駱云飛，王書民

(首都師范大學三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京100048)

一、引 言

機載LiDAR自西方興起到現(xiàn)在已有20年的歷史，隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)以及通信技術(shù)的快速發(fā)展，機載LiDAR系統(tǒng)也有了長足的發(fā)展并且日趨成熟。特別是與慣性測量單元和差分GPS定位技術(shù)結(jié)合后，顯示出傳統(tǒng)航空攝影測量和地面測量無法取代的優(yōu)勢，它可以實現(xiàn)空間三維信息快速、全面、準確的獲取，并可以和其他航拍系統(tǒng)集成，從而實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)交互融合，激光點的穿透特性更是讓其他測量手段捉襟見肘。在歐美國家，機載LiDAR早已成為高效率獲取空間數(shù)據(jù)的研究熱點，并且廣泛應用在交通、水利、林業(yè)、國土、各類線路、數(shù)字城市建設領(lǐng)域中。

在國內(nèi)，也已經(jīng)有越來越多的科研單位著手進行研究，同時越來越多的作業(yè)單位也開始將這項技術(shù)用到實際當中，很多領(lǐng)域機載LiDAR系統(tǒng)都獲得了成功，其高效率和低成本的特點也極適合在道路勘測中的應用。

二、機載LiDAR系統(tǒng)及原理概述

機載LiDAR系統(tǒng)從功能上講由激光系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和慣性測量單元3部分組成，后面兩部分負責準確地確定LiDAR系統(tǒng)的飛行位置姿態(tài)，以此來準確定位地面的三維坐標。并且可以搭載高分辨率數(shù)碼相機，同時獲取地面的高清晰數(shù)碼影像，以得到地面的紋理和光譜信息。

激光系統(tǒng)包括一個發(fā)射單束窄帶的激光器和一個用于接收激光發(fā)射的接收系統(tǒng)。當發(fā)射的離散激光脈沖遭遇阻攔物體并且反射后，最終會打到接收器上面，同時接收器會準確得到以光速傳播的激光束的傳播時間，由此可以計算出激光器和地面目標的距離，然后根據(jù)GPS和IMU得到的激光器坐標來確定地面的坐標。激光系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心，以RIEGL公司的LMS-Q560為例，最高可以達到240 KHz的發(fā)射頻率，在800 m的飛行高度施行180 KHz的頻率，點間距可控制在10 cm，激光器的性能決定了最終數(shù)據(jù)成果的分辨率，同時也對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響。

在機載LiDAR應用中，往往采用動態(tài)差分GPS定位技術(shù)，它需要布設若干地面GPS基站來與機載GPS進行差分，由于它得到的定位數(shù)據(jù)是整個機載系統(tǒng)定位的初始數(shù)據(jù)，因此它的定位精度直接影響到激光數(shù)據(jù)最終的精度。在GPS數(shù)據(jù)的處理過程中，消除或減小對流層和電離層誤差，兩類鐘誤差以及星歷誤差后，能夠達到厘米級精度。慣性測量單元(IMU)主要負責記錄飛行載體各個時刻的飛行姿態(tài)，包括翻滾、俯仰和航向3種角度，通過系統(tǒng)糾正之后可得到LiDAR系統(tǒng)的外方位角，聯(lián)合GPS數(shù)據(jù)求得地面目標的坐標。但是因為IMU中的陀螺儀存在漂移并且累計，故常常在數(shù)據(jù)采集過程中通過刻意改變航向或者數(shù)據(jù)處理過程采用順逆雙向處理來消除或減小此類誤差。圖1為LiDAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)預處理原理圖。

圖1 機載LiDAR數(shù)據(jù)預處理原理圖

三、機載LiDAR數(shù)據(jù)獲取

1．航線規(guī)劃

航線規(guī)劃是在數(shù)據(jù)獲取前非常重要的工作，它的目的在于確定LiDAR系統(tǒng)載體的飛行線路，為數(shù)據(jù)采集過程實現(xiàn)導航，保證全面、正確地獲取符合要求的激光數(shù)據(jù)。在具體的規(guī)劃中還需要知道選用的橢球標準和投影方式，這對于大片或者帶狀區(qū)域意義重大。

飛行高度、激光發(fā)射頻率和掃描角共同決定了激光點云的密度，決定成果的分辨率，不同的飛行高度對激光發(fā)射頻率上限有不同的要求，所以在飛行進行之前需要綜合考慮。同時為了得到均勻分布點云，對飛行器的飛行速度也會有相應的要求，飛行器一般有最低速度限制，需要激光器設置調(diào)整。對于集成了各類相機的系統(tǒng)，還需控制航帶和曝光點來滿足重疊率的要求。圖2為設計好的航線。

2．地面GPS基站布設

對于帶狀的測區(qū)，需要沿道路方向每隔一段距離布設一個GPS基站，根據(jù)GPS差分原理以及項目實際基線長度應該控制在適合的范圍，一般在20 km以內(nèi)，這樣才能達到GPS差分效果的最優(yōu)化。在機載LiDAR系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)之前，設定好一致采樣頻率并且開機工作，保證系統(tǒng)GPS工作時間有地面基站與其差分。

圖2 在公路勘測中的航線

3．確保獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量

為了得到全面、精確、符合要求的點云數(shù)據(jù)，應該在數(shù)據(jù)采集前做好充分的準備，采集過程中密切關(guān)注數(shù)據(jù)采集和存儲情況。對于儀器懸掛在飛行器外面的情況，要做好防風防雨措施，導航和存儲單元應保證其散熱良好，飛行器飛行中會連帶激光器產(chǎn)生高頻震動，系統(tǒng)的搭載器件在牢固的前提下應做好減震防護。圖3為兩種質(zhì)量的道路激光點數(shù)據(jù)對比。

