實(shí)現(xiàn)海圖快速更新的可行性探討

1、實(shí)現(xiàn)海圖快速更新的可行性探討陳家榮摘要：基于LIDAR的海圖更新技術(shù)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和測繪優(yōu)勢，對綜合運(yùn)用廣東省精化大地水準(zhǔn)面成果、廣東省連續(xù)運(yùn)行參考站衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)（GDCORS）以及數(shù)字計算機(jī)技術(shù)等進(jìn)行LIDAR數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)海圖快速更新的可行性探討。關(guān)鍵詞：海事空巡 LIDAR系統(tǒng) 機(jī)載測量 海圖更新 事故調(diào)查21世紀(jì)，衛(wèi)星導(dǎo)航定位、遙感技術(shù)在測繪活動中發(fā)揮著越來越顯著的作用。衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展使空間定位從靜態(tài)擴(kuò)展到動態(tài)，定位精度大大提高；航空遙感技術(shù)的進(jìn)步提供了快速獲取信息的手段，地理信息的現(xiàn)勢性不斷增強(qiáng)。由于廣東沿海區(qū)域內(nèi)難以布置有效控制點(diǎn)等特點(diǎn)，使得通過傳統(tǒng)

2、的航測手段很難獲得精確的地理信息資料。因此，使用全新的技術(shù)手段，對廣東沿海進(jìn)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)地理信息資料收集，摸清沿海地形地貌的變化，有效地對基礎(chǔ)海圖進(jìn)行補(bǔ)充，使其提高準(zhǔn)確性、完整性，具有權(quán)威性有著特別重要的意義。目前，中國海事（南海海域）的空巡已邁入規(guī)范化、制度化階段，固定翼飛機(jī)每月空巡2次，每次飛行約4小時；直升飛機(jī)每月空巡6次，每次飛行約3小時。結(jié)合海事空巡的時機(jī)，利用機(jī)載LIDAR測量技術(shù)進(jìn)行海事測繪,實(shí)現(xiàn)海圖的快速更新已成為可能。1 機(jī)載LIDAR（LIGHT DETECTION AND RANGING）簡介機(jī)載LIDAR（LIGHT DETECTION AND RANGING）系統(tǒng)是一

3、種主動式對地觀測系統(tǒng)，是20世紀(jì)90年代初投入使用的一門新興技術(shù)，該系統(tǒng)在三維空間信息的實(shí)時獲取方面產(chǎn)生了重大突破，為獲取高時空分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。LIDAR系統(tǒng)集激光測距技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、慣性測量裝置（IMU）DGPS差分定位技術(shù)于一體，通過激光雷達(dá)傳感器發(fā)射的激光脈沖經(jīng)地面發(fā)射后被LIDAR系統(tǒng)接收，能直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)，是對傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)的重要技術(shù)補(bǔ)充。機(jī)載LIDAR系統(tǒng)與其他遙感技術(shù)相比具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等特點(diǎn)，是目前最先進(jìn)的能實(shí)時獲取地形表面三維空間信息和影像的航空遙感系統(tǒng)。機(jī)載LIDAR系統(tǒng)在國外的發(fā)展和應(yīng)用

4、已有十幾年的歷史，但是我國在這方面的研究和應(yīng)用還只是剛剛起步，該系統(tǒng)主要在需要高密度、高精度測量和需要快速反應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域如自然災(zāi)害和帶狀地物監(jiān)測等方面具有重大作用，在地形測繪、海洋測繪、環(huán)境監(jiān)測、三維城市建模等諸多領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前途。目前，Leica ALS50-II機(jī)載激光掃描系統(tǒng)是比較成熟的系統(tǒng)之一。2 機(jī)載LIDAR工作原理在空巡飛機(jī)上，將LIDAR系統(tǒng)安裝于航空平臺上，通過測量飛機(jī)的空間位置與姿態(tài)，以及飛機(jī)對地距離和掃描角度，得出地面掃描點(diǎn)的位置坐標(biāo)。飛機(jī)的空間位置由GPS確定，姿態(tài)由慣性測量單元確定，飛機(jī)對地距離由激光信號發(fā)射與接收時間來確定。由此得出DTM，而接收激光信號強(qiáng)弱則

5、可得到地表分類信息。LIDAR系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的實(shí)時高精度定位定姿數(shù)據(jù)技術(shù)、LIDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)以及LIDAR數(shù)據(jù)與航空攝影數(shù)據(jù)融合技術(shù)是高精度遙感定位綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，也是系統(tǒng)與傳統(tǒng)膠片航攝、數(shù)字航攝的差別體現(xiàn)。系統(tǒng)所配備的高精度定位與定向系統(tǒng)（POSIMU）能夠精確測量并記錄激光脈沖發(fā)射和接收時機(jī)載平臺瞬時位置和姿態(tài)，與地面基準(zhǔn)站（連續(xù)運(yùn)行參考站）所采集數(shù)據(jù)配合進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理解算即可獲得定位和定向成果。3 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)組成機(jī)載LIDAR系統(tǒng)采集原始數(shù)據(jù)，配合連續(xù)運(yùn)行參考站衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DGPS相位差分測量定位，系統(tǒng)主要由以下三部分組成：（1）激光掃描測距系統(tǒng)：用于測量傳感

6、器到地面點(diǎn)的距離； （2）慣性定位及定向系統(tǒng)：獲取掃描投影中心的空間位置以及掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)；（3）彩色航空數(shù)碼相機(jī)：用于獲取對應(yīng)地面的彩色數(shù)碼航空影像，可用于制作正射影像。4 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)采用關(guān)鍵技術(shù)（1）激光掃描測距系統(tǒng)激光測距技術(shù)利用激光單色性好、方向性強(qiáng)、能量高、光束窄等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度的計量和檢測，如測量長度、距離、速度、角度等。激光掃描測距技術(shù)是隨空間點(diǎn)陣掃描技術(shù)和激光無發(fā)射目標(biāo)長距離快速測距技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一項新測繪技術(shù)。激光掃描儀是LIDAR的核心，主要由激光發(fā)射器、接收器、時間間隔測量裝置、傳動裝置等部分組成（見圖1）。圖1 激光掃描儀測距原理示意圖（2）慣

7、性定位及定向系統(tǒng)慣性定位及定向系統(tǒng)由兩部分組成：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：自主式的空間基準(zhǔn)保持系統(tǒng)，主要是慣性測量裝置（IMU），它可以獲取機(jī)載LIDAR的姿態(tài)信息。DGPS：機(jī)載LIDAR采用動態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)，利用連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)提供的載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行后差分處理，使其定位精度達(dá)到厘米級。IMU與DGPS在功能上進(jìn)行有效的互補(bǔ)，這樣就可以得到高精度的位置、速率和姿態(tài)數(shù)據(jù)，為地面點(diǎn)的三維定位提供高精度的基準(zhǔn)。（3）彩色航空數(shù)碼相機(jī)LIDAR直接獲取點(diǎn)位三維坐標(biāo)的功能提供了位置信息，卻忽略了對象特征其他信息，如光譜信息。利用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)獲取地面的地物地貌真彩色或紅外數(shù)字影像信息，可

8、以彌補(bǔ)這方面的不足。（4）連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（CORS）連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)是建立于現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時定位服務(wù)技術(shù)、現(xiàn)代移動通信技術(shù)基礎(chǔ)之上的大型城市定位與導(dǎo)航綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，是城市“空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施”的最為重要的組成部分，也是數(shù)字城市多種空間數(shù)據(jù)采集的基準(zhǔn)參考框架，是現(xiàn)代化城市獲取和采集各類空間信息的位置、時間和與此相關(guān)的動態(tài)變化的一種基礎(chǔ)設(shè)施。該系統(tǒng)是由分布于整個區(qū)域內(nèi)的若干衛(wèi)星基準(zhǔn)站、系統(tǒng)控制中心、發(fā)播系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)等組成，各種數(shù)據(jù)服務(wù)通過各種無線或有線公眾數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)完成（如因特網(wǎng)、手機(jī)通訊網(wǎng)及廣播網(wǎng)等）。由于其服務(wù)方式符合國際標(biāo)準(zhǔn)，因此整個地區(qū)及鄰近海域內(nèi)的不同用

9、戶都可使用其數(shù)據(jù)服務(wù)，完成各種精密定位、快速和實(shí)時定位、導(dǎo)航等工作。5 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)的工作流程機(jī)載LIDAR系