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        單光子激光雷達(dá)航攝技術(shù)在地質(zhì)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查的應(yīng)用

        2021-08-06 07:07:34張?zhí)烨?/span>
        中國(guó)金屬通報(bào) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:單光子接收器激光雷達(dá)

        張?zhí)烨?/p>

        (廣州建通測(cè)繪地理信息技術(shù)股份有限公司,廣東 廣州 510663)

        地質(zhì)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查是以國(guó)有地質(zhì)局(場(chǎng))、自然保護(hù)區(qū)、森林公園等森林經(jīng)營(yíng)單位或縣級(jí)行政區(qū)域?yàn)檎{(diào)查單位,以滿足森林經(jīng)營(yíng)方案、總體設(shè)計(jì)、林業(yè)區(qū)劃與規(guī)劃設(shè)計(jì)需要而進(jìn)行的地質(zhì)資源調(diào)查。其主要任務(wù)是查清森林、林地和林木資源的種類、數(shù)量、質(zhì)量與分布,客觀反映調(diào)查區(qū)域自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件,綜合分析與評(píng)價(jià)地質(zhì)資源與經(jīng)營(yíng)管理現(xiàn)狀,提出對(duì)地質(zhì)資源培育、保護(hù)與利用意見。調(diào)查成果是建立或更新地質(zhì)資源檔案,制定森林采伐限額,進(jìn)行林業(yè)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和地質(zhì)資源管理的基礎(chǔ),也是制定區(qū)域國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和林業(yè)發(fā)展規(guī)劃,實(shí)行森林生態(tài)效益補(bǔ)償和地質(zhì)資源資產(chǎn)化管理,指導(dǎo)和規(guī)范森林科學(xué)經(jīng)營(yíng)的重要依據(jù)[1]。

        機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)是一種主動(dòng)航空遙感裝置,是實(shí)現(xiàn)地面三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精確獲取,并快速、智能化實(shí)現(xiàn)地物三維實(shí)時(shí)、變化、真實(shí)形態(tài)特性再現(xiàn)的一種國(guó)際領(lǐng)先的測(cè)繪高新技術(shù)。

        單光子激光雷達(dá)航攝技術(shù)和線性激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于接收器,它搭載了非常靈敏的接收器,甚至可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行探測(cè),單光子探測(cè)體制的信號(hào)光子利用率高,探測(cè)器噪聲相對(duì)較小,因而基于單光子探測(cè)體制的激光雷達(dá)所需激光器的單脈沖能量與基于回波波形采樣體制相比要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。更低的單脈沖能量意味著激光脈寬可以壓縮到更窄,激光器重頻可以達(dá)到更高;同時(shí)也更容易實(shí)現(xiàn)多波束并行發(fā)射,縮短地形地貌測(cè)繪的時(shí)間;還可以獲得有關(guān)表面坡度和粗糙度的信息,實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的空間高程測(cè)繪,這項(xiàng)技術(shù)最早被應(yīng)用于航天衛(wèi)星對(duì)地距離觀測(cè)上,它允許使用更小功率的激光發(fā)射器以及對(duì)更弱的激光脈沖進(jìn)行測(cè)量。因此,將單個(gè)激光器的脈沖分為10x10個(gè)光束進(jìn)行發(fā)射和接收,激光雷達(dá)的測(cè)距方式由“點(diǎn)”轉(zhuǎn)換為“面”,可以獲取更密的點(diǎn)云數(shù)據(jù),對(duì)地面的描述更為詳細(xì)。實(shí)現(xiàn)了不管在白天日光散射干擾嚴(yán)重的情況下,或是密集植被區(qū)域多次反射條件下,都能獲取到正確的地物/地面信息及強(qiáng)度信息,將單光子激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍大大拓展。

        1 單光子激光雷達(dá)航攝技術(shù)原理

        目前我們最常接觸到的機(jī)載激光雷達(dá),例如徠卡ALS系列機(jī)載激光雷達(dá),使用的都是線性接收器,即每束激光脈沖發(fā)射后,經(jīng)過(guò)地物的一次或多次反射,且反射能量超過(guò)接收器閾值時(shí),就會(huì)被當(dāng)做一次“有效回波”記錄下來(lái),而且回波強(qiáng)度信息和回波能量呈線性相關(guān)。

