引言
目前,計算機(jī)信息及其它高新技術(shù)被廣泛應(yīng)用,數(shù)字立體攝影測量已經(jīng)成熟,相應(yīng)的軟件和數(shù)字立體測量工作站在生產(chǎn)部門逐漸普及,但是攝影測量工作目前存在生產(chǎn)模式周期過長的弊端,不能滿足信息化社會及“數(shù)字地球”對測繪的要求。
LIDAR(LightDetectionandRanging)是近幾十年來攝影測量領(lǐng)域最具革新性的技術(shù)之一。LIDAR即光探測與測距,根據(jù)載體不同,可分為機(jī)載和地面激光雷達(dá)兩種模式,原理是通過激光打在物體上的返回信號進(jìn)行三維坐標(biāo)的測量,應(yīng)用GPS(GlobalPositionSystem)、慣導(dǎo)(IMU,InertialMeasurementUnit)裝置測定飛機(jī)的飛行姿態(tài)、空間位置、時間,生成LIDAR數(shù)據(jù)。LIDAR技術(shù)是GPS、慣性導(dǎo)航、激光測距等技術(shù)的集成應(yīng)用。
LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過某些軟件(TerraSolid、LID_MAS)的數(shù)據(jù)處理后,可生成具有高精度的帶狀地形斷面圖、數(shù)字地面模型、高壓輸電線路三維圖(包括鐵塔位置、懸垂線、環(huán)境地形)、等高線圖、房屋三維立體模型、正射影像圖(航空飛行時要配備數(shù)字相機(jī))等,可應(yīng)用于道路設(shè)計與擴(kuò)建、輸電線路設(shè)計與管理維護(hù)、三維建模、洪水等災(zāi)害防治、農(nóng)業(yè)監(jiān)控研究等領(lǐng)域。
目前歐美發(fā)達(dá)國家中,在高效率空間數(shù)據(jù)信息獲取方面,該技術(shù)已成為當(dāng)下研究熱點,其應(yīng)用領(lǐng)域囊括了經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事、林業(yè)等多個方面。而我國關(guān)于該技術(shù)的研究及應(yīng)用仍處于起步階段,因此其數(shù)據(jù)處理方法及應(yīng)用還具有很大潛力。
1、LIDAR系統(tǒng)概述
機(jī)載LIDAR系統(tǒng)主要包括:①激光測距系統(tǒng),用于測量發(fā)射點與地面障礙物間的距離;②姿態(tài)測量裝置(IMU),用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù);③動態(tài)差分全球定位系統(tǒng)(DGPS),用于確定掃描投影中心的空間位置;④一套成像裝置,用于獲取對應(yīng)地面的彩色數(shù)碼影像,最終用來制作正射影像。
機(jī)載LIDAR的特點如下:①數(shù)據(jù)精度高。利用高精密的傳感工藝自動采集目標(biāo)的表面與立體結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù),并根據(jù)高精度定位系統(tǒng)獲得較高的定位精度;②數(shù)據(jù)密度高。地表激光點的采集間隔可根據(jù)具體的工程需要來調(diào)節(jié),使得LIDAR數(shù)據(jù)可達(dá)到很高的密度;③時效性強(qiáng)。LIDAR的作業(yè)周期遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)攝影測量方式,其實用性更強(qiáng);④主動測量。可以處理傳統(tǒng)測量方法無法或很難進(jìn)入的危險地區(qū),并且仍能獲取較高精度的數(shù)據(jù)。
2、LIDAR數(shù)據(jù)處理
LIDAR數(shù)據(jù)一般以二進(jìn)制的形式存儲,有三維坐標(biāo)和強(qiáng)度信息。數(shù)據(jù)處理時是以三維的形式交互顯示,這與全數(shù)字數(shù)據(jù)采集、航空攝影測量的數(shù)據(jù)處理方式不同,是一種全新的數(shù)據(jù)處理方式,但對作業(yè)員的要求不高。LIDAR數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量巨大,例如:2.79km2有700多萬三維點,裸地的地面點間隔約0.7m,有樹遮擋地面點間隔約1.4m,這樣的點密度是目前其它獲取手段所不能達(dá)到的,尤其在有大喬木遮蓋的林區(qū)更具有優(yōu)勢。另外,高精度的LIDAR數(shù)據(jù)采集方式,可以直接采集電力輸電線的數(shù)據(jù),可以直接生成高壓輸電線的懸鏈線空間三維圖,美國多用于對電力線的維護(hù)工作。
