ)、輸電線路和(hé)管理(lǐ)、河(hé)道和(hé)水(shuǐ)資源等等。

　　2、環境檢測和(hé)災害調查

　　主要适用(yòng)于自然災害的(de)災後響應與評估。機載激光(guāng)雷達測量技術能及時(shí)、快(kuài)速并準确地直接服務自然災害評估、管理(lǐ)和(hé)監測上。在我國去年5.12地震中失事直升機的(de)搜索範圍的(de)圈定，利用(yòng)的(de)就是機載激光(guāng)雷達測量技術通(tōng)過ADS40航空數碼相機相結合，向難度較高(gāo)的(de)搜尋工作提供了(le)高(gāo)精度的(de)、可(kě)靠的(de)地形數據。

　　3、測繪海岸地區(qū)

　　包括淺海岸侵蝕的(de)動态、海岸帶測繪、海水(shuǐ)深測量的(de)監測。機載激光(guāng)雷達測量技術在這(zhè)個(gè)領域的(de)應用(yòng)相比較于其他(tā)測繪技術是有非常大(dà)的(de)優勢。

　　4、林(lín)業項目

　　按照(zhào)機載激光(guāng)雷達系統測量出的(de)數據，對(duì)森林(lín)樹木(mù)的(de)覆蓋面積和(hé)覆蓋率進行分(fēn)析，對(duì)樹木(mù)的(de)疏密程度進行了(le)解，年長(cháng)樹木(mù)覆蓋的(de)面積與年幼樹木(mù)覆蓋的(de)面積。

　　5、城(chéng)市三維建模

　　城(chéng)市是GIS研究與應用(yòng)領域的(de)一個(gè)非常重要方面，3d城(chéng)市模型是很多(duō)個(gè)應用(yòng)領域急切需要的(de)，已經被廣泛的(de)應用(yòng)于建築設計、城(chéng)市規劃、無線通(tōng)訊等一系列領域，比如在城(chéng)市規劃中的(de)建築物(wù)地下(xià)管線、景觀模拟的(de)3d顯示等問題。機載激光(guāng)雷達測量能夠提供精确與高(gāo)密度觀測值，應用(yòng)前景廣闊。

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