摘 要:針對現(xiàn)有偵察手段偵察信息數(shù)據(jù)獲取速度慢，處理過程復(fù)雜的問題，運(yùn)用機(jī)載激光雷達(dá)偵察方法能夠較大提高工程偵察效率。建立激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的流程圖，數(shù)據(jù)在采集后需要進(jìn)一步處理才能成為能夠應(yīng)用的成果，這一過程一般分為數(shù)據(jù)前處理與數(shù)據(jù)后處理，通過數(shù)據(jù)加工處理生成常見的DEM和DOM成果，能夠快速實現(xiàn)戰(zhàn)場信息的數(shù)字化，在工程偵察應(yīng)用中具有重要的作用。

關(guān)鍵詞:激光掃描; 數(shù)據(jù)處理; 工程偵察; 機(jī)載雷達(dá)

中圖分類號:TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0047-04

Application of Airborne Radar in Project Reconnaissance

WANG Wei， GAO Jie

(Engineering Institute of Engineering Corps， PLA University of Sci. Tech.， Nanjing 210007， China)

Abstract: Since the data acquisition of the reconnaissance information in the existing reconnaissance means is slow and the processing course is complex， the airborne LIDAR method which can improve the project reconnaissance efficiency is proposed. The flow chart of LIDAR data processing is presented. The common DEM and DOM accomplishment generated after the data processing can realize the digitlization of the battlefield information quickly， which has the important effect in the project reconnaissance.

Keywords: laser scanning; data processing; project reconnaissance; airborne radar

0 引 言

激光雷達(dá)掃描得到的數(shù)據(jù)作為未來偵察信息的重要來源之一，在主要軍事強(qiáng)國得到了大量的應(yīng)用。它具有偵察數(shù)據(jù)量大、戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)采集快的優(yōu)點。然而這些數(shù)據(jù)并不能直接為我們服務(wù)，對于如何處理這些龐大的數(shù)據(jù)，進(jìn)而滿足作戰(zhàn)需求就顯得尤為重要。通過激光掃描數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)戰(zhàn)場目標(biāo)偵察數(shù)字化，增強(qiáng)戰(zhàn)場監(jiān)控能力和快速獲取戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息，為工程保障提供可靠戰(zhàn)場信息有著重大的意義。本文重點介紹了機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)處理的一般方法，結(jié)合戰(zhàn)場數(shù)據(jù)需求對其在工程偵察的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 數(shù)據(jù)處理

一般來說，對于機(jī)載激光原始數(shù)據(jù)的處理過程分為數(shù)據(jù)前處理與數(shù)據(jù)后處理，具體說來，包括POS數(shù)據(jù)解算、激光腳點三維坐標(biāo)計算、激光點云數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)濾波與分類、數(shù)字高程模型DEM生成、正射影像制作、建筑物三維重建以及地物提取等過程。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)前處理

機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)采集得到的原始數(shù)據(jù)包括:

(1) 原始激光點云數(shù)據(jù)，由激光掃描儀采集得到;

(2) 原始數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，由數(shù)碼相機(jī)拍攝采集得到;

(3) 慣性導(dǎo)航儀(IMU)數(shù)據(jù);

(4) 機(jī)載GPS數(shù)據(jù);

(5) 地面基站GPS數(shù)據(jù)。

原始激光數(shù)據(jù)僅包含每個激光的發(fā)射角、測量距離、發(fā)射率等信息，原始數(shù)碼影像也只是普通的數(shù)碼影像，都沒有坐標(biāo)、姿態(tài)等空間信息。只有在經(jīng)過數(shù)據(jù)前處理(也稱為數(shù)據(jù)預(yù)處理)后，才完成激光和影像數(shù)據(jù)的“大地定向”，只有空間坐標(biāo)和姿態(tài)等信息。

原始激光點云數(shù)據(jù)的大地定向包括數(shù)據(jù)定位和定向兩大內(nèi)容，需要用到機(jī)載GPS觀測數(shù)據(jù)、地面基站的GPS觀測數(shù)據(jù)、IMU記錄的姿態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)(IMU，激光掃描儀、相機(jī)之間的相對位置及姿態(tài)參數(shù))等。

2.1 激光點云數(shù)據(jù)定位

機(jī)載三維激光掃描在采集數(shù)據(jù)的過程中，GPS天線同步記錄的坐標(biāo)信息會受到對流層延遲誤差、電離層延遲誤差衛(wèi)星星歷誤差及多路徑效應(yīng)等誤差的影響要消除或減小這些誤差的影響，才能提高定位精度。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程

