近年來,網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)及GPS技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展成熟,機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)正蓬勃發(fā)展,歐美等一些發(fā)達(dá)國家逐步研制出很多種機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng),它的應(yīng)用已超國遙感所覆蓋的范圍和傳統(tǒng)測(cè)量,成為一種特有的數(shù)據(jù)獲取方式。
機(jī)載激光雷達(dá)是導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)以及激光慣性3種技術(shù)集于一身的空間測(cè)量系統(tǒng)。此系統(tǒng)是將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光掃描儀、GPS接受機(jī)、數(shù)碼相機(jī)以及控制元件等搭載在載體的飛機(jī)之上。它主動(dòng)朝地面發(fā)射激光脈沖,接受反射脈沖并對(duì)所使用的時(shí)間及時(shí)記錄,計(jì)算出激光掃描儀距離地面的距離,POS系統(tǒng)所測(cè)得的姿態(tài)信息和位置能夠計(jì)算出地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
比較傳統(tǒng)的攝影測(cè)量,激光雷達(dá)可以進(jìn)行直接獲取目標(biāo)的三維信息,數(shù)據(jù)到有用信息的過程得以縮短。激光雷達(dá)的明顯特征是激光能夠穿透植被的葉面抵達(dá)地表,同時(shí)獲取植被和地面的信息,探測(cè)細(xì)小目標(biāo)也可以被探測(cè)到,從而獲取的數(shù)據(jù)信息豐富,目前來說是其他技術(shù)所不及的。
二、數(shù)據(jù)的采集
1、數(shù)據(jù)采集前準(zhǔn)備工作
在數(shù)據(jù)采集之前需要進(jìn)行多方面詳細(xì)周密的準(zhǔn)備工作,其中主要包括選擇檢校場(chǎng)、設(shè)計(jì)航線、申請(qǐng)空域和布設(shè)地面基準(zhǔn)站。
2、申請(qǐng)空域
在任何一個(gè)航攝任務(wù)執(zhí)行前要按照規(guī)定向有關(guān)部門提出空域取得航飛權(quán)的申請(qǐng)。在航飛權(quán)期間挑選最好的天氣飛行,這樣可以使拍攝影像的質(zhì)量得到保證。
3、航線設(shè)計(jì)
在對(duì)航飛路線設(shè)計(jì)時(shí),要遵循經(jīng)濟(jì)、周密、安全和高效的原則,選則專門的航飛設(shè)計(jì)軟件來對(duì)飛行路線進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常在航線設(shè)計(jì)時(shí),要參考小比例尺的二維平面地形圖,綜合的進(jìn)行測(cè)區(qū)的地貌、地形、機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備的參數(shù)(掃描角、相機(jī)鏡頭焦距、掃描頻率等)天氣條件(霧、云、煙塵、降雨等等)航帶重疊度、航帶寬度和用戶要求的點(diǎn)云密度考慮,設(shè)計(jì)出符合項(xiàng)目精度要求的航線。設(shè)計(jì)出良好的航線,能夠在精度要求被滿足的前提下降低成本,節(jié)省飛行時(shí)間。
3、布設(shè)地面基準(zhǔn)站
在測(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的GPS基準(zhǔn)站,對(duì)動(dòng)態(tài)GPS定位,通常來說基站間距為30~5km。將基站構(gòu)建成SmarBase網(wǎng)解算GPS數(shù)據(jù),大氣誤差能夠減小同時(shí)也可減小電離層延遲誤差、衛(wèi)星鐘差及軌道差、對(duì)流層延遲誤差等等一系列誤差。假如要用這種方法解算GPS數(shù)據(jù),則布設(shè)的GPS基準(zhǔn)站就需要包圍整個(gè)測(cè)區(qū),間距設(shè)置在70km為宜。在測(cè)區(qū)中也要布設(shè)1~2個(gè)基準(zhǔn)站,用于在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后快速的對(duì)所測(cè)點(diǎn)云與已知點(diǎn)的絕對(duì)誤差進(jìn)行檢測(cè)。
