激光探測及測距系統(tǒng)(LIDAR)技術(shù)的應(yīng)用

1、激光探測及測距系統(tǒng)(LIDAR)技術(shù)的應(yīng)用錢 燦 興(靖江市測繪院有限公司,江蘇 靖江 214500)摘 要 文章介紹了激光探測及測距系統(tǒng)LIDARD的基礎(chǔ)知識及該技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用流程。通過與傳統(tǒng)航測技術(shù)的比較，說明LIDAR技術(shù)在航測技術(shù)發(fā)展中的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞 激光探測及測距系統(tǒng)LIDAR（LIGHT DETECTION AND RANGING）全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS慣性測量系統(tǒng)IMU（Inertial Measuring Units） 引言文中所提及LIDAR 技術(shù)是目前國內(nèi)航空測繪業(yè)正處于理論研究和生產(chǎn)探索的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)已在美國得到廣泛應(yīng)用，已產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)不但使

2、航測工程周期大為縮短，而且克服了傳統(tǒng)航測技術(shù)中的幾個(gè)難點(diǎn)，是一項(xiàng)值得研究和推廣的技術(shù)。通過與美國EARTHDATE公司的技術(shù)交流與合作，對該技術(shù)我們已有所體會。本文將對該項(xiàng)技術(shù)做一些介紹，以便大家對LIDAR有所認(rèn)識。1 LIDAR系統(tǒng)的組成及工作原理LIDAR是LIGHT DETECTION AND RANGING的首字母組合，即激光探測及測距系統(tǒng)，它是采用單個(gè)激光脈沖量測從激光源到目標(biāo)，再回到激光接收器的時(shí)間，同時(shí)結(jié)合飛機(jī)上傳感器定位、定向數(shù)據(jù)，精確量測出被測物體（目標(biāo)）的三維坐標(biāo)。1.1 LIDAR數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成 機(jī)載GPS，為飛機(jī)提供準(zhǔn)確空間定位。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，為激光束提供確

3、切方向。 激光發(fā)射，接收裝置。 反射鏡，用于將發(fā)射的激光束反射到地面。1.2 LIDAR系統(tǒng)的工作原理激光發(fā)射裝置按設(shè)置好的時(shí)間間隔不斷發(fā)射激光束，激光束打在反射鏡上，通過反射鏡的左右擺動，將激光束反射到地面上。激光束碰到物體，將發(fā)生反射，此時(shí)機(jī)載接收裝置將記錄返回信號，即記錄一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。激光束在發(fā)生反射時(shí)，并非一次全部反射。當(dāng)激光束經(jīng)多次反射，接收裝置將記錄多個(gè)相應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)。飛機(jī)沿航線飛行，激光發(fā)射、接收裝置不斷采集、記錄地面數(shù)據(jù)點(diǎn)。完成整個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。若設(shè)計(jì)測區(qū)過大，則可采用多次起飛的方式獲得整個(gè)測區(qū)的數(shù)據(jù)。1.3 LIDAR系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)能提供的基礎(chǔ)產(chǎn)品 數(shù)字高程模型； 正射影像

4、的生成； 三維地物矢量識別和提??； 三維模型1.4 LIDAR技術(shù)產(chǎn)品的可應(yīng)用領(lǐng)域 生成各種比例尺的地形圖； 各類管線網(wǎng)絡(luò)的建立和線路設(shè)計(jì)； 城市三維模型的建立； 河流的監(jiān)控、治理； 地物的識別和提??； 城市管理； 水災(zāi)防治等等。2 LIDAR技術(shù)的生產(chǎn)流程圖 1 生產(chǎn)流程圖2.1 流程圖說明LIDAR技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)，其過程分為三部分，為預(yù)處理、后期處理、質(zhì)量檢查。質(zhì)量檢查須兩次，分別在預(yù)處理、后期處理結(jié)束后進(jìn)行。2.1.1 預(yù)處理將LIDAR的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)誤差改正，坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，按要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行塊裁切的過程，過程說明如下： 檢查測區(qū)覆蓋情況。保證所有航線完全覆蓋整個(gè)測區(qū)，無漏洞，所有數(shù)據(jù)

