郝長春 （安徽省水利水電勘測設(shè)計院勘測分院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

機載激光雷達測繪系統(tǒng)(airborne laser mapping,簡稱ALM)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新興的測繪技術(shù)，是繼攝影測量之后遙感領(lǐng)域一場新的技術(shù)革命。幾十年來該方法作為快速、高密度、高精度地獲取地表三維空間信息的測量手段[1]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在基礎(chǔ)測繪、水利工程、林業(yè)、鐵路、電力、城市三維建模等領(lǐng)域。本文著重從技術(shù)應(yīng)用的角度論述該系統(tǒng)的原理、組成、特點，并從實際應(yīng)用的角度對該方法在大比例尺測繪中的可行性進行分析。

2 機載激光雷達測量測量系統(tǒng)

激光雷達測量系統(tǒng)作為一種新興的測繪手段，具有傳統(tǒng)攝影測量無法比擬的優(yōu)勢。該系統(tǒng)能夠全天候作業(yè)，不需要大量的地面控制點，不受陰影和植被覆蓋的影響，單位面積上能獲得大量的空間三維地表信息[1]，還可以同步獲取地面的數(shù)字影像和攝影中心的三維坐標，非常適合植被茂密地區(qū)、沙漠、戈壁、污染地區(qū)及人類無法到達的地區(qū)。

2.1 激光雷達測量的原理

激光是物質(zhì)在受到激發(fā)的狀態(tài)下產(chǎn)生的一種輻射波，具有很好的直線性、單色性、定向性、相干性和不易散射等特點，激光雷達 (Light Detection And Ranging,簡稱LiDAR)就是基于激光的這些特性而研制的一種測量手段。激光雷達是由發(fā)射端、接收端、數(shù)據(jù)信號處理端以及配套的軟件組成，按照工作方式的不同分為脈沖式和連續(xù)波式[2]，其中脈沖式是機載激光雷達測量系統(tǒng)中常用的方式。在測量的過程中，首先由發(fā)射端向目標發(fā)射激光束，然后由接收端接收目標反射的激光束，數(shù)據(jù)信號處理端記錄激光束由被發(fā)射到被接收的總時間T。假設(shè)激光雷達發(fā)射端到被測目標的距離為D，激光在空氣中的傳播速度為一定值C，則激光雷達發(fā)射端到目標的距離可用下式表示：

再結(jié)合GPS提供的激光器的位置、慣性導(dǎo)航INS提供的姿態(tài)參數(shù)、激光的掃描角度以及激光器的高度，便可以精確的計算出地面上每個激光點的坐標。

2.2 機載激光雷達測量系統(tǒng)的組成

機載激光雷達測量系統(tǒng)主要由3D激光掃描儀(Scanner)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、高分辨率的數(shù)碼相機及掃描控制裝置等組成[3]。通過獲得的地表點云數(shù)據(jù)和數(shù)碼影像可以制作DEM、DOM、DSM、DLG產(chǎn)品[4]以及地表的真三維影像。

3D激光掃描儀(Scanner)作為機載激光雷達測量系統(tǒng)的核心構(gòu)成，主要用于測量激光發(fā)射器到目標之間的距離，采用主動模式獲取地面的三維點云數(shù)據(jù)并且無需合作標志。目前機載激光雷達大多采用的是大功率、高頻率的脈沖激光，其測距的精度達到厘米級，甚至毫米級。

全球定位系統(tǒng)(GPS)主要用于獲取激光雷達測量系統(tǒng)任意時刻在測量坐標系中精確的空間位置（X、Y、Z）。目前采用的主要定位模式是GPS動態(tài)差分模式，即GPS-RTK，該模式定位速度快、定位精度高，在CORS系統(tǒng)的支持下還可以擺脫單機站在距離上的限制，大大提高了作業(yè)效率。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)主要用來確定激光雷達測量系統(tǒng)在空中的瞬時姿態(tài)。主要包括飛機的航向角、側(cè)滾角和仰俯角，這些參數(shù)主要用于計算激光點在目標上的三維坐標。

數(shù)碼相機或者CCD相機主要用來同步獲取目標物體高分辨率的地面真彩或紅外數(shù)字影像。通過影像的糾正、鑲嵌生產(chǎn)彩色的正射影像，同時還可以作為三維景觀制作的紋理數(shù)據(jù)，或輔助目標進行分類識別，為數(shù)據(jù)的后續(xù)處理提供參考等。

掃描控制裝置主要是通過改變激光傳播的路徑實現(xiàn)激光雷達由單點測量轉(zhuǎn)換為線型測量或面域測量，以實現(xiàn)將激光雷達測量技術(shù)真正地應(yīng)用到實際作業(yè)中。目前在實際應(yīng)用中主要有4種裝置，分別是旋轉(zhuǎn)多棱鏡式、鐘擺式、光纖掃描式和章動式，其中多棱鏡式和鐘擺式是機載激光雷達測量系統(tǒng)在低空測繪中應(yīng)用較多的。

2.3 激光雷達測量系統(tǒng)的特點[5]

