機載激光雷達(Lidar)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理

　　近年來，網(wǎng)絡通訊技術、計算機技術、激光測距技術及GPS技術等技術的不斷發(fā)展成熟，機載激光雷達技術正蓬勃發(fā)展，歐美等一些發(fā)達國家逐步研制出很多種機載激光雷達測量系統(tǒng)，它的應用已超國遙感所覆蓋的范圍和傳統(tǒng)測量，成為一種特有的數(shù)據(jù)獲取方式。

　　一、機載激光雷達

　　機載激光雷達是導航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)以及激光慣性3種技術集于一身的空間測量系統(tǒng)。此系統(tǒng)是將慣性導航系統(tǒng)、激光掃描儀、GPS接受機、數(shù)碼相機以及控制元件等搭載在載體的飛機之上。它主動朝地面發(fā)射激光脈沖，接受反射脈沖并對所使用的時間及時記錄，計算出激光掃描儀距離地面的距離，POS系統(tǒng)所測得的姿態(tài)信息和位置能夠計算出地面點的三維坐標。

　　比較傳統(tǒng)的攝影測量，激光雷達可以進行直接獲取目標的三維信息，數(shù)據(jù)到有用信息的過程得以縮短。激光雷達的明顯特征是激光能夠穿透植被的葉面抵達地表，同時獲取植被和地面的信息，探測細小目標也可以被探測到，從而獲取的數(shù)據(jù)信息豐富，目前來說是其他技術所不及的。

　　二、數(shù)據(jù)的采集

　　1、數(shù)據(jù)采集前準備工作

　　在數(shù)據(jù)采集之前需要進行多方面詳細周密的準備工作，其中主要包括選擇檢校場、設計航線、申請空域和布設地面基準站。

　　2、申請空域

　　在任何一個航攝任務執(zhí)行前要按照規(guī)定向有關部門提出空域取得航飛權的申請。在航飛權期間挑選最好的天氣飛行，這樣可以使拍攝影像的質(zhì)量得到保證。

　　3、航線設計

　　在對航飛路線設計時，要遵循經(jīng)濟、周密、安全和高效的原則，選則專門的航飛設計軟件來對飛行路線進行設計。通常在航線設計時，要參考小比例尺的二維平面地形圖，綜合的進行測區(qū)的地貌、地形、機載激光雷達設備的參數(shù)（掃描角、相機鏡頭焦距、掃描頻率等）天氣條件（霧、云、煙塵、降雨等等）航帶重疊度、航帶寬度和用戶要求的點云密度考慮，設計出符合項目精度要求的航線。設計出良好的航線，能夠在精度要求被滿足的前提下降低成本，節(jié)省飛行時間。

　　3、布設地面基準站

　　在測區(qū)內(nèi)設置一定數(shù)量的GPS基準站，對動態(tài)GPS定位，通常來說基站間距為30～5km。將基站構建成SmarBase網(wǎng)解算GPS數(shù)據(jù)，大氣誤差能夠減小同時也可減小電離層延遲誤差、衛(wèi)星鐘差及軌道差、對流層延遲誤差等等一系列誤差。假如要用這種方法解算GPS數(shù)據(jù)，則布設的GPS基準站就需要包圍整個測區(qū)，間距設置在70km為宜。在測區(qū)中也要布設1～2個基準站，用于在進行數(shù)據(jù)處理之后快速的對所測點云與已知點的絕對誤差進行檢測。

　　檢校場的選擇：在數(shù)據(jù)采集的前后，都要進行對設備的檢校，通常通過處理檢校場數(shù)據(jù)、采集以及安裝軸間精密的偏心角和計算出各儀器之間精密的偏心分量，繼而對整個測區(qū)數(shù)據(jù)糾正系統(tǒng)誤差，使精度提高。

　　IMU的3個角即俯視角、側(cè)滾角、航片角的檢校，地形上要求有一定的坡度，但這個坡度不能太大，同時地形的范圍要大些，以保證航線有足夠長度。通常選擇有山坡、平地、房屋的地區(qū)作為檢校場。在進行飛檢校場時，通常飛“田”字形或者“井”字形。

　　4、采集數(shù)據(jù)

　　在飛機起飛前三十分鐘，將地面基準站上GPS接收機打開，在飛行到測區(qū)之前，將POS系統(tǒng)打開，并靜止一段時間，繼而按著“8”字形飛，在飛完后進行 五分鐘的直飛，從而保證POS系統(tǒng)能夠處于最佳的工作狀態(tài)，然后開始數(shù)據(jù)的采集。在進行數(shù)據(jù)采集時，飛機可以按照設計航線進行自動飛行，相機和掃描儀、POS系統(tǒng)根據(jù)設置的參數(shù)來采集數(shù)據(jù)。采集完數(shù)據(jù)之后再依次直飛五分鐘、倒“8”字形飛、幾分鐘靜止，并關掉POS系統(tǒng)，地面GPS接收機在飛機關掉POS系統(tǒng)之后的三十分鐘再關。

　　假如機場離測區(qū)比較遠，在采集測區(qū)數(shù)據(jù)前后就不用飛倒“8”的字形?？偠灾?，在數(shù)據(jù)采集之前，POS系統(tǒng)要保證處于良好工作狀態(tài)。