關(guān)于LIDAR技術(shù)國內(nèi)外一直在研究,直到精度能達(dá)到一定的水平才真正有它的使用價值。質(zhì)量較好的1∶500DLG圖中誤差在實地0.5m以內(nèi);GPS的RTK技術(shù)可以實現(xiàn)快速單點厘米級的定位精度;全數(shù)字攝影測量一般可以實現(xiàn)20cm矢量圖形的測繪工作;而目前的LIDAR技術(shù)可以實現(xiàn)只有極少控制點的大面積測量,精度可以達(dá)到實地15cm,可以直接獲取真三維的地球表面信息。
機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)處理的一般流程包括:①航飛采集激光掃描數(shù)據(jù)以及數(shù)碼影像和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,即確定航跡;②激光掃描測量數(shù)據(jù)處理,得到點云數(shù)據(jù);③對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗并分類處理,經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、激光點濾波后,建立DEM,④進(jìn)行DOM制作。
2.1點云數(shù)據(jù)特點
三維激光掃描儀在很早之前就在醫(yī)學(xué)、文物保護(hù)、機(jī)械制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,數(shù)據(jù)處理使用的主要是點云處理技術(shù)。由于LIDAR技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)有范圍大的特點,應(yīng)用點云技術(shù)處理數(shù)據(jù)與其它領(lǐng)域應(yīng)用有所不同。用LIDAR技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)有3種點云:①地表上的人工對象:主要有建筑物、電力設(shè)施等;②植被:主要有大的喬木和低矮灌木;③地表。
?。?)地表。可以生成三維地表模型,有如下3個特點:①有高精度、高密度的地表特征點,超越目前任何其它生成手段;②可以直接建模,具有任意精度,靈活多變;③可輸出文本,作為其它數(shù)據(jù)的基礎(chǔ),具有開放性。
?。?)建筑物(房屋)??梢宰詣由煞课莸捻敳磕P秃图y理,生成粗三維模型。
(3)高壓輸電線。對于高壓輸電線,利用LIDAR技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)很有特點,是目前其它設(shè)備難以獲得的。LIDAR數(shù)據(jù)可以表現(xiàn)出鐵塔的外形輪廓,能夠繪出鐵塔的位置和高壓線的懸垂線。在美國的生產(chǎn)實踐證明,高壓輸電線在夏天和荷載增加時,高壓線與地面距離會變近,這不利于電線的安全。
?。?)高速公路。我國高速公路建設(shè)速度很快,在道路設(shè)計中LIDAR技術(shù)可以發(fā)揮作用。因為LIDAR技術(shù)可以生成很密的三維數(shù)據(jù)點,可以用來計算土石方量、破壞樹木植被量,并能清楚地摸清道路兩旁的環(huán)境。對于修路,在起伏比較大的地方較能顯示出LIDAR技術(shù)的優(yōu)勢,因為這樣的成本相對較低。
2.2DEM建立
作為4D產(chǎn)品之一,DEM制作方法如下:①利用航空相片,使用全數(shù)字攝影測量的方法制作,優(yōu)點是直觀、速度較快,缺點是精度較差、有死角;②利用高程點和等高線等矢量地圖,通過軟件自動生成,優(yōu)點是速度很快,缺點是受數(shù)據(jù)源精度的嚴(yán)重影響,往往需要人工干預(yù)和再處理;③利用儀器設(shè)備到野外實地采集,優(yōu)點是精度很高,但效率低下,不適合大面積作業(yè),只有在計算土方量時才使用;④利用LIDAR技術(shù)獲取離散點制作DEM。
LIDAR技術(shù)的優(yōu)點:面積大、速度快、精度高;缺點:單次任務(wù)啟動費用大,且需要有空中飛行許可。
(1)面積大。激光掃描儀以每秒10萬個點的速度向地面發(fā)送信號,飛機(jī)的航高不同,地面的掃描走廊也不同,一般幾十米到幾百米,是行高在400m時,直升飛機(jī)的掃描走廊。說明航向與飛行方向垂直,激光掃描儀的掃描軌跡以“之”字形前進(jìn)。
(2)速度快。通常采用固定翼飛機(jī)和直升飛機(jī)進(jìn)行LIDAR數(shù)據(jù)的飛行任務(wù),其數(shù)據(jù)采集的速度與普通的航飛相當(dāng)。但是,由于是主動式的遙感,不需要等天氣,甚至可以夜間飛行,因而相對于常規(guī)的航飛任務(wù)而言,可以大大提高飛行效率,一般幾百平方公里的任務(wù),幾天就可以完成。數(shù)據(jù)的后期處理也非常迅速,在美國,一個熟練的作業(yè)員,每平方公里的數(shù)據(jù)處理只要1個星期。
