平原地貌地區(qū)城市工程測量中LIDAR數(shù)據(jù)應(yīng)用

　　機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)（Light Detection And Ranging，簡稱LIDAR），也叫機(jī)載激光雷達(dá)，是一種安裝在飛機(jī)上的機(jī)載激光探測和測距系統(tǒng)，它集成了激光掃描儀、差分GPS系統(tǒng)、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性量測單元，用以量測飛機(jī)平臺的飛行姿態(tài)）、數(shù)碼相機(jī)。在動態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)和IMU的支持下，激光掃描系統(tǒng)通過激光掃描器和距離傳感器，經(jīng)由微計算機(jī)對測量資料進(jìn)行內(nèi)部處理，顯示或存儲、輸出距離和角度等資料，并與距離傳感器獲取的數(shù)據(jù)相匹配，經(jīng)過相應(yīng)軟件進(jìn)行一系列處理來獲取被測目標(biāo)的表面形態(tài)和三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行各種量算或建立立體模型。

　　在過去十年，機(jī)載LIDAR作為精確、快速的獲取地面三維數(shù)據(jù)的工具已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)同。至2004年全球已經(jīng)有超過30類不同型號的激光掃描系統(tǒng)投放市場。加拿大Optech公司生產(chǎn)的ALTM和SHOALS、美國Leica公司的ALS50、瑞典的TopoEye AB公司生產(chǎn)的TopEye、德國IGI公司的LiteMapper、法國Toposys公司的FalconⅡ等是當(dāng)前較成熟的商業(yè)系統(tǒng)。

　　1 LIDAR數(shù)據(jù)獲取 的基本原理

　　當(dāng)機(jī)載LIDAR航攝飛行時，激光掃描儀發(fā)射、接收激光束，對地面進(jìn)行線狀掃描，與此同時，動態(tài)GPS系統(tǒng)確定傳感器的空間位置（經(jīng)緯度），IMU測量飛機(jī)的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，即滾動、仰俯和航偏角。由于系統(tǒng)的幾個部分同步工作并集成于一體，GPS 和IMU的數(shù)據(jù)融合極為方便，所以經(jīng)后期地面數(shù)據(jù)處理后，即可獲取地面的三維數(shù)據(jù)。

　　2 LIDAR數(shù)據(jù)的獲取和處理

　　2.1 LIDAR設(shè)備選擇

　　在某市1∶500比例尺地形測量項目中，高程精度的要求優(yōu)于0.15 m，我們選擇了加拿大Optech公司的ALTM3100。基于30年的LIDAR生產(chǎn)經(jīng)驗，新一代的ALTM-3100采樣頻率高達(dá)100 kHz，1200 m航高以下高程精度達(dá)到0.15 m，平面精度可以達(dá)到航高的1/3000，能夠滿足設(shè)計需求。

　　2.2 航攝高度和飛行時間的選擇

　　LIDAR數(shù)據(jù)的精度與航攝高度有關(guān)，本攝區(qū)航攝的目的是為1∶500基礎(chǔ)測繪數(shù)字產(chǎn)品提供高程數(shù)據(jù)，為確保測繪成果的質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和ALTM-3100的性能規(guī)格，以及飛機(jī)性能和攝區(qū)對航高的約束條件，設(shè)計飛行高度為800 m。

　　LIDAR系統(tǒng)是一個先進(jìn)的主動傳感系統(tǒng)，它不依賴太陽光照，所以在獲取地面三維信息時可以考慮夜航。飛行作業(yè)中，需根據(jù)測區(qū)內(nèi)實際星歷數(shù)據(jù)情況，選擇避開GPS信號較弱時段。為了避免植被，尤其是農(nóng)作物對真實地面的干擾，建議選擇秋冬季節(jié)進(jìn)行航飛。所以測區(qū)的航攝時間選擇在當(dāng)年10月至次年1月間，并且增加了夜航。

　　2.3 LIDAR數(shù)據(jù)的獲取

　　該1∶500地形測量項目共涉及飛行11個架次，其中1個架次為檢校場飛行，用于ALTM-3100系統(tǒng)檢校，其他10個架次為測區(qū)航攝飛行。全測區(qū)面積810 km2，航線總計81條，總長2613.5 km2，飛行高度800 m，有效飛行時間為29小時30分。激光掃描儀脈沖頻率100 kHz，掃描頻率43 Hz，掃描角度21°，旁向重疊率30%，激光點(diǎn)地面點(diǎn)間距0.52 m。

　　2.4 LIDAR數(shù)據(jù)的處理

　　LIDAR航攝飛行結(jié)束后，要盡快對航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性評價，決定是否需要補(bǔ)飛或重飛，進(jìn)而解算激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類處理。

　　2.4.1 LIDAR數(shù)據(jù)處理流程

　　原始數(shù)據(jù)解碼：原始采集的激光數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)（定位定向數(shù)據(jù)，包括DGPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)）需要進(jìn)行解碼，從而獲得GPS文件，IMU文件，激光點(diǎn)文件等；POS數(shù)據(jù)處理：機(jī)載POS與地面基站GPS進(jìn)行差分和融合，獲得精確坐標(biāo)；激光數(shù)據(jù)處理：處理后的POS數(shù)據(jù)與激光點(diǎn)數(shù)據(jù)融合，獲得地面坐標(biāo)；輸出激光點(diǎn)文件。

　　2.4.2 LIDAR數(shù)據(jù)處理說明

　　解算原則，方法：實際解算，采用多邊形范圍輸出，以單條航線存儲為一個激光點(diǎn)文件；坐標(biāo)系統(tǒng)，采用WGS84橢球，UTM投影坐標(biāo)系；POS處理說明：處理基站時，使用某市所在省份的GPS控制網(wǎng)，并同時保證機(jī)場附近架設(shè)一個基站，由觀測手簿獲得基站坐標(biāo)及天線高；使用基站時，盡可能多的使用離測區(qū)范圍最近的所有基站。航帶重疊處理：航線與航線之間重疊的部分，根據(jù)航線，將重疊部分的數(shù)據(jù)劃分出去，減小數(shù)據(jù)量。

　　2.4.3 LIDAR數(shù)據(jù)分類處理

　　LIDAR數(shù)據(jù)包括很多類型，例如房屋建筑、植被、水體、地表、管線等，如果要提取DTM（Digital Terrain Model，數(shù)字地形模型），就必須將非地表類型點(diǎn)和地表點(diǎn)分離開，也就是要進(jìn)行數(shù)據(jù)分類。目前基于LIDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)濾波的方法絕大部分都是基于三維激光數(shù)據(jù)腳點(diǎn)的高程突變等信息進(jìn)行的，概括來講主要有移動窗口法，迭代線性最小二乘內(nèi)插法，基于地形坡度濾波和移動曲面擬合法等幾種。

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