5、分布均勻，合理。 確定系統(tǒng)誤差改正參數(shù)。是用飛機(jī)場區(qū)域，沿跑道的往返飛行及垂直跑道的飛行所采集的數(shù)據(jù)來確定的。用沿跑道往返飛行的數(shù)據(jù)進(jìn)行Roll 誤差和Pitch 誤差改正參數(shù)的確定，用垂直跑道飛行的數(shù)據(jù)確定Variable Scan Angle 誤差的改正參數(shù)。參數(shù)確定后，對所有航線進(jìn)行角度系統(tǒng)誤差改正。 利用地面控制點(diǎn)將數(shù)據(jù)點(diǎn)高程納入要求的高程系統(tǒng)中。即，進(jìn)行高程誤差的改正。不同航線間亦要進(jìn)行高程系的匹配。 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到客戶要求的坐標(biāo)系統(tǒng)中。不同的客戶可能有不同的要求。這一步并非必須。 做完以上處理后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行航線拼接并裁切分塊，按要求提取數(shù)據(jù)，分別生成數(shù)字地面模型或反射表面產(chǎn)品，為后續(xù)

6、處理準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。以上為預(yù)處理的一般步驟。至關(guān)重要的是系統(tǒng)誤差改正參數(shù)的確定，其決定了整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量和可信性。2.1.2 數(shù)據(jù)的后續(xù)處理其主要工作是對預(yù)處理過的數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)的高程信息，區(qū)別定性分類，生成最終產(chǎn)品。這里的分類實(shí)際上是，按某一點(diǎn)數(shù)據(jù)的高程信息區(qū)分該點(diǎn)是否是地表點(diǎn)，若不是則歸為不同的類別內(nèi)，例如：水系，建筑等。具體過程為： 初始分類。利用宏命令，自動分類。 對初步分類后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工處理，使數(shù)據(jù)分類進(jìn)一步細(xì)化，使數(shù)據(jù)表達(dá)更加準(zhǔn)確。這時(shí)還可依據(jù)相應(yīng)區(qū)域的正射影像來分析判斷。處理的主要對象為自動處理無法識別的數(shù)據(jù)點(diǎn)。2.1.3 數(shù)據(jù)檢查 預(yù)處理的質(zhì)量控制。需要進(jìn)行預(yù)處理過程中按要求保留的

7、說明文件及圖形的檢查，檢查誤差改正是否達(dá)到要求，檢查處理過程是否正確等工作。 后期處理的質(zhì)量控制主要是檢查處理好的數(shù)據(jù)是否真實(shí)合理，是否按要求進(jìn)行了分類。2.1.4 LIDAR數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)的可能LIDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集和記錄，實(shí)時(shí)表述了地面。據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)生成的不規(guī)則三角網(wǎng)，能很好的模擬地表變化，地物的特征能很好的體現(xiàn)，如果配合等高線，實(shí)時(shí)影象等其他方法，即能準(zhǔn)確的判斷地物做出類別區(qū)分。3 LIDAR技術(shù)與常規(guī)攝影測量特點(diǎn)的比較說明3.1 兩項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)的比較LIDAR技術(shù)的特點(diǎn)： 主動獲取地面數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，精度一致，不受陰影的影響。 直接獲取地面三維數(shù)據(jù)。 短時(shí)間內(nèi)覆蓋大面積區(qū)域。 數(shù)據(jù)量大