圖3 兩種質(zhì)量點云對比

POS系統(tǒng)取得數(shù)據(jù)的精度直接影響了激光點的成圖質(zhì)量，在數(shù)據(jù)采集過程中應盡量減少和降低GPS和IMU誤差。航空測量前，得到GPS的偏心分量并做好IMU的視準軸矯正，在飛行之前給予系統(tǒng)足夠的時間進行初始化。POS系統(tǒng)基于WGS-84坐標系，得到的目標點也是在WGS-84下的坐標。以AEROcontrol為例(IGI的 GPS/IMU系統(tǒng))，圖4為某試驗區(qū)GPS差分的標準差(SD)結(jié)果?？梢钥闯鱿到y(tǒng)收斂速度非?？?3 s以內(nèi))，收斂后3個方向的標準差：SDNorth 約 2．7 cm;SDEast約 2．5 cm;SDHeight約7 cm。

四、機載LiDAR系統(tǒng)的應用

1．LiDAR在道路勘測中的應用

(1)制作DTM和DSM

數(shù)字地面模型(DTM)是利用一個坐標系中的大量已知坐標，得到的連續(xù)的帶有地理特征地面模型，還包括坡度坡向特性。具體實現(xiàn)主要以TIN三角網(wǎng)或者規(guī)則格網(wǎng)為基礎來建立數(shù)字地面模型，數(shù)字地表模型(DSM)是對地球表面各類地物和綜合描述。二者的區(qū)別在于前者是去除掉植被，建筑物等物體后，反映地球表面最根本的構(gòu)造模型，而DSM則包括植被和各種建筑。

圖4 GPS差分數(shù)據(jù)標準差

DTM對于道路勘測的作用十分重要，通過它能夠迅速得到關(guān)鍵區(qū)域的橫斷面;激光具有穿透特性，根據(jù)激光波的強度和回波信息可以實現(xiàn)地面和植被的分離，LiDAR建立的地面模型相比航拍具有更好的精度水平，尤其是高程方面，并且與GPSRTK方法相比，能節(jié)省大量的資源和時間，根據(jù)其精確的高程數(shù)據(jù)，有利于勘測過程中土方量的計算。根據(jù)DTM還能生成等高線圖和各類地形圖，可以滿足勘測設計需要。圖5為根據(jù)DTM繪制等高線。

圖5 DTM繪制等高線

近些年環(huán)境問題嚴重，植被和水域都遭受了不同程度的破壞，同時氣候災害層出不窮，影響交通系統(tǒng)正常運行。運用LiDAR數(shù)據(jù)生成的DSM能夠及時的獲取道路附近的植被和水域情況，從而幫助道路的設計決策。

(2)與其他數(shù)據(jù)相互融合

機載LiDAR系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)缺少相應的紋理和光譜信息，為了使獲取的信息更加全面，可以利用高分辨率數(shù)碼相機甚至高光譜相機同步獲取地面的真彩影像信息。LiDAR系統(tǒng)自帶了高精度POS系統(tǒng)(GPS和IMU)，得到的POS數(shù)據(jù)可以與相機共享，采用POS系統(tǒng)輔助光束法來生成正射影像。激光數(shù)據(jù)具有明顯的三維特征，這兩種數(shù)據(jù)融合能夠?qū)⒏髯缘膬?yōu)勢集合起來，生成的三維模型也更加逼真?？梢詫⒄溆跋窈吞幚砗玫狞c云數(shù)據(jù)通過同一標準的地理坐標實現(xiàn)激光點和相元的一一對應，把相元的色彩和光譜信息賦到激光點上。還可以在LiDAR數(shù)據(jù)輔助下采用多種算法對高分影像進行輪廓提取，然后通過激光點云的高程信息完成目標區(qū)域的三維重建，這種以各類影像為基礎，通過實現(xiàn)建筑物三維重建的融合手段已經(jīng)在電子地圖方面得到了應用。圖6為在google地球上截取的橋梁三維模型。

圖6 舊金山金門大橋

2．LiDAR在其他方面的應用

LiDAR在林學領(lǐng)域應用最早，可以測定樹高，樹冠面積以及植被密度，并且可以根據(jù)激光回波強度信息實現(xiàn)物種分類，對于森林普查具有重要意義。Li-DAR豐富的數(shù)據(jù)信息還可用于數(shù)字城市建模，真三維模型已經(jīng)逐漸應用于城市規(guī)劃，市政建設以及房產(chǎn)開發(fā)等多個領(lǐng)域。另外，在電力、各類線路、淺海海域信息獲取、災害檢測多個領(lǐng)域均有應用。

五、結(jié)束語

機載LiDAR近些年的蓬勃發(fā)展已經(jīng)吸引了越來越多的人來對其進行研究和應用。LiDAR技術(shù)在道路勘測中的取得了成功應用，其高效率、高精度的數(shù)據(jù)獲取方式，以及豐富的激光波信息和易于傳統(tǒng)航拍集成的作業(yè)模式均有著原始測繪手段無法比擬的優(yōu)勢。我國道路建設尤其是近幾年的鐵路建設任務非常迫切，應該繼續(xù)推廣LiDAR技術(shù)在交通勘測當中的應用，同時，需要盡快完善機載LiDAR的各項標準，實現(xiàn)行業(yè)的規(guī)范化。

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