消除上述誤差通常采用的方法有兩種:一種為精密單點定位;一種為雙差分定位。

精密單點定位又稱為絕對定位，即利用GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)之間的為距觀測值，確定測站在WGS84坐標(biāo)系中的位置。使用精密單點定位方法時精密星歷和鐘差文件是必需的，可以直接從網(wǎng)站上進(jìn)行免費(fèi)下載。使用單點定位最大的優(yōu)勢是不用布設(shè)地面基站，這樣就可以節(jié)省許多人力、物力，但單點定位的精度劣于差分定位精度，在精度要求不高的情況下可以使用。

DGPS雙差分定位可以保證比較高的定位精度，該方法是在地面布設(shè)基準(zhǔn)站，與機(jī)載GPS裝置進(jìn)行同步觀測，用基準(zhǔn)站測定具有空間相關(guān)性的誤差或其對測量定位結(jié)果的影響，供機(jī)載GPS裝置改正其觀測值或定位結(jié)果。

基站布設(shè)的多少和位置根據(jù)測區(qū)大小、地形及數(shù)據(jù)精度要求等具體確定，不同的要求需對應(yīng)布設(shè)不同個數(shù)的地面基站。一般情況下，為保證儀器工作的同步性及初始化精度，機(jī)場需布設(shè)一個基站，若測區(qū)面積較小且距離機(jī)場較近，在機(jī)場布設(shè)一個基站基本可以滿足生產(chǎn)需要。但有些項目，例如電力巡線或選線項目中，作業(yè)區(qū)域為條帶狀，且地形多為山地，一般情況下離機(jī)場較遠(yuǎn)，此時需在測區(qū)增設(shè)一個或多個地面基站。由于地勢崎嶇，地面基站布設(shè)難度較大，所以在考慮保證數(shù)據(jù)精度的同時也要考慮盡量減少外業(yè)工作量。

DGPS雙差分定位方法也可以聯(lián)合精密星歷和鐘差文件，定位精度較高。實際生產(chǎn)中一般使用這種定位方法。

2.2 激光點云數(shù)據(jù)定向

無論通過單點定位還是雙差分定位得到的都是GPS接收裝置處的坐標(biāo)信息，而最終需要的是激光掃描儀處的坐標(biāo)信息，所以還需要根據(jù)GPS天線的偏心分量和掃描儀的偏心分量計算激光掃描儀的坐標(biāo)信息。一般情況下，只要重新安裝設(shè)備，GPS天線的偏心分量都會有變化，每次都需要重新測量。而掃描儀的偏心分量比較固定，檢測期內(nèi)，使用廠家提供的檢測值即可。

IMU與激光掃描儀的相對位置參數(shù)由廠家提供，聯(lián)合定位信息可以得到激光掃描儀的航跡文件，包含激光掃描儀在各個GPS采樣時間的位置信息、姿態(tài)信息及速度。

根據(jù)激光掃描儀的航跡文件，為每個激光點在WGS84坐標(biāo)系下賦坐標(biāo)值，即激光數(shù)據(jù)的大地定向。大地定向后的激光數(shù)據(jù)，可以通過專業(yè)軟件打開瀏覽，因每個激光點都已有坐標(biāo)屬性，以高程顯示的激光數(shù)據(jù)已能比較清晰地看出地面起伏及地物情況。

2.3 激光點云數(shù)據(jù)的檢校

在航飛過程中，IMU和激光掃描儀的相對姿態(tài)可能會發(fā)生微小的變化，從而對激光數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，為消除這種影響，通常要對大地定向后的激光數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。若數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，則可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)加工;若數(shù)據(jù)存在問題，則需對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校。

數(shù)據(jù)檢校參數(shù)通常是指偏心角分量:側(cè)滾角(Roll)俯仰角(Pitch)和航偏角(Heading)的偏心角分量。

由于大量數(shù)據(jù)同時運(yùn)行速度較慢，實際生產(chǎn)中，為較快地得到較好的檢校參數(shù)，通常的做法是，首先在檢校場數(shù)據(jù)中選擇一塊典型地形的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校，得到理想的檢校參數(shù)后運(yùn)用在整個檢校場，若還有問題，經(jīng)過微調(diào)即可以得到一組檢校參數(shù)，將該組檢校參數(shù)運(yùn)用在整個測區(qū)，即可以實現(xiàn)對測區(qū)激光數(shù)據(jù)的檢校。經(jīng)過檢校的激光數(shù)據(jù)，不同航帶、不同架次的數(shù)據(jù)都能很好地匹配，由此便可以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