8、。常規(guī)攝影測量技術(shù)的相應(yīng)特點(diǎn)： 被動獲取地面數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)點(diǎn)分布難以控制，極受陰影的影響。 通過數(shù)據(jù)采集獲取地面三維數(shù)據(jù)。 大面積數(shù)據(jù)很難在短時(shí)間內(nèi)獲取。 數(shù)據(jù)量不能確定。3.2 LIDAR技術(shù)的比較說明 LIDAR通過記錄激光信號從發(fā)射到返回的時(shí)間，獲得地表被動物體的三維坐標(biāo)。它的激光束，是由機(jī)載儀器主動發(fā)射的，其發(fā)射的頻率可以控制。這種方式獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，精度一致。傳統(tǒng)航測技術(shù)是借助太陽光的反射光對地面進(jìn)行識別，它的三維數(shù)據(jù)的獲取，還要經(jīng)歷數(shù)據(jù)采集的過程，其數(shù)據(jù)獲取周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LIDAR技術(shù)數(shù)據(jù)獲取周期。另外，借助太陽反射光，將無法避免陰影造成的數(shù)據(jù)短缺，LIDAR則不存在這方面的問題

9、。 LIDAR借助反射鏡的左右擺動將激光脈沖信號反射到地面。然后收集其返回信號，沿地面收集點(diǎn)狀數(shù)據(jù)。反射鏡的擺動角度是可變的，因此LIDAR掃描地面的航帶寬度可以調(diào)節(jié)，使其精確與航攝寬度相匹配。傳統(tǒng)航測中的常規(guī)航攝儀只能覆蓋航攝航線的20%30%。另外LIDAR系統(tǒng)可以高空操作，根據(jù)不同的地表情況，使其平面精度可達(dá)到1米，高程精度可達(dá)15-60厘米，收集的數(shù)據(jù)點(diǎn)間距達(dá)到2-12厘米。 LIDAR可以收集激光脈沖的多次返回信號，而一次返回即是一個(gè)點(diǎn)狀數(shù)據(jù)信息，這樣一來，它所采集的數(shù)據(jù)將成倍于常規(guī)攝影測量。并且它所提供的是精確的地面信息。LIDAR系統(tǒng)高程數(shù)據(jù)精確度不受航飛高度的限制，而傳統(tǒng)航測中

10、，無論如何，其高程數(shù)據(jù)精度都是受制于航飛高度的。通過以上比較發(fā)現(xiàn)： LIDAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集已克服了常規(guī)航攝過程中太陽角、航高、光線等許多自然因素的影響，避免了所造成的信息不確定性。也因此LIDAR系統(tǒng)可以在夜間和陰天進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 LIDAR數(shù)據(jù)完全可以同常規(guī)航攝數(shù)據(jù)一樣來使用，它的精度及準(zhǔn)確度甚至優(yōu)于后者。 LIDAR數(shù)據(jù)是三維點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，屬于地理信息，能夠很容易與其它類型要素或影像數(shù) 據(jù)合并。 LIDAR數(shù)據(jù)最大特征在于數(shù)據(jù)的分類提取非常容易，并且可用計(jì)算機(jī)自動識別和提取。4 LIDAR技術(shù)的應(yīng)用前景動態(tài)GPS與慣性測量系統(tǒng)IMU及激光探測及測距系統(tǒng)LIDAR的配合使用，可以實(shí)現(xiàn)全天候直接

11、獲取高精度數(shù)字地面模型；可以實(shí)現(xiàn)密林、山區(qū)等環(huán)境惡劣，難以通行的地域的測量；可以為公路、鐵路、水利、環(huán)保等部門的設(shè)計(jì)提供高效的服務(wù)；LIDAR系統(tǒng)獲得的高精度數(shù)字地面模型與地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)配合使用，可以為規(guī)劃、旅游、電力、電信等相關(guān)部門提供服務(wù)。綜上所述，LIDAR系統(tǒng)的應(yīng)用，使實(shí)時(shí)攝影測量的實(shí)現(xiàn)成為可能。而LIDAR數(shù)據(jù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，必將極大提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，及時(shí)進(jìn)行信息更新，更高效地服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。促進(jìn)測繪事業(yè)的發(fā)展。它的推廣與應(yīng)用將使測繪事業(yè)發(fā)展到一個(gè)新高度。5 結(jié)束語LIDAR技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到應(yīng)用的全數(shù)字化過程，它在生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用，使我們深刻體會到這一新技術(shù)給航空攝影測量帶來的變化。這一技術(shù)在國內(nèi)的普及將極大推動測繪行業(yè)向前發(fā)展。當(dāng)然LID