機載激光雷達系統(tǒng)(Light Detection And Ranging,簡稱LIDAR),也叫機載激光雷達,是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統(tǒng),它集成了激光掃描儀、差分GPS系統(tǒng)、IMU(Inertial Measurement Unit,慣性量測單元,用以量測飛機平臺的飛行姿態(tài))、數(shù)碼相機。在動態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)和IMU的支持下,激光掃描系統(tǒng)通過激光掃描器和距離傳感器,經(jīng)由微計算機對測量資料進行內(nèi)部處理,顯示或存儲、輸出距離和角度等資料,并與距離傳感器獲取的數(shù)據(jù)相匹配,經(jīng)過相應軟件進行一系列處理來獲取被測目標的表面形態(tài)和三維坐標數(shù)據(jù),從而進行各種量算或建立立體模型。
在過去十年,機載LIDAR作為精確、快速的獲取地面三維數(shù)據(jù)的工具已經(jīng)得到廣泛的認同。至2004年全球已經(jīng)有超過30類不同型號的激光掃描系統(tǒng)投放市場。加拿大Optech公司生產(chǎn)的ALTM和SHOALS、美國Leica公司的ALS50、瑞典的TopoEye AB公司生產(chǎn)的TopEye、德國IGI公司的LiteMapper、法國Toposys公司的FalconⅡ等是當前較成熟的商業(yè)系統(tǒng)。
1 LIDAR數(shù)據(jù)獲取 的基本原理
當機載LIDAR航攝飛行時,激光掃描儀發(fā)射、接收激光束,對地面進行線狀掃描,與此同時,動態(tài)GPS系統(tǒng)確定傳感器的空間位置(經(jīng)緯度),IMU測量飛機的實時姿態(tài)數(shù)據(jù),即滾動、仰俯和航偏角。由于系統(tǒng)的幾個部分同步工作并集成于一體,GPS 和IMU的數(shù)據(jù)融合極為方便,所以經(jīng)后期地面數(shù)據(jù)處理后,即可獲取地面的三維數(shù)據(jù)。
2 LIDAR數(shù)據(jù)的獲取和處理
2.1 LIDAR設備選擇
在某市1∶500比例尺地形測量項目中,高程精度的要求優(yōu)于0.15 m,我們選擇了加拿大Optech公司的ALTM3100。基于30年的LIDAR生產(chǎn)經(jīng)驗,新一代的ALTM-3100采樣頻率高達100 kHz,1200 m航高以下高程精度達到0.15 m,平面精度可以達到航高的1/3000,能夠滿足設計需求。
2.2 航攝高度和飛行時間的選擇
LIDAR數(shù)據(jù)的精度與航攝高度有關,本攝區(qū)航攝的目的是為1∶500基礎測繪數(shù)字產(chǎn)品提供高程數(shù)據(jù),為確保測繪成果的質(zhì)量,根據(jù)現(xiàn)行相關技術標準的規(guī)定和ALTM-3100的性能規(guī)格,以及飛機性能和攝區(qū)對航高的約束條件,設計飛行高度為800 m。
LIDAR系統(tǒng)是一個先進的主動傳感系統(tǒng),它不依賴太陽光照,所以在獲取地面三維信息時可以考慮夜航。飛行作業(yè)中,需根據(jù)測區(qū)內(nèi)實際星歷數(shù)據(jù)情況,選擇避開GPS信號較弱時段。為了避免植被,尤其是農(nóng)作物對真實地面的干擾,建議選擇秋冬季節(jié)進行航飛。所以測區(qū)的航攝時間選擇在當年10月至次年1月間,并且增加了夜航。
2.3 LIDAR數(shù)據(jù)的獲取
該1∶500地形測量項目共涉及飛行11個架次,其中1個架次為檢校場飛行,用于ALTM-3100系統(tǒng)檢校,其他10個架次為測區(qū)航攝飛行。全測區(qū)面積810 km2,航線總計81條,總長2613.5 km2,飛行高度800 m,有效飛行時間為29小時30分。激光掃描儀脈沖頻率100 kHz,掃描頻率43 Hz,掃描角度21°,旁向重疊率30%,激光點地面點間距0.52 m。
2.4 LIDAR數(shù)據(jù)的處理
LIDAR航攝飛行結(jié)束后,要盡快對航飛數(shù)據(jù)進行有效性評價,決定是否需要補飛或重飛,進而解算激光點數(shù)據(jù),并進行分類處理。
2.4.1 LIDAR數(shù)據(jù)處理流程
原始數(shù)據(jù)解碼:原始采集的激光數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)(定位定向數(shù)據(jù),包括DGPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù))需要進行解碼,從而獲得GPS文件,IMU文件,激光點文件等;POS數(shù)據(jù)處理:機載POS與地面基站GPS進行差分和融合,獲得精確坐標;激光數(shù)據(jù)處理:處理后的POS數(shù)據(jù)與激光點數(shù)據(jù)融合,獲得地面坐標;輸出激光點文件。
2.4.2 LIDAR數(shù)據(jù)處理說明
解算原則,方法:實際解算,采用多邊形范圍輸出,以單條航線存儲為一個激光點文件;坐標系統(tǒng),采用WGS84橢球,UTM投影坐標系;POS處理說明:處理基站時,使用某市所在省份的GPS控制網(wǎng),并同時保證機場附近架設一個基站,由觀測手簿獲得基站坐標及天線高;使用基站時,盡可能多的使用離測區(qū)范圍最近的所有基站。航帶重疊處理:航線與航線之間重疊的部分,根據(jù)航線,將重疊部分的數(shù)據(jù)劃分出去,減小數(shù)據(jù)量。
2.4.3 LIDAR數(shù)據(jù)分類處理
LIDAR數(shù)據(jù)包括很多類型,例如房屋建筑、植被、水體、地表、管線等,如果要提取DTM(Digital Terrain Model,數(shù)字地形模型),就必須將非地表類型點和地表點分離開,也就是要進行數(shù)據(jù)分類。目前基于LIDAR數(shù)據(jù)點濾波的方法絕大部分都是基于三維激光數(shù)據(jù)腳點的高程突變等信息進行的,概括來講主要有移動窗口法,迭代線性最小二乘內(nèi)插法,基于地形坡度濾波和移動曲面擬合法等幾種。
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