檢校場(chǎng)的選擇:在數(shù)據(jù)采集的前后,都要進(jìn)行對(duì)設(shè)備的檢校,通常通過處理檢校場(chǎng)數(shù)據(jù)、采集以及安裝軸間精密的偏心角和計(jì)算出各儀器之間精密的偏心分量,繼而對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)糾正系統(tǒng)誤差,使精度提高。
IMU的3個(gè)角即俯視角、側(cè)滾角、航片角的檢校,地形上要求有一定的坡度,但這個(gè)坡度不能太大,同時(shí)地形的范圍要大些,以保證航線有足夠長(zhǎng)度。通常選擇有山坡、平地、房屋的地區(qū)作為檢校場(chǎng)。在進(jìn)行飛檢校場(chǎng)時(shí),通常飛“田”字形或者“井”字形。
4、采集數(shù)據(jù)
在飛機(jī)起飛前三十分鐘,將地面基準(zhǔn)站上GPS接收機(jī)打開,在飛行到測(cè)區(qū)之前,將POS系統(tǒng)打開,并靜止一段時(shí)間,繼而按著“8”字形飛,在飛完后進(jìn)行 五分鐘的直飛,從而保證POS系統(tǒng)能夠處于最佳的工作狀態(tài),然后開始數(shù)據(jù)的采集。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),飛機(jī)可以按照設(shè)計(jì)航線進(jìn)行自動(dòng)飛行,相機(jī)和掃描儀、POS系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)來采集數(shù)據(jù)。采集完數(shù)據(jù)之后再依次直飛五分鐘、倒“8”字形飛、幾分鐘靜止,并關(guān)掉POS系統(tǒng),地面GPS接收機(jī)在飛機(jī)關(guān)掉POS系統(tǒng)之后的三十分鐘再關(guān)。
假如機(jī)場(chǎng)離測(cè)區(qū)比較遠(yuǎn),在采集測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)前后就不用飛倒“8”的字形??偠灾?,在數(shù)據(jù)采集之前,POS系統(tǒng)要保證處于良好工作狀態(tài)。
三、Lidar數(shù)據(jù)的分類處理
Lidar數(shù)據(jù)包含許多類型,比如植被、房屋建筑、地表等等,假如要對(duì)DTM(數(shù)字地形模型)提取,就必須要分離開地表點(diǎn)和非地表類型點(diǎn),也就是說要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分類,目前位置Lidar數(shù)據(jù)點(diǎn)濾波的力法很大一部分都是基于三維激光數(shù)據(jù)腳點(diǎn)中的高程突變信息來進(jìn)行的,概括來說主要有基于地形坡度濾波,迭代線性最小二乘內(nèi)插法,移動(dòng)窗口法和移動(dòng)曲面擬合法等。
Lidar數(shù)據(jù)首先通常剔除噪聲點(diǎn),包括折射等一些會(huì)造成的高程異常點(diǎn),然后采用專業(yè)軟件進(jìn)行適合的參數(shù)設(shè)置,TerraScan軟件是處理地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)或者機(jī)載的通用軟件包,是根據(jù)窗口移動(dòng)法來分類提取地面點(diǎn)。
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用POS的動(dòng)態(tài)定位來計(jì)算出激光點(diǎn)坐標(biāo)屬WGS84坐標(biāo)體系,而大多測(cè)區(qū)采用地方坐標(biāo)系,所以要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來獲取最終的成果,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包含兩個(gè)方面:正常高轉(zhuǎn)換與平面坐標(biāo)體系的轉(zhuǎn)換。平面坐標(biāo)體系轉(zhuǎn)換通常情況通過聯(lián)測(cè)地方坐標(biāo),用七參數(shù)法轉(zhuǎn)換得到,正常高轉(zhuǎn)換是則是根據(jù)測(cè)區(qū)的高程控制點(diǎn)擬合的,是大地水準(zhǔn)面計(jì)算而得到的。
四、機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)相比,機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)有很大的綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
1、成果的整體精度更高
?。?)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由激光直接進(jìn)行測(cè)量而得到的,傳統(tǒng)的航測(cè)本質(zhì)上是根據(jù)有限的幾個(gè)像控點(diǎn)依據(jù)航測(cè)理論擬合測(cè)量。