2.4 激光點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

檢校后的激光點云數(shù)據(jù)為WGS84坐標(biāo)系，國內(nèi)客戶要求的成果坐標(biāo)一般為工程坐標(biāo)系，工程平面坐標(biāo)系通常指北京54坐標(biāo)系、西安80坐標(biāo)系或當(dāng)?shù)鬲?dú)立坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)則指1956黃海高程系統(tǒng)、1985國家高程系統(tǒng)或地方獨(dú)立高程系統(tǒng)。

完成兩個坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，首先需要具有控制點在兩套坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)(例如WGS84坐標(biāo)及北京54坐標(biāo))，求出轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后將轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)用于激光數(shù)據(jù)，完成激光數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的激光數(shù)據(jù)即為工程坐標(biāo)系，基于此而生產(chǎn)的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)等數(shù)字產(chǎn)品也在工程坐標(biāo)系下。

平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通常使用的是布爾莎七參數(shù)法，平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程圖如圖2、圖3所示。高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換比較簡單，根據(jù)控制點在兩套坐標(biāo)系統(tǒng)的高程，求得高程異常，應(yīng)用于激光數(shù)據(jù)便可以實現(xiàn)激光數(shù)據(jù)的高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

激光數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以在檢校后進(jìn)行，也可以在激光數(shù)據(jù)分類后進(jìn)行或不對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換而直接轉(zhuǎn)換至成果的坐標(biāo)系統(tǒng)，這些都是可行的。目前比較成熟的做法為:激光數(shù)據(jù)檢校后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將激光數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換至成果要求的工程坐標(biāo)系下，再進(jìn)行數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)，這樣基于激光數(shù)據(jù)生產(chǎn)的所有產(chǎn)品都是工程坐標(biāo)系，避免了其他轉(zhuǎn)換方法中可能需要進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換的麻煩。

圖2 平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程(一)

圖3 平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程(二)

2.5 確定影像外方位元素

相機(jī)與激光掃描儀的相對位置參數(shù)由廠家提供，聯(lián)合定位信息可以得到相機(jī)的航跡文件，包含相機(jī)在各個GPS采樣時間的位置信息、姿態(tài)信息及速度。初始航跡文件在WG584坐標(biāo)系下，可以根據(jù)生產(chǎn)需要將航跡文件轉(zhuǎn)換至相應(yīng)工程坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換方法與激光數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法相同。

根據(jù)儀器記錄的曝光點信息及原始影像的編號可以得到每幅原始影像的曝光時間，以GPS時間表示。由此相機(jī)航跡文件與原始影像的曝光時間文件相結(jié)合便可以得到每幅原始影像的外方位元素[1]。

3 數(shù)據(jù)后處理

在數(shù)據(jù)前處理上作得到成果，包括經(jīng)大地定向后的激光數(shù)據(jù)和經(jīng)計算得到的影像外方位元素基礎(chǔ)上，即可以正式進(jìn)行常見的DEM和DOM成果數(shù)據(jù)的加工生產(chǎn)，這一過程稱為數(shù)據(jù)后處理。

3.1 激光數(shù)據(jù)分類及DEM制作

經(jīng)過預(yù)處理的激光地表數(shù)據(jù)及激光地物數(shù)據(jù)都在同一層。需要提取出純地表數(shù)據(jù)方能生成DEM。經(jīng)過分類，將建筑物、植被等非地表數(shù)據(jù)放在其他層里面，純地表數(shù)據(jù)就被分離出來。經(jīng)過分類的純激光地表數(shù)據(jù)是具有三維坐標(biāo)值的離散點，構(gòu)TIN后即可以按規(guī)定格網(wǎng)生成DEM。

正常情況下解作生成的DEM成果只包含純地表數(shù)據(jù)，但由于激光掃描數(shù)據(jù)分類及生成DEM的方式方便快捷，所以也可以根據(jù)客戶的應(yīng)用需求，將感興趣的地物與地表數(shù)據(jù)一起生成DEM，以達(dá)到特殊應(yīng)用的目的。激光數(shù)據(jù)的可視性強(qiáng)，因而可以將不同的地物分類在不同的層里，按層顯示時能清楚地看到地物構(gòu)成情況;經(jīng)過精細(xì)分類的激光數(shù)據(jù)，去除噪點后，可以保留所有要素生成數(shù)字地表模型(DSM)。