　　三、Lidar數(shù)據(jù)的分類處理

　　Lidar數(shù)據(jù)包含許多類型，比如植被、房屋建筑、地表等等，假如要對DTM（數(shù)字地形模型）提取，就必須要分離開地表點和非地表類型點，也就是說要對其進行數(shù)據(jù)分類，目前位置Lidar數(shù)據(jù)點濾波的力法很大一部分都是基于三維激光數(shù)據(jù)腳點中的高程突變信息來進行的，概括來說主要有基于地形坡度濾波，迭代線性最小二乘內(nèi)插法，移動窗口法和移動曲面擬合法等。

　　Lidar數(shù)據(jù)首先通常剔除噪聲點，包括折射等一些會造成的高程異常點，然后采用專業(yè)軟件進行適合的參數(shù)設置，TerraScan軟件是處理地面激光雷達數(shù)據(jù)或者機載的通用軟件包，是根據(jù)窗口移動法來分類提取地面點。

　　坐標轉(zhuǎn)換。利用POS的動態(tài)定位來計算出激光點坐標屬WGS84坐標體系，而大多測區(qū)采用地方坐標系，所以要通過坐標轉(zhuǎn)換來獲取最終的成果，坐標轉(zhuǎn)換包含兩個方面：正常高轉(zhuǎn)換與平面坐標體系的轉(zhuǎn)換。平面坐標體系轉(zhuǎn)換通常情況通過聯(lián)測地方坐標，用七參數(shù)法轉(zhuǎn)換得到，正常高轉(zhuǎn)換是則是根據(jù)測區(qū)的高程控制點擬合的，是大地水準面計算而得到的。

　　四、機載激光雷達技術的優(yōu)勢

　　與傳統(tǒng)航測技術相比，機載激光雷達技術有很大的綜合經(jīng)濟優(yōu)勢和技術優(yōu)勢。

　　1、成果的整體精度更高

　?。?）三維激光點云數(shù)據(jù)是由激光直接進行測量而得到的，傳統(tǒng)的航測本質(zhì)上是根據(jù)有限的幾個像控點依據(jù)航測理論擬合測量。

　?。?）三維激光雷達系統(tǒng)采集的原始點的密度要高于傳統(tǒng)的航測，每平方米平均可達到一個或者是十幾個原始的數(shù)據(jù)點，傳統(tǒng)航測立體像對與模擬技術采集所不能相比的。

　?。?）高程測量精度要比其它測繪方法高，尤其是在對傳統(tǒng)測量手段里存在較大困難的樹木覆蓋的地區(qū)，激光有著比較強的穿透能力，可以獲得到更高精度的地形表面的數(shù)據(jù)。

　　2、生產(chǎn)效率高、工期短

　?。?）航飛的高度比較低，因為是主動發(fā)射激光脈沖測量的，在航飛的過程中受到天氣的影響比傳統(tǒng)航測影響要小很多，適合飛行的天氣比較多。

　?。?）機載Lidar測量技術僅僅只需要少量的人工進行野外測量工作，自動化、智能化的生產(chǎn)水平較高。

　?。?）綜合利用三維激光點云數(shù)據(jù)和二維航空影像數(shù)據(jù)，在內(nèi)業(yè)就能夠清晰判別很大部分的地物，使傳統(tǒng)航測的外業(yè)調(diào)繪工作量大大減少。

　?。?）根據(jù)三維激光點云數(shù)據(jù)能直接并獲得DSM/DEM等成果。

　　3、成果質(zhì)量更加有保障

　　三維激光雷達系統(tǒng)是同時采集數(shù)碼影像、激光點云等許多源原始數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)間能夠彼此互相驗證，而傳統(tǒng)的航測只是采集單影像類的原始數(shù)據(jù)。

　　結語：

　　機載激光雷達系統(tǒng)在以下幾方面的主要應用：

　　1、測制帶狀的地形圖

　　包括測繪道路測量、鐵路線路、道路設計和規(guī)劃、交通運輸、海岸侵蝕監(jiān)測、海岸地帶管理、輸電線路和管理、河道和水資源等等。

　　2、環(huán)境檢測和災害調(diào)查

　　主要適用于自然災害的災后響應與評估。機載激光雷達測量技術能及時、快速并準確地直接服務自然災害評估、管理和監(jiān)測上。在我國去年5.12地震中失事直升機的搜索范圍的圈定，利用的就是機載激光雷達測量技術通過ADS40航空數(shù)碼相機相結合，向難度較高的搜尋工作提供了高精度的、可靠的地形數(shù)據(jù)。

　　3、測繪海岸地區(qū)

　　包括淺海岸侵蝕的動態(tài)、海岸帶測繪、海水深測量的監(jiān)測。機載激光雷達測量技術在這個領域的應用相比較于其他測繪技術是有非常大的優(yōu)勢。

　　4、林業(yè)項目

　　按照機載激光雷達系統(tǒng)測量出的數(shù)據(jù)，對森林樹木的覆蓋面積和覆蓋率進行分析，對樹木的疏密程度進行了解，年長樹木覆蓋的面積與年幼樹木覆蓋的面積。

　　5、城市三維建模

　　城市是GIS研究與應用領域的一個非常重要方面，3d城市模型是很多個應用領域急切需要的，已經(jīng)被廣泛的應用于建筑設計、城市規(guī)劃、無線通訊等一系列領域，比如在城市規(guī)劃中的建筑物地下管線、景觀模擬的3d顯示等問題。機載激光雷達測量能夠提供精確與高密度觀測值，應用前景廣闊。

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