        圖1 線性激光雷達(dá)測(cè)量方式示意圖

        線性激光雷達(dá)所獲取的數(shù)據(jù)具備很高的空間和輻射精度。然而,這項(xiàng)技術(shù)在提高最大有效脈沖頻率時(shí)會(huì)遇到瓶頸,受制于激光回波必須要具備“較高能量”才能被接收器所探測(cè)到,所以目前最頂級(jí)的線性激光雷達(dá),如徠卡TerrainMapper,每秒鐘有效脈沖頻率約2.0MHz,大多數(shù)線性激光雷達(dá)都無(wú)法達(dá)到這一指標(biāo)。通常線性激光雷達(dá)的有效脈沖頻率等于“激光器有效脈沖頻率x激光器個(gè)數(shù)”。

        徠卡SPL100單光子激光雷達(dá),和線性激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于接收器,它搭載了非常靈敏的接收器,甚至可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行探測(cè),這項(xiàng)技術(shù)最早被應(yīng)用于航天衛(wèi)星對(duì)地距離觀測(cè)上,它允許使用更小功率的激光發(fā)射器以及對(duì)更弱的激光脈沖進(jìn)行測(cè)量。因此,SPL100將單個(gè)激光器的脈沖分為10x10個(gè)光束進(jìn)行發(fā)射和接收,激光雷達(dá)的測(cè)距方式由“點(diǎn)”轉(zhuǎn)換為“面”,從而將有效脈沖頻率的計(jì)算方式更新為“激光器有效脈沖頻率x光束數(shù)量”,即60kHz x 100=6.0MHz。

        圖2 單光子激光雷達(dá)測(cè)量方式示意圖

        利用航拍影像(包括原始斜片影像和處理后的正射影像)中包含的建筑的圖像信息,為城市建筑模型創(chuàng)建紋理貼圖。

        2 單光子激光雷達(dá)航攝技術(shù)及產(chǎn)品

        為了驗(yàn)證該技術(shù),我們?cè)趶V西地質(zhì)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查采用了最新的單光子激光雷達(dá)航攝技術(shù)。

        2.1 采用的單光子設(shè)備

        Leica SPL100是徠卡測(cè)量系統(tǒng)推出的首臺(tái)使用了Sigma Space科技的傳感器,徠卡SPL100通過(guò)100個(gè)光束可以前所未有的實(shí)現(xiàn)每秒鐘采集600萬(wàn)個(gè)激光點(diǎn),HxMap能夠在單操作界面下提供完整的后處理相關(guān)功能,并且生成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的影像和激光點(diǎn)云產(chǎn)品。徠卡SPL100的高效數(shù)據(jù)獲取效率和HxMap的強(qiáng)大后處理能力,能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍或更加常態(tài)化的激光數(shù)據(jù)獲取,可以支持密集植被測(cè)繪或變化檢測(cè)等行業(yè)應(yīng)用。

        Leica SPL100系統(tǒng)參數(shù):

        表1 Leica SPL100系統(tǒng)性能參數(shù)表

        2.2 航飛設(shè)計(jì)

        基于單光子技術(shù)的發(fā)射頻率比傳統(tǒng)激光高6倍以上,本次航攝的設(shè)計(jì)航高也比傳統(tǒng)激光要高,飛機(jī)地速大大提高,航攝效率得以提高。

        2.3 航攝數(shù)據(jù)預(yù)處理

        數(shù)據(jù)預(yù)處理的內(nèi)容:

        (1)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓,獲取GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、原始激光測(cè)距數(shù)據(jù)等。

        (2)將同一架次的POS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、地面基站觀測(cè)數(shù)據(jù)、飛行記錄數(shù)據(jù)、基站控制點(diǎn)數(shù)據(jù)和激光測(cè)距數(shù)據(jù)等進(jìn)行整理,獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)校正、噪聲點(diǎn)剔除、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理,生成滿足要求的點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)。

        圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程圖

        2.4 點(diǎn)云分類

        本次點(diǎn)云分類是基于地質(zhì)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查而定的。點(diǎn)云分類是由原始激光數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解算,并對(duì)平面和高程進(jìn)行校正后,進(jìn)行精細(xì)分類,分別提取噪點(diǎn)、地面點(diǎn)、植被點(diǎn)和其他非植被點(diǎn)。

        表2 點(diǎn)云分類層定義

        2.5 數(shù)據(jù)成果

        2.5.1 三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

        激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅僅包含X、Y、Z坐標(biāo)信息,還包括如反射強(qiáng)度等其它多種信息。根據(jù)具體需求,激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度可達(dá)到100點(diǎn)/平方米以上,高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)能精確反映地形地貌細(xì)節(jié)。

        2.5.2 數(shù)字高程模型(DEM)