?。?)三維激光雷達(dá)系統(tǒng)采集的原始點(diǎn)的密度要高于傳統(tǒng)的航測(cè),每平方米平均可達(dá)到一個(gè)或者是十幾個(gè)原始的數(shù)據(jù)點(diǎn),傳統(tǒng)航測(cè)立體像對(duì)與模擬技術(shù)采集所不能相比的。
(3)高程測(cè)量精度要比其它測(cè)繪方法高,尤其是在對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量手段里存在較大困難的樹木覆蓋的地區(qū),激光有著比較強(qiáng)的穿透能力,可以獲得到更高精度的地形表面的數(shù)據(jù)。
2、生產(chǎn)效率高、工期短
?。?)航飛的高度比較低,因?yàn)槭侵鲃?dòng)發(fā)射激光脈沖測(cè)量的,在航飛的過程中受到天氣的影響比傳統(tǒng)航測(cè)影響要小很多,適合飛行的天氣比較多。
?。?)機(jī)載Lidar測(cè)量技術(shù)僅僅只需要少量的人工進(jìn)行野外測(cè)量工作,自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)水平較高。
?。?)綜合利用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和二維航空影像數(shù)據(jù),在內(nèi)業(yè)就能夠清晰判別很大部分的地物,使傳統(tǒng)航測(cè)的外業(yè)調(diào)繪工作量大大減少。
?。?)根據(jù)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)能直接并獲得DSM/DEM等成果。
3、成果質(zhì)量更加有保障
三維激光雷達(dá)系統(tǒng)是同時(shí)采集數(shù)碼影像、激光點(diǎn)云等許多源原始數(shù)據(jù),在這些數(shù)據(jù)間能夠彼此互相驗(yàn)證,而傳統(tǒng)的航測(cè)只是采集單影像類的原始數(shù)據(jù)。
結(jié)語:
機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在以下幾方面的主要應(yīng)用:
1、測(cè)制帶狀的地形圖
包括測(cè)繪道路測(cè)量、鐵路線路、道路設(shè)計(jì)和規(guī)劃、交通運(yùn)輸、海岸侵蝕監(jiān)測(cè)、海岸地帶管理、輸電線路和管理、河道和水資源等等。
2、環(huán)境檢測(cè)和災(zāi)害調(diào)查
主要適用于自然災(zāi)害的災(zāi)后響應(yīng)與評(píng)估。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)能及時(shí)、快速并準(zhǔn)確地直接服務(wù)自然災(zāi)害評(píng)估、管理和監(jiān)測(cè)上。在我國去年5.12地震中失事直升機(jī)的搜索范圍的圈定,利用的就是機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)通過ADS40航空數(shù)碼相機(jī)相結(jié)合,向難度較高的搜尋工作提供了高精度的、可靠的地形數(shù)據(jù)。
3、測(cè)繪海岸地區(qū)
包括淺海岸侵蝕的動(dòng)態(tài)、海岸帶測(cè)繪、海水深測(cè)量的監(jiān)測(cè)。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用相比較于其他測(cè)繪技術(shù)是有非常大的優(yōu)勢(shì)。
4、林業(yè)項(xiàng)目
按照機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量出的數(shù)據(jù),對(duì)森林樹木的覆蓋面積和覆蓋率進(jìn)行分析,對(duì)樹木的疏密程度進(jìn)行了解,年長(zhǎng)樹木覆蓋的面積與年幼樹木覆蓋的面積。
5、城市三維建模
城市是GIS研究與應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)非常重要方面,3d城市模型是很多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域急切需要的,已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、無線通訊等一系列領(lǐng)域,比如在城市規(guī)劃中的建筑物地下管線、景觀模擬的3d顯示等問題。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量能夠提供精確與高密度觀測(cè)值,應(yīng)用前景廣闊。
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