鐘振云

摘 要：機(jī)載激光雷達(dá)是一種能夠快速高效獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的新興技術(shù)，它在各個行業(yè)有著極為廣泛的應(yīng)用。本文主要討論了機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取及現(xiàn)場質(zhì)量檢查方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)載LiDAR；數(shù)據(jù)獲??；現(xiàn)場質(zhì)量檢查

隨著我國的基礎(chǔ)建設(shè)的不斷增多，特別是地理空間數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的需求不斷擴(kuò)大，對快速獲取高精度的地理空間數(shù)據(jù)的緊迫性越來越強(qiáng)烈。機(jī)載LiDAR作為一種快速、高效、高精度的技術(shù)手段，越來越受到各個行業(yè)的廣泛應(yīng)用。機(jī)載LiDAR在數(shù)字高程模型上的優(yōu)勢，逐漸取代傳統(tǒng)測量方式，取代了傳統(tǒng)測量生產(chǎn)周期長、效率低、費(fèi)用高、精度低的劣勢。

機(jī)載激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，簡稱LiDAR）是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)是將激光掃描儀、GNSS設(shè)備和INS等設(shè)備緊密集成，以飛行平臺為載體，通過對地面進(jìn)行掃描，記錄目標(biāo)的姿態(tài)、位置和反射強(qiáng)度等信息，獲取地表的三維信息，并經(jīng)過后處理得到所需空間信息的技術(shù)。本文結(jié)合廣西林業(yè)LiDAR數(shù)據(jù)獲取及處理項(xiàng)目，總結(jié)說明機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取及質(zhì)量檢查的方法。

1 機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取及處理簡介

機(jī)載LiDAR項(xiàng)目實(shí)施的過程，可分為控制測量環(huán)節(jié)、航空攝影環(huán)節(jié)、現(xiàn)場質(zhì)量檢查環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)、成果質(zhì)量檢查及提交六個主要環(huán)節(jié)。

1.1機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取

（1）控制測量

收集分析測區(qū)地形資料、地表覆蓋情況、已有高等級控制點(diǎn)資料，對測區(qū)進(jìn)行踏勘，進(jìn)行控制測量網(wǎng)設(shè)計(jì)及觀測。

（2）航空攝影

按照測區(qū)地形特點(diǎn)、項(xiàng)目的技術(shù)要求結(jié)合航攝激光雷達(dá)系統(tǒng)性能特點(diǎn)，并結(jié)合飛行管制因素，對測區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。確定合理的航高、激光掃描頻率、飛行速度、旁向重疊度及相機(jī)曝光參數(shù)等。航空攝影包括兩部分：檢校場飛行及項(xiàng)目飛行。

（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理

對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲取GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

（4）現(xiàn)場質(zhì)量檢查

現(xiàn)場質(zhì)量檢查的內(nèi)容包括：基站數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)完整性檢查、POS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢查、影像數(shù)據(jù)檢查、質(zhì)檢工作整理。

（5）數(shù)據(jù)后處理

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)后處理是根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)要求，對獲取的質(zhì)檢合格的LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云分類處理，生成數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像圖等4D產(chǎn)品。

（6）成果質(zhì)量檢查

成果質(zhì)量檢查是數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，質(zhì)檢通過對數(shù)據(jù)生產(chǎn)全過程的監(jiān)控，保證產(chǎn)品質(zhì)量，是進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的重要手段。成果質(zhì)量檢查包括：自查檢查、過程檢查、最終檢查及內(nèi)部驗(yàn)收。

1.2機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)后處理是根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)要求，對獲取的質(zhì)檢合格的LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云分類處理，生成數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像圖等4D產(chǎn)品。

