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機(jī)載LiDAR技術(shù)在城市3D數(shù)字產(chǎn)品中的應(yīng)用

發(fā)布日期:2018-06-21 00:00 瀏覽量:8390

  引言

  機(jī)載激光雷達(dá) (AirborneLightDetectionAnd Ranging,簡記為LiDAR),是集激光掃描、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)于一體的空間測量技術(shù),能夠快速、精確地獲取地表信息。與傳統(tǒng)航測相比,機(jī)載LiDAR具有速度快、精度高、能提供豐富的三維信息等優(yōu)點。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)與數(shù)字航攝儀、機(jī)載GPS及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合,使用大容量高速計算機(jī),經(jīng)過專用軟件處理,可快速完成數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)及數(shù)字表面模型(DSM)的大規(guī)模生產(chǎn)。LiDAR數(shù)據(jù)的平面精度可以達(dá)到0.2m,高程精度可達(dá)到0.1m。


  近10年以來,LiDAR硬件設(shè)備已經(jīng)成熟和穩(wěn)定,并且性能越來越優(yōu)化;針對LiDAR數(shù)據(jù)的處理軟件已基本成熟;并已投入商業(yè)應(yīng)用。LiDAR的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)展和深化,已經(jīng)成功的應(yīng)用于大比例尺DEM、DSM、DOM制圖、電力和公路選線、城市規(guī)劃、森林調(diào)查、災(zāi)害災(zāi)情監(jiān)測、三維數(shù)字城市建設(shè)等行業(yè)領(lǐng)域。


  1.LiDAR系統(tǒng)構(gòu)成、定位原理及應(yīng)用

  1.1 LiDAR系統(tǒng)構(gòu)成

  LiDAR系統(tǒng)主要如下幾部分構(gòu)成:

 ?、臛PS:根據(jù)地面基站及機(jī)載GPS快速確定空中飛機(jī)的三維坐標(biāo);

 ?、艻NS:慣性測量系統(tǒng),用于確定飛機(jī)的空中姿態(tài);

 ?、羌す鈷呙铚y距系統(tǒng):測量空中點至地面的距離

 ?、瘸上裱b置(CCD數(shù)碼相機(jī)):獲取所經(jīng)地面的影像,用于制作地面正射數(shù)字影像;

 ?、晒ぷ髌脚_:可攜帶上述裝置的飛行器。


  1.2 LiDAR定位原理

  機(jī)載LiDAR定位原理:設(shè)空間有一向量S,其模為S,方向為(φ,ω,κ),若能測出該向量起點Os的坐標(biāo)(Xs,Ys,Zs),則此向量的另一端點Ps的坐標(biāo)(Xs,Ys,Zs)便可唯一確定。對機(jī)載系統(tǒng)而言,起點Os為遙感器光學(xué)系統(tǒng)的投影中心,其坐標(biāo)可利用動態(tài)差分GPS求出,向量S的模S是由激光測距系統(tǒng)測定的機(jī)載激光測距儀測理投影中心到地面激光腳點之間的距離,姿態(tài)參數(shù)(φ,ω,κ)可以利用高精度的姿態(tài)測量裝置進(jìn)測量獲取。其中一些系統(tǒng)參數(shù),主要包括激光測距光學(xué)投影中心相對于天線相位中心的偏差;激光掃描器的安裝角,即傾斜角、仰俯角和航偏角;IMU(慣性測量單元)相對于GPS的位置偏差及IMU機(jī)體同載體坐標(biāo)軸系之間的不平行等項參數(shù),需要通過一定的檢校方法確定。


  2.LiDAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

  利用系統(tǒng)自帶的隨機(jī)軟件,可以對飛機(jī)GPS軌跡、飛行姿態(tài)、測光測距等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到各測點的三維無屬性的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù),即所謂的“點云數(shù)據(jù)”。LiDAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理即是對上述的“點云數(shù)據(jù)”進(jìn)行分類處理,根據(jù)不同的需要,按一定的分類原則,提取相關(guān)的信息,形成用途各異的數(shù)字產(chǎn)品。