(3)精度高。由于是直接對地面進(jìn)行測量,只要不被正上空的物體遮擋,激光點都能直接打到地表,這樣激光點在地表的密度就非常大。特別是對于有樹木遮蓋的林區(qū),由于樹蔭和樹葉,用全數(shù)字航測的立體影像方法很難切準(zhǔn)地面或者根本不能看到地面,這種情況用LIDAR采集數(shù)據(jù)就特別有優(yōu)勢。前文提到,精度可以控制在15cm以內(nèi),而且所有的點都可以參加構(gòu)成TIN。
一次飛行的啟動費用為航空攝影測量的缺點,也正是該缺點,使得將來的空間數(shù)據(jù)采集向兩個極端發(fā)展:一是大范圍、高自動化的空中采集;二是小范圍、高精度的地面人工采集。在對城市的測量中,一般會兩種方式結(jié)合采用,以滿足宏觀和微觀的需要。
2.3DOM制作
用LIDAR技術(shù)獲得空間三維離散點數(shù)據(jù)的同時,如果安裝了數(shù)碼相機(jī),也能獲得數(shù)字影像,這種數(shù)字影像與DMC相機(jī)的影像在格式上完全相同,只是像幅較小。由于飛行時相機(jī)的快門與GPS的實時測量同時開啟,因而獲得影像的重疊度比較大,有的地方可以達(dá)到90%以上的四度重疊。常規(guī)航空攝影用的膠片,如果是1∶8000的航片,0.021mm掃描,實地分辨率約為15cm,采用DMC數(shù)碼相機(jī),同樣是1∶8000,實地分辨率有7.2cm。由此可以看出,隨著航空攝影高度的降低和攝影比例尺的增大,獲得的影像圖的分辨率在不斷增加。對于伴隨LIDAR技術(shù)三維數(shù)據(jù)的影像,一般分辨率在10cm之內(nèi)。
用機(jī)載三維掃描儀的數(shù)據(jù)制作正射影像有以下幾個特點:①生成速度快,可以生成真正射。通??梢宰詣踊虬胱詣舆x擇影像的連接點,然后全自動生成正射影像,通過人為引入建筑物的矢量數(shù)據(jù),直接生成真正射,這對制作三維大場景十分重要;②分辨率高,5cm/象元。在用LIDAR技術(shù)獲取數(shù)據(jù)時,一般航飛的高度低于1000m,這樣拍攝的影像分辨率很大,可以控制在10cm之內(nèi),用分辨率為5cm的影像作三維場景的地表,基本上能夠滿足人們視覺上的需要;③絕對精度好。因為DEM的精度好,所以DOM的精度也隨之提高,在技術(shù)層面上,所采用的方法與現(xiàn)在流行的糾正算法相同;④影像拼接較差,色彩過渡不好。
這是自動制作DOM不可避免的缺點。雖然數(shù)據(jù)處理軟件可以自動校正色差、亮度,但如果測區(qū)過大,并不能達(dá)到令人滿意的效果。若是在城區(qū),房屋影像的拼接也是一個問題。
3、LIDAR技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用
LIDAR技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中,如林業(yè)、水利電力設(shè)計、交通設(shè)計規(guī)劃、城市規(guī)劃以及軍事等各大領(lǐng)域可得到廣泛應(yīng)用。
軍事應(yīng)用上,機(jī)載LIDAR在戰(zhàn)場偵察、大氣探測、跟蹤及火控、水下探測、武器鑒定、指揮引導(dǎo)、障礙回避等多方面都可得到廣泛應(yīng)用。
林業(yè)管理上,可根據(jù)LIDAR數(shù)據(jù),分析森林植被的覆蓋率和覆蓋面積,掌握植被疏密程度、年長樹木及年幼樹木各自覆蓋率,估算出森林總占地面積、樹木均高及木材量。這對人們的伐木及植樹事業(yè)具有一定的科學(xué)指導(dǎo)性意義,且便于相關(guān)部門進(jìn)行調(diào)控。
電力輸送上,可有效助力電網(wǎng)的布設(shè)與維護(hù)管理工作。在進(jìn)行電力線路設(shè)計時,通過LIDAR數(shù)據(jù)可以了解整個線路設(shè)計區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素情況。尤其是在樹木密集處,可以估算出需要砍伐樹木的面積和木材量。在進(jìn)行電力線搶修和維護(hù)時,根據(jù)電力線路上的LIDAR數(shù)據(jù)點和相應(yīng)的地面裸露點的高程可以測算出任意一處線路距離地面的高度,這樣便于搶修和維護(hù)。
交通管線設(shè)計上,LIDAR技術(shù)為公路、鐵路設(shè)計提供了高精度的地面高程模型DEM,以方便線路設(shè)計和施工土方量的精確計算。同樣,其在進(jìn)行通訊網(wǎng)絡(luò)、油管、氣管線路設(shè)計時具有重要的應(yīng)用價值。
數(shù)字城市項目上,將高精度的LIDAR數(shù)字地面模型DEM與GIS系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合,可以建立并完善“數(shù)字城市”系統(tǒng),實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時更新。
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