彭勁松，許 俊，李 娟，周光明

(1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421005; 2. 武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430023)

機(jī)載三維激光雷達(dá)掃描測(cè)量(簡(jiǎn)稱機(jī)載LiDAR)是一種利用傳感器所發(fā)出的激光測(cè)定傳感器與目標(biāo)之間距離的主動(dòng)遙感技術(shù)。根據(jù)LiDAR的載體平臺(tái)，可分為星載、機(jī)載、車(chē)載和地面4大類(lèi)。其中，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)因無(wú)人機(jī)的迅猛發(fā)展而應(yīng)用最為廣泛。

LiDAR技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展并可有效快速獲取高精度地形、地貌數(shù)據(jù)的有效手段。由于激光可以透過(guò)植被縫隙到達(dá)地表，因此機(jī)載LiDAR系統(tǒng)可快速獲取到森林覆蓋地區(qū)地表高程信息。本文將重點(diǎn)介紹機(jī)載LiDAR的系統(tǒng)組成及區(qū)別于傳統(tǒng)遙感手段的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合鮮水河斷裂帶項(xiàng)目的數(shù)據(jù)獲取、處理和信息提取來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明機(jī)載LiDAR的優(yōu)勢(shì)。

1 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)組成和優(yōu)勢(shì)

1.1 系統(tǒng)組成

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備主要包括3大部件:激光掃描儀、航空數(shù)碼相機(jī)、定位定姿系統(tǒng)(包括GNSS和IMU)。其中機(jī)載激光掃描儀主要獲取三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄回波強(qiáng)度及波形;航空數(shù)碼相機(jī)通過(guò)拍攝采集航空影像數(shù)據(jù);定位定姿系統(tǒng)記錄測(cè)量設(shè)備在每一瞬間的空間位置與姿態(tài)，由GPS確定空間位置，IMU慣導(dǎo)測(cè)量仰俯角、側(cè)滾角和航向角數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR利用激光器發(fā)射激光，從GPS得到激光器的位置，從INS得到激光發(fā)射方向，即可準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的坐標(biāo)(X，Y，Z)。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個(gè)脈沖到每秒幾萬(wàn)個(gè)脈沖。一般而言，LiDAR系統(tǒng)獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在每平方米1～100不等，由載體飛行器速度、激光脈沖頻率綜合決定。如圖1所示。

1.2 機(jī)載LiDAR技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的遙感手段相比，機(jī)載LiDAR技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：①可穿透植被。LiDAR對(duì)植被的穿透能力可有效地去除植被覆蓋對(duì)地面高程測(cè)量的影響，增加了對(duì)地面數(shù)據(jù)的有效測(cè)量，大大提高了測(cè)量精度。②主動(dòng)非接觸測(cè)量。與光學(xué)遙感相比，機(jī)載LiDAR技術(shù)不限于單一光照，不受陰影和太陽(yáng)高度角的影響，在傳統(tǒng)攝影測(cè)量方式無(wú)能為力的山區(qū)和植被等陰影地區(qū)，不會(huì)影響到測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。③遠(yuǎn)距離高精度三維測(cè)量。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)可以對(duì)傳統(tǒng)手段束手無(wú)策的植被覆蓋茂密地區(qū)、沙漠、灘涂地及高差較大的地形復(fù)雜地區(qū)等進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量獲取高精度DEM數(shù)據(jù)。④直接連續(xù)定位測(cè)量。在機(jī)載LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中同步進(jìn)行地面點(diǎn)連續(xù)GPS定位和機(jī)載GPS系統(tǒng)差分處理,獲取的數(shù)據(jù)具有真實(shí)的地理坐標(biāo)，是對(duì)地表三維坐標(biāo)進(jìn)行直接測(cè)量；相對(duì)傳統(tǒng)攝影測(cè)量手段通過(guò)間接方法獲取的數(shù)據(jù)更加高效和準(zhǔn)確。