  TerraSolid是用于對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的專用軟件。該軟件具有可顯示3維點數(shù)據(jù),可任意定義點的類型,可手動或自動分類點,進(jìn)行點位抽稀,提取關(guān)鍵點,在激光點上數(shù)字化特征地物,并能與攝影測量影象數(shù)據(jù)融合,可輸出分類后的激光點和高程模型等功能。


  在3D城市數(shù)字化產(chǎn)品制作中,TerraSolid主要用于構(gòu)建地面高程數(shù)據(jù)(DEM)和數(shù)字表面模型(DSM),并結(jié)合影象數(shù)據(jù)生成數(shù)字正射圖(DOM


  3.3D數(shù)據(jù)數(shù)字產(chǎn)品制作

  現(xiàn)以某濱海城市為例介紹3D數(shù)據(jù)數(shù)字產(chǎn)品制作過程。利用機(jī)載Lidar設(shè)備飛行采集的原始點云、數(shù)碼航片、航跡信息等數(shù)據(jù)通過影像調(diào)色、數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云分類、空三加密、拼接線修改、圖幅裁切等一系列處理,生產(chǎn)出符合相應(yīng)比例尺國家標(biāo)準(zhǔn)的DEM、DSM、DOM成果及建筑物體框模型。


  3.1 DSMDEM制作流程:

  3.1.1對激光點三維數(shù)據(jù)進(jìn)行地表和地面激光點的分類處理。

  3.1.2生成粗imagelist,直接利用未空三加密的imagelist文件快速生成粗?jǐn)?shù)字正射影像。

  3.1.3參考粗?jǐn)?shù)字正射影像,對分類后的激光點三維數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,糾正前期分類錯誤的激光點。

  3.1.4對地面激光點構(gòu)建三角網(wǎng)模型,按2.5和0.8米的格網(wǎng)間距分別內(nèi)插為1:2000比例尺數(shù)字高程模型;對地面和建筑物、樹木、橋梁地上構(gòu)建物等對應(yīng)的所有激光點構(gòu)建三角網(wǎng)模型,按2.5和0.8米的格網(wǎng)間距內(nèi)插為1:2000比例尺數(shù)字表面模型。


  3.2 DOM制作流程

  3.2.1原始航片調(diào)色、勻色。

  3.2.2 POS輔助空三加密,添加連接點。集成后的大區(qū)域空三加密時,平原地區(qū)要求公共點較差中誤差在0.1米以內(nèi)、最大誤差0.2米。山地要求公共點較差中誤差在0.13米以內(nèi)、最大誤差0.26米以內(nèi);還未集成的小區(qū)域空三加密時,平原和山地的公共點較差可在以上基礎(chǔ)上放寬一倍。

  3.2.3 通過生成的連接點文件,對原始影像的三個角度外方位元素進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

  3.2.4 對正射糾正的影像進(jìn)行拼接線修改和優(yōu)化,使不同航片在接邊處不穿過建筑物、樹木等非地面地物,保證地物影像的完整、自然。

  3.2.5 在拼接線處對影像進(jìn)行色調(diào)修改和平衡,使整幅正射影像色調(diào)自然、均勻。

  3.2.6對專用軟件生成的數(shù)字正射影像進(jìn)行架空橋梁等地物出現(xiàn)的拉花、錯位、變形等情況的修正,并提交最后數(shù)字正射影像成果。


  4. 結(jié)語

  機(jī)載雷達(dá)(LiDAR)系統(tǒng)以其方便、快捷和高效的3維數(shù)據(jù)獲取技術(shù),具有十分廣泛的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)在城市3D數(shù)字產(chǎn)品的制作中,可快速獲取符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的DEMDSM、DOM產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程相比,采用該技術(shù)具有處理區(qū)域范圍大、成圖周期短、成圖精度高和生產(chǎn)成本相對較低等特點,具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。隨著LiDAR技術(shù)硬件系統(tǒng)的進(jìn)一步的發(fā)展和分類技術(shù)研究的不斷推進(jìn),該技術(shù)將在我國城市信息化建設(shè)中,發(fā)揮重要的作用。


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