周萬堅

【摘 要】機載激光雷達技術(shù)通過將全球定位、慣性導航、激光、光學技術(shù)這四類先進技術(shù)集于一體運用于觀測系統(tǒng)之中，此技術(shù)不僅成本投入低，而且使用效率極高。本文簡單介紹了機載激光雷達測繪技術(shù)的理論概念及其系統(tǒng)構(gòu)成的功能與原理，針對激光雷達測繪技術(shù)的數(shù)據(jù)處理特點展開分析，就其具體應用現(xiàn)狀闡述了雷達測繪技術(shù)在目前的主要應用領(lǐng)域，展望激光雷達技術(shù)的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】機載激光雷達；測繪技術(shù)；全球定位；激光掃描；空間數(shù)據(jù)

1.機載激光雷達測繪技術(shù)

1.1機載激光雷達測繪技術(shù)簡介

機載激光雷達技術(shù)一般是將機載激光系統(tǒng)安裝于飛機之上，主要用于探測地面的三維坐標來生產(chǎn)相應的激光雷達數(shù)據(jù)影像，通過數(shù)據(jù)處理及相應軟件處理生成相應地面的DEM模型、等值線圖及DOM正射影像圖。其中，機載激光雷達測繪技術(shù)主要是將激光、全球定位、慣性導航、光學技術(shù)集于一體運用光學遙感技術(shù)進行波段探測，從而可以有效的獲取地面物體所反射能量的大小與物體反射波譜的幅度、頻率與相位，針對所獲取的數(shù)據(jù)進行及時的處理與定位，進而針對目標物體進行準確的測速與識別。

目前，我國主要將機載激光雷達測繪技術(shù)應用于數(shù)字城市規(guī)劃、工程建筑測量、電力設計勘測選線和線路監(jiān)測、災害監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測、林業(yè)種植與規(guī)劃等領(lǐng)域，為我國的社會發(fā)展作出了巨大貢獻。

1.2機載激光雷達系統(tǒng)

1.2.1機載激光雷達系統(tǒng)的構(gòu)成

機載激光雷達系統(tǒng)的構(gòu)成部件主要包括：慣性導航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、激光掃描測距和數(shù)碼成像系統(tǒng)等組成。

1.2.2機載激光雷達系統(tǒng)的功能及原理

（1）慣性導航系統(tǒng)，用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)（ω、?、κ）。

（2）基于動態(tài)相位差分技術(shù)的全球定位系統(tǒng)，用于確定掃描投影中心的空間位置參數(shù)（X0，Y0，Z0）。

（3）激光掃描測距系統(tǒng)，用于測量傳感器到被探測目標的距離D；在激光雷達系統(tǒng)中，由發(fā)射機發(fā)出的無線電波射到空中后，一部分經(jīng)物體或空氣反射后，由雷達的接收系統(tǒng)接收，這部分反射波稱為雷達信號，反映從反射無線電波的物體到雷達的距離。

（4）數(shù)碼成像系統(tǒng)，主要用于獲取目標的彩色或紅外影像信息。

2.數(shù)據(jù)處理

2.1確定航跡

地面GPS基站和機載GPS的測量數(shù)據(jù)聯(lián)合平差來確定飛機的飛行軌跡。

2.2激光點三維空間坐標的計算

利用隨機的商用軟件，對機載GPS數(shù)據(jù)、飛機姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)進行聯(lián)合平差，得到各測點的三維坐標數(shù)據(jù)，稱之為“激光點云”。

2.3激光數(shù)據(jù)的噪聲和異常值剔除

由于水體對激光的吸收及其他原因，使有些激光測距點無明顯的回波信號以及因電路等原因產(chǎn)生的異常距離值，在處理激光測距的原始數(shù)據(jù)時必須先剔除噪聲和異常值。

2.4激光數(shù)據(jù)濾波

目前用于機載激光掃描數(shù)據(jù)濾波的方法大部分是基于激光數(shù)據(jù)腳點的高程突變等信息進行的，主要分為形態(tài)學濾波法、移動窗口法、迭代線型最小二乘法、基于地形的坡度濾波等。

2.5激光數(shù)據(jù)拼接

在機載激光雷達系統(tǒng)作業(yè)時，可利用同步獲得的影像信息，根據(jù)重疊區(qū)域的影像可確定航帶間的系統(tǒng)誤差。此外，為了保證DTM拼接正確，通常采用變系數(shù)加權(quán)平均法消除航帶間出現(xiàn)的隨機誤差。

2.6激光數(shù)據(jù)分類輸出

數(shù)據(jù)分類處理完畢后，一些不必要的數(shù)據(jù)被剔除，數(shù)據(jù)量將減小，可以以ASCII或二進制形式輸出。

2.7坐標轉(zhuǎn)換

利用POS動態(tài)定位所提供的定位結(jié)果屬于WGS-84坐標系，而我們所需要的空三加密結(jié)果應屬于國家規(guī)定的另一套坐標系或地方坐標系，因此必須解決動態(tài)定位結(jié)果的坐標轉(zhuǎn)換問題，利用地面基站坐標和坐標系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行轉(zhuǎn)換，一般采用GPS基線向量網(wǎng)的約束平差。GPS所提供的是以橢球面為基準的大地高程，必須轉(zhuǎn)換為以大地水準面為基準的正常高，可通過測區(qū)內(nèi)若干已知正常高的控制點擬合建立高程異常模型進行。