圖1 點(diǎn)密度計(jì)算

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

鮮水河斷裂帶位于青藏高原東南緣的四川西部地區(qū)，是一條北西走向的弧形左旋走滑斷裂帶。本次主要選取了鮮水河斷裂帶上兩個(gè)典型的區(qū)域進(jìn)行激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，其位置分別為康定市孟慶村、甘孜縣庭卡鄉(xiāng)，測(cè)區(qū)海拔高、人工測(cè)量難度大、少量植被且測(cè)區(qū)中間被河水分割為兩部分。采取機(jī)載激光雷達(dá)掃描方式可以一站式快速獲取到測(cè)區(qū)的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行快速處理即可得到測(cè)區(qū)1∶2000的DEM數(shù)據(jù)。項(xiàng)目使用武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司集成的ARS-200輕型機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)有重量輕、精度高的特點(diǎn)，系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

(1) 定位定姿數(shù)據(jù)處理。根據(jù)差分GPS原理，利用地面基站GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)和機(jī)載飛行平臺(tái)動(dòng)態(tài)GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算得出飛行軌跡的三維坐標(biāo)，將平臺(tái)系統(tǒng)上的INS數(shù)據(jù)利用GPS時(shí)間同步結(jié)合到三維軌跡信息上，得到具有激光掃描儀瞬時(shí)位置和姿態(tài)信息的飛行軌跡。

表1 使用設(shè)備技術(shù)參數(shù)

(2) 激光掃描數(shù)據(jù)處理。根據(jù)得到的200 Hz高頻的瞬時(shí)位置和姿態(tài)信息結(jié)合激光掃描數(shù)據(jù)，加入系統(tǒng)誤差改正參數(shù)和坐標(biāo)投影參數(shù)，求出具有WGS-84三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3) 航帶拼接。將每條航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)與參考面數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行航帶平差校正。航帶偏移小于限差后，再進(jìn)行航帶拼接。

(4) 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)。根據(jù)點(diǎn)云的幾何信息、反射強(qiáng)度等對(duì)地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)進(jìn)行分離，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求對(duì)非地面點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步分類(lèi)。

(5) 數(shù)字高程模型和數(shù)字表面模型等地形成果產(chǎn)品生成。

4 信息提取

(1) 康定市孟慶村測(cè)區(qū)內(nèi)平均海拔2600 m，測(cè)區(qū)面積約0.1 km2。三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)原始點(diǎn)云密度可到達(dá)80點(diǎn)/m2，經(jīng)過(guò)地表點(diǎn)過(guò)濾后點(diǎn)云密度10點(diǎn)/m2。將地表三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)構(gòu)TIN不規(guī)則三角網(wǎng)的方式生成數(shù)字高程模型。如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 測(cè)區(qū)1原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 測(cè)區(qū)1過(guò)濾后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 測(cè)區(qū)1構(gòu)造TIN網(wǎng)格(1 m間距)

(2) 甘孜縣庭卡鄉(xiāng)測(cè)區(qū)內(nèi)平均海拔3400 m，測(cè)區(qū)高差約70 m，測(cè)區(qū)面積約0.15 km2。3400 m海拔已經(jīng)具備高原特性，無(wú)人機(jī)飛行需要更換高原槳才可以繼續(xù)安全作業(yè)，在高原上相對(duì)于低海拔的區(qū)域作業(yè)無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力也會(huì)有所降低。獲取到測(cè)區(qū)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)原始點(diǎn)云密度為75點(diǎn)/m2，經(jīng)過(guò)地表點(diǎn)過(guò)濾后點(diǎn)云密度10點(diǎn)/m2。將地表三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)構(gòu)造TIN不規(guī)則三角網(wǎng)的方式生成數(shù)字高程模型。數(shù)據(jù)成果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 測(cè)區(qū)2原始點(diǎn)云

圖6 測(cè)區(qū)2過(guò)濾后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖7 測(cè)區(qū)2構(gòu)造TIN網(wǎng)格(1 m間距)

5 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)以其高精度、高密度、高效率、產(chǎn)品豐富等特點(diǎn)在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域應(yīng)用方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，特別是無(wú)人機(jī)激光測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)人工無(wú)法到達(dá)或危險(xiǎn)性比較大的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量工作，其局限性從總體上來(lái)講要小于傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量，將逐步成為測(cè)量業(yè)界應(yīng)用較廣、較先進(jìn)的測(cè)繪方法。