3.2 影像數(shù)據(jù)處理及DOM制作

通過對原始影像進(jìn)行預(yù)處理，已經(jīng)得到了每幅原始影像的外方位元素。激光掃描測量系統(tǒng)中影像的內(nèi)方位元素已知，由此便可以完成影像的相對定向和絕對定向，從而生成正射影像。

然而由預(yù)處理后得到的外方位元素精度可能達(dá)不到生產(chǎn)要求，需要進(jìn)行進(jìn)一步的糾正，一般通過找影像連接點的方式進(jìn)行。

根據(jù)與影像對應(yīng)的純地表激光數(shù)據(jù)找連接點，所謂的連接點為兩幅有重疊影像上的同名點，一般每兩幅有重疊的影像需保證至少4個連接點，而實際生產(chǎn)中為保證產(chǎn)品質(zhì)量，通常需保證至少8個連接點，所有連接點都必須是地面點且分布均勻，根據(jù)影像連接點重新計算影像外方位元素，使用理想的外方位元素進(jìn)行正射影像的生產(chǎn)。

4 在工程偵察中的應(yīng)用

利用機(jī)載激光掃描產(chǎn)生的DEM，可以快速地生成戰(zhàn)場三維數(shù)字地圖。典型的一套機(jī)載激光掃描系統(tǒng)可以在4 h內(nèi)用一架固定翼飛機(jī)完成長30 km、寬10 km區(qū)域的勘測。其垂直精度可達(dá)15 cm，平均點距為1.5 m，合計記錄了15 300 000個反映詳細(xì)地形和地物的數(shù)據(jù)點\\。

4.1 生成的DEM，DSM數(shù)據(jù)類型功能

(1) 所選位置坐標(biāo)查詢:實時顯示鼠標(biāo)選中點的地理坐標(biāo)和高程;

(2) 最佳渡場開設(shè)位置:對河流區(qū)域進(jìn)行掃描，系統(tǒng)對掃描點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析出適合開辟渡場位置，計算出最短路徑，確定最佳點;

(3) 距離、面積量算:地圖上兩點的距離包括水平距離、直線距離、高差和地表距離;面積包括圖上面積和地表面積;

(4) 空間分析及應(yīng)用:目標(biāo)性質(zhì)、種類、具體位置和特點等;

(5) 地理信息數(shù)據(jù)庫\\:建立了完備的戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)庫，以備指揮員決策使用。

4.2 工程偵察專題功能

機(jī)載激光掃描法相比于傳統(tǒng)的電子速測法，作業(yè)半徑更廣、更深，速度更快，效率也更高。傳統(tǒng)工程兵道路、橋梁、筑城、地雷、爆破、渡河、偽裝、給水等作業(yè)任務(wù)都需要戰(zhàn)場高分辨率的戰(zhàn)場三維景觀信息的支撐，機(jī)載激光掃描正是適應(yīng)的這一需要。

(1) 工程實體目標(biāo)建模功能:工程實體目標(biāo)是指工程兵部(分)隊工程作業(yè)的對象。工程實體信息模型是指滿足工程保障作業(yè)戰(zhàn)術(shù)計算所需要的工程實體目標(biāo)情報信息的集合?；跈C(jī)載激光掃描的DEM，DSM能夠生成相應(yīng)的工程實體目標(biāo)三維建模功能。

(2) 輔助分析功能:掃描生成工程作業(yè)區(qū)域的三維實物景觀;采集工程作業(yè)實體目標(biāo)信息，并進(jìn)行各種分析、評估等，之后確定改進(jìn)、改造、調(diào)整、規(guī)劃、再設(shè)計搶修的方案及對策。

(3) 工程作業(yè)規(guī)劃與配置功能:將建立的工程實體三維模型在掃描生成工程作業(yè)區(qū)域的三維實物景觀中進(jìn)行規(guī)劃和配置，可以對工程作業(yè)情況進(jìn)行仿真和演示。

(4) 空中偵察與地面?zhèn)刹煜鄥f(xié)調(diào)。大區(qū)域范圍的工程作業(yè)區(qū)域的三維實物景觀則由機(jī)載空中激光掃描生成，小面積的工程作業(yè)區(qū)域的三維實物景觀可以由地面掃描生成，兩者相互補(bǔ)充，能滿足快速性、高分辨率等特殊需要。

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