數(shù)據(jù)處理主要包括DGPS解算、DGPS/IMU聯(lián)合解算、激光點(diǎn)數(shù)據(jù)大地定向等關(guān)鍵步驟。

（1）DGPS解算：利用高精度GPS解算軟件，基于地面基站點(diǎn)的已知坐標(biāo)，對機(jī)載GPS觀測數(shù)據(jù)和地面基站GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分解算，得到機(jī)載GPS接收機(jī)在每個觀測時刻的WGS84空間坐標(biāo)系坐標(biāo)。

（2）DGPS/IMU聯(lián)合解算：加入IMU記錄的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，在軟件中與差分解算成果聯(lián)合進(jìn)行處理，獲得機(jī)載IMU的航跡線，即每個觀測時刻的空間位置和姿態(tài)。根據(jù)測定的偏心向量，從而獲得激光掃描儀和航空相機(jī)各自的航跡線。

（3）激光點(diǎn)數(shù)據(jù)大地定向：基于激光掃描儀的航跡數(shù)據(jù)文件，軟件自動對每個激光點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算處理，得到每個激光點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

（4）坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

GPS數(shù)據(jù)經(jīng)過差分解算后，獲得WGS84坐標(biāo)，再根據(jù)工程的需要轉(zhuǎn)換成CGCS2000坐標(biāo)、西安80坐標(biāo)、北京54坐標(biāo)或地方獨(dú)立坐標(biāo)。

（5）點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類

點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類主要包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊、點(diǎn)云噪聲點(diǎn)濾除、點(diǎn)云自動分類、人工編輯激光點(diǎn)云。

1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊：每個工程的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是海量數(shù)據(jù)，同時加載或處理對計(jì)算機(jī)軟硬件要求較高，故對點(diǎn)云進(jìn)行分塊處理，減少數(shù)據(jù)量，方便進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

2）點(diǎn)云噪聲點(diǎn)濾除：將明顯低于地面的點(diǎn)或點(diǎn)群（低點(diǎn)）和明顯高于地表目標(biāo)的點(diǎn)或點(diǎn)群（云、霧），以及移動地物點(diǎn)定義為噪聲點(diǎn)。

3）點(diǎn)云自動分類：激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含所有的激光測量點(diǎn)，包括地面和非地面的，要得到數(shù)字高程模型DEM，則首先需要把地面激光點(diǎn)分類出來。運(yùn)行自動過濾算法對點(diǎn)云進(jìn)行自動分類。

4）人工編輯激光點(diǎn)云：為了得到更精確的地形數(shù)據(jù)，有時候還會輔助使用激光分類專業(yè)軟件進(jìn)行人工分類處理，手動編輯地形，得到完整的地表數(shù)據(jù)。

（6）數(shù)據(jù)接邊

由于采用分塊的方式進(jìn)行激光點(diǎn)云分類處理，相鄰接連區(qū)域的數(shù)據(jù)會存在不合理的情況，因些需要進(jìn)行接邊處理，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及一致性。

（7）DEM、DOM生產(chǎn)

利用分類好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取地面點(diǎn)，構(gòu)不規(guī)則三角網(wǎng)生成數(shù)字高程模型。利用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)及影像外方位元素，進(jìn)行單片微分糾正、影像勻光勻色、拼接生成數(shù)字正攝影像圖。

2 項(xiàng)目概況

2.1項(xiàng)目概況

南寧市位于廣西壯族自治區(qū)南部偏西，是廣西壯族自治區(qū)首府及廣西政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。南寧市地貌分平地、低山、石山、丘陵、臺地5種類型。根據(jù)廣西森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查南寧市試點(diǎn)工作任務(wù)的安排，2017年需完成南寧市全市機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取及處理工作。項(xiàng)目區(qū)位于南寧市行政區(qū)域范圍，面積約22112平方千米。

2.2項(xiàng)目技術(shù)要求

本項(xiàng)目采用Riegl Q1560 i機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)。地面采用GXCORS數(shù)據(jù)進(jìn)行同步觀測，采樣頻率為1秒（1Hz）。按照地形特點(diǎn)、成果要求、空域管制條件等情況進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，合理選擇航高、激光掃描頻率，進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，旁向重疊度優(yōu)于20%，點(diǎn)云密度要求優(yōu)于2點(diǎn)/平方米，影像無要求。點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類只分為：地面點(diǎn)、植被點(diǎn)、其他非植被點(diǎn)。用于生產(chǎn)高精度DEM，不需要生產(chǎn)DOM。

成果以1：2000分幅，DEM格網(wǎng)間距：2米；坐標(biāo)系統(tǒng)：成果均使用2000國家大地坐標(biāo)系（CGCS 2000）坐標(biāo)，高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn)。投影方式：高斯-克呂格投影，3度分帶。高程精度：平地高程中誤差≤0.2米。

3 現(xiàn)場質(zhì)量檢查

現(xiàn)場數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的內(nèi)容：基站數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)完整性檢查、POS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢查、質(zhì)檢工作整理。

1）基站數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查：檢查地面GPS采集時段是否與飛行時段吻合，并且采集頻率是否為1赫茲，滿足項(xiàng)目要求。

2）數(shù)據(jù)完整性檢查：檢查數(shù)據(jù)量大小是否正確，有無缺失。

3）POS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查：檢查偏心分量是否經(jīng)過兩次測定取平均值，確認(rèn)測量值誤差小于1厘米，精度滿足要求。GPS信號是否失鎖，衛(wèi)星數(shù)量最少是否為9顆，滿足相關(guān)規(guī)范要求。檢查時間信號有無重復(fù)或者丟失，IMU數(shù)據(jù)是否正常，且連續(xù)。如以上檢查均合格，則POS系統(tǒng)數(shù)據(jù)精度滿足要求。

4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢查：包括數(shù)據(jù)覆蓋范圍、航帶重疊檢查、噪聲情況檢查、點(diǎn)云密度檢查、航帶拼接精度檢查。

數(shù)據(jù)覆蓋范圍及重疊度檢查：將全部激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，確定是否激光數(shù)據(jù)完全覆蓋攝區(qū)范圍，如圖3左下圖所示。航帶間重疊是否達(dá)到要求，如圖3右下圖所示。

激光點(diǎn)云密度檢查：攝區(qū)激光點(diǎn)平均密度為要求優(yōu)于2點(diǎn)/每平方米，點(diǎn)密集需要完全滿足1：2000比例尺的精度要求。檢查情況如圖4所示。

航帶間數(shù)據(jù)匹配檢查：不同航帶間（含同架次和不同架次）點(diǎn)云數(shù)據(jù)同名點(diǎn)平面位置中誤差、高程中誤差應(yīng)均應(yīng)小于合同及規(guī)范要求，如果中誤差超限且存在系統(tǒng)誤差，應(yīng)采取布設(shè)地面控制點(diǎn)的方式進(jìn)行系統(tǒng)誤差改正，小于限差后，再進(jìn)行航帶拼接。航帶間偏差匹配如圖5所示為匹配理想的情況。

5）質(zhì)檢工作整理：把預(yù)處理后輸出的激光數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tscan中檢查，確保測區(qū)覆蓋完全、無漏洞。如無漏飛區(qū)域，經(jīng)過檢查，確保測區(qū)不需要補(bǔ)飛，并輸出數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查報告。

4 結(jié)束語

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取及現(xiàn)場質(zhì)量檢查涉及很多部分的內(nèi)容，只有嚴(yán)格把控各個部分的質(zhì)量檢查工作，才能使后期處理工作更加順暢，加工出符合項(xiàng)目要求及規(guī)范的產(chǎn)品。本文通過結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目，總結(jié)了機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取及現(xiàn)場質(zhì)量檢查的關(guān)鍵工作，對實(shí)際工作具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張小紅，機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論與方法[M]，武漢，武漢大學(xué)出版社，2010。

[2] CH/T 8024-2011，機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取規(guī)范[S]。