①該系統(tǒng)是一種主動式直接測量系統(tǒng)；

②穿透能力強，能穿透植被的葉冠，到達地面；

③在作業(yè)過程中基本不需要地面控制點，基本不需要現(xiàn)場采集像控點；

④該系統(tǒng)能保證24h全天候作業(yè)；

⑤地面坐標的絕對精度高，優(yōu)于0.3m；

⑥測量的點陣數(shù)據(jù)密集，每平方米達30個點；

⑦能夠快速的采集地面點的坐標和高程數(shù)據(jù)；

⑧該系統(tǒng)不僅能測量地面點而且還可以測量一定深度的水下地形點。

但是，激光在特定天氣條件下會受到一定的影響。在大雨、大霧、濃煙等環(huán)境條件下激光的衰減較快，傳播距離受限[6]。

3 激光雷達測量技術(shù)在地形測繪中的應(yīng)用與分析

3.1 工程簡介

根據(jù)工程的需要，對某水生態(tài)園進行1∶500地形測繪。該測區(qū)地形復(fù)雜，有池塘、溝渠、道路、房屋、水田、旱地及山地，植被茂密。采用傳統(tǒng)測量方式費時費力，效率低；因植被覆蓋率高，使得無人航空攝影測量無計可施。為了滿足工程要求，擬采用中測瑞格的HawkScan600無人機機載激光雷達測繪系統(tǒng)，該系統(tǒng)為無人機機載高精度低空測繪系統(tǒng)，采用的是RIGEL VUX-1UAV激光掃描儀，激光的最大發(fā)射頻率為550kHZ。在地表反射率不低于60%的情況下，測距可達920m以上，測距的精度達到15mm；最大視場角330°，每平方米點的數(shù)量可達30個。

3.2 數(shù)據(jù)采集流程[5]

①設(shè)備安裝。包括無人機、激光雷達、地面站及GPS基站的安裝與架設(shè)。

②航線規(guī)劃。在測區(qū)范圍、地形地貌、續(xù)航時間、測區(qū)面積等條件下，為了更好的發(fā)揮設(shè)備的工作效率，需要對飛行高度、飛行速度、激光的發(fā)射頻率等參數(shù)進行設(shè)置，并布置合理的航線和飛行架次，選擇合適的起降點。

③數(shù)據(jù)采集。

④數(shù)據(jù)后處理。

數(shù)據(jù)后處理就是把外業(yè)采集的激光原始數(shù)據(jù)、GNSS原始數(shù)據(jù)、地面站數(shù)據(jù)及IMU數(shù)據(jù)融合在一起，生成坐標系統(tǒng)和高程基準都滿足工程要求的點云數(shù)據(jù)。

⑤數(shù)據(jù)分類

生成的點云數(shù)據(jù)成果數(shù)量龐大、幾乎包含所有的地形地物信息。為了從中獲取所需要的地表信息，需要對點云數(shù)據(jù)做進一步的處理，即分類處理。根據(jù)這些海量點之間的相互關(guān)系，通過算法將他們有序的分離開，形成不同的點類集群，經(jīng)過層層篩選，最終獲取測區(qū)的地表點類。

3.3 精度分析

對該生態(tài)園進行激光掃描測量后，采用Terrasolid三維點云處理軟件進行處理，共獲取了529萬個點。由于點云的位置精度主要依賴于GPS測量系統(tǒng)的精度，而GPS系統(tǒng)在測繪中獲取的位置精度是非?？煽康模谶@里僅對點云數(shù)據(jù)的高程精度與GPS差分定位的高程(本文作為地形點的理論高程值)進行對比分析，如表1。

高程誤差分析及點位密度 表2

由表2可知，在所有檢核點中最大的高程誤差為0.22m，平均誤差小于0.1m，且均方差很小，表明被檢核的點云數(shù)據(jù)誤差相對穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)分類異常的點。密林地區(qū)的點位誤差相對疏林地區(qū)略大，但總體上平均高程誤差都在0.1m以下。另外，裸露地表平均每平方米逾20個地表點，在疏林地區(qū)有近4個地表點，即使在植被覆蓋繁密的林地，平均每平方米也有2.5個以上較為精確的地表點。由此可知，無論是激光點的數(shù)量還是地表點的高程，在平原地區(qū)和密林的山區(qū)，都能夠滿足1∶500測圖精度的要求。

4 總結(jié)

高程較差表(m) 表1

機載激光雷達測量系統(tǒng)是一種新的測量手段，該方法具有速度快、獲取的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)的精度高等特點，并且能夠很好的解決航空攝影無法逾越的獲取植被覆蓋下的數(shù)據(jù)的難題，尤其是在山區(qū)，該方法將極大的提高作業(yè)的效率。但作為一種新型測量手段它也有不足之處：

①產(chǎn)品種類少、價格昂貴、后續(xù)的數(shù)據(jù)處理軟件種類少、技術(shù)還不成熟；

②影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素較多，發(fā)現(xiàn)、消除或減弱的難度大。如設(shè)備安裝造成的誤差、飛行過程中GPS信號受干擾造成的誤差、氣象條件對激光的削弱、地表植被的影像等。