        基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠快速高質(zhì)地生成高精度DEM成果,DEM高程可達(dá)到優(yōu)于10cm精度。

        2.5.3 數(shù)字表面模型(DSM)

        DSM是用含有首次回波信息的激光數(shù)據(jù)擬合生成的地表模型,DSM模型對(duì)地表的房屋和樹木有很好的表現(xiàn),DSM反映了區(qū)域表面的高低起伏,DSM=DTM+非地形要素,由于LiDAR原始數(shù)據(jù)為三維點(diǎn)數(shù)據(jù),因此生成DSM,需要進(jìn)行插值算法。

        3 單光子激光雷達(dá)航攝數(shù)據(jù)處理技術(shù)在地質(zhì)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

        3.1 林區(qū)建設(shè)規(guī)劃管理

        林場(chǎng)建設(shè)管理中涉及到土 方量、橫斷面、通視分析、 光照分析等方面的需求, 通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)獲取的 高精度數(shù)字高程模型、數(shù)字地表模型可以用于橫斷面的直接量測(cè)獲取,還可 以用于林區(qū)瞭望塔通視分 析,土方量計(jì)算,光照分 析、分析地形的流域面積 以及匯水線,為防災(zāi)救災(zāi) 提供水流的匯集路線,針對(duì)性的進(jìn)行治理等。

        3.2 生成植被冠層數(shù)據(jù)CMH,獲取森林參數(shù)

        通過(guò)點(diǎn)云分類分出林下地形數(shù)據(jù)與林上數(shù)據(jù)利用分類后的林上點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建DSM,林下地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建DEM,CHM=DSM-DEM.從而獲得林木高度,面積、林塊冠層體積等森林參數(shù)信息,來(lái)提高基礎(chǔ)測(cè)繪生產(chǎn)效率和減少外業(yè)工作量。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)能同時(shí)獲取樹冠底部的地形信息以及樹高信息,可分析植被并加以分類,計(jì)算樹高、株數(shù)等信息。

        3.3 Liar數(shù)據(jù)估測(cè)林分生物量和蓄積量

        用Lidar數(shù)據(jù)估測(cè)林分生物量和蓄積量采用統(tǒng)計(jì)分析的方法建立回歸模型進(jìn)行估測(cè)模型參數(shù)有樹高胸徑和株數(shù)等。因此,對(duì)生物量和蕾積量參數(shù)的提取首先需要用 Lidar數(shù)據(jù)準(zhǔn)確估測(cè)樹高和胸徑等參數(shù)。根據(jù)樹木生長(zhǎng)的相關(guān)規(guī)律樹木的高度和胸徑、蓄積量等存在著定的相關(guān)關(guān)系這種生物約束機(jī)制為利用激光雷達(dá)反演的高度信息進(jìn)行森林生物量建模,結(jié)合當(dāng)?shù)毓獾南嚓P(guān)生長(zhǎng)方程而采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法,可以獲得林分生物量和蓄積量。

        3.4 森林防火演習(xí)和救災(zāi)

        機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)獲取準(zhǔn)確的樹高、樹木密度等信息,進(jìn)而建立起林區(qū)的三維場(chǎng)景,可以直觀清晰的標(biāo)出火災(zāi)位置、水源位置、火災(zāi)大小、蔓延方向、未來(lái)幾個(gè)小時(shí)內(nèi)需要撤退的村莊,調(diào)集消防人員和防火器材。因此機(jī)載激光測(cè)量成果其在森林防火中必將具有很好的應(yīng)用前景[2]。

        4 結(jié)語(yǔ)

        單光子激光雷達(dá)技術(shù)的的優(yōu)點(diǎn)是高密度、高精度的森林三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),直接獲取高精度的林木和林下地形數(shù)據(jù),改變以往先人力實(shí)地查勘和估算的作業(yè)手段。點(diǎn)云可以直接獲取冠層高度、林下地形面積和表面積、截面的垂直分布,分割點(diǎn)云可以推算冠幅、冠層體積、大樹的株數(shù)密度、通過(guò)生長(zhǎng)方程估算胸高斷面積、平均胸徑、蓄積量、通過(guò)更新動(dòng)態(tài)掃描可以獲取地上生物量,林木生長(zhǎng)量、砍伐、森林碳匯等重要的數(shù)據(jù),有著廣泛的應(yīng)用前景,當(dāng)前還存在一些針葉林和闊葉林的參數(shù)差異較大,分析軟件不完善等問(wèn)題,希望通過(guò)進(jìn)一步的研究,技術(shù)的不斷進(jìn)步,前景也越來(lái)越好。

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