2.8影像數(shù)據(jù)的定向和鑲嵌

數(shù)字影像先進行解壓處理，結(jié)合激光掃描測量的DTM數(shù)據(jù)進行定向鑲嵌，形成數(shù)字正射影像圖。

3.機載激光雷達技術(shù)的應用現(xiàn)狀

3.1數(shù)字城市應用

隨著科技技術(shù)的快速發(fā)展，我國的城市化推進工作不斷加快，其中尤以數(shù)字化城市建設為重。在進行數(shù)字化城市規(guī)劃的過程中，必然需要通過運用相應的規(guī)劃軟件與技術(shù)來有效開展規(guī)劃工作。二維規(guī)劃技術(shù)已無法滿足當前數(shù)字化城市的規(guī)劃需求，而機載激光雷達測繪技術(shù)可以有效的實現(xiàn)三維城市形象規(guī)劃。

其中，機載激光雷達測繪技術(shù)主要通過將獲取的三維空間數(shù)據(jù)進行快速的數(shù)據(jù)處理，對城市進行系統(tǒng)化、全面化、形象化的規(guī)劃與模擬，進而可以有效避免由于航高、陰影遮擋等限制因素而導致城市規(guī)劃處理出現(xiàn)誤差。由此可見，通過運用機載激光雷達測繪技術(shù)進行數(shù)字城市規(guī)劃，不僅可以有效、快速、準確的采集相應的三維空間數(shù)據(jù)來生成影像，而且可以進行大比例尺地形圖規(guī)劃，以高精度、高自動化水平、高效率方式進行必要的數(shù)據(jù)獲取與測量工作，確保其紋理映射自動化水平以及高效率的房屋建模工作，推進數(shù)字化城市的規(guī)劃工作。

3.2工程建筑測量

如文中所述，機載激光雷達測繪技術(shù)具備高精確度，可以為建筑工程項目提供高精確度、高實效性的工程測量數(shù)據(jù)，確保工程項目按期按質(zhì)完成。其中，將機載激光雷達測繪技術(shù)應用于建筑工程項目施工領(lǐng)域之中，主要是通過應用DEM結(jié)合GIS及CAD軟件進行影像與數(shù)據(jù)搜集，以便及時篩選最優(yōu)化的施工方案。由激光雷達系統(tǒng)對各方案中的施工組織設計及施工線路、施工位置進行測量，從而為工程項目，例如道路施工工程提供大量有效、準確的地形數(shù)據(jù)，提供工程施工方案設計的有效性。

3.3電力設計勘測選線和線路監(jiān)測應用

機載激光雷達測繪技術(shù)的應用領(lǐng)域還包括電力企業(yè)中的相關(guān)工程項目之中，包括電力設計過程中的勘測選線與電力線路的實時監(jiān)控，結(jié)合激光雷達測繪技術(shù)，可以對電力線路的設計區(qū)域中的地形與物體要素進行數(shù)據(jù)采集，以供線路監(jiān)測與選線之需，提高電力企業(yè)施工的效率與質(zhì)量水平。

3.4災害監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測

根據(jù)機載激光雷達測繪技術(shù)，它可以生成DEM系統(tǒng)，從而可以針對我國社區(qū)進行必要的災害控制、監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測。

水文學家可以通過采用激光雷達測繪技術(shù)，對我國社區(qū)的重大自然災害進行監(jiān)測與防治，包括地震、洪災、泥石流滑坡、風害等，還可以對我國的環(huán)境進行實時監(jiān)控。例如，在降水量大的季節(jié)進行洪水范圍預測，以便應急消防救助小組根據(jù)災害范圍及災害情況提前設計、組織災害防治方案與救援組織方案，以便將災害的損傷降到最低。其中，在一架固定翼飛機上安裝一臺機載激光雷達系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在長30公里的區(qū)域之內(nèi)進行維持四小時的實地勘測，為災害監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測提供了重要的數(shù)據(jù)資料。

3.5林業(yè)應用

機載激光雷達系統(tǒng)在我國林業(yè)種植與發(fā)展方面（下轉(zhuǎn)第22頁）（上接第20頁）也具有很大貢獻。通過運用激光雷達系統(tǒng)，可以提供準確的森林及樹冠下面的信息數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)的后期處理，獨立的激光返回值可分為植被返回值和地面返回值，根據(jù)激光雷達數(shù)據(jù)，針對森林中的林木覆蓋率與覆蓋面積數(shù)據(jù)進行分析，以便林業(yè)管理者掌握樹木的疏密程度，年長樹木的覆蓋面積和年幼樹木的覆蓋面積，從而促進森林管理工作的規(guī)范化與高效化，便于管理者針對森林進行宏觀調(diào)控與管理，提高其管理水平與管理質(zhì)量。

4.小結(jié)

結(jié)合上文中所述，隨著科學信息技術(shù)的不斷發(fā)展、改進與成熟，機載激光雷達測繪技術(shù)也將隨之發(fā)展，其應用的領(lǐng)域與深度也將逐漸拓寬、加深。根據(jù)當前機載激光雷達市場來看，我國在今后的技術(shù)研討工作中，將主要集中于開發(fā)、利用新的激光輻射源、多傳感器系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)融合，通過不斷探索機載激光雷達的新體制，力求為我國的社會經(jīng)濟發(fā)展作出更大貢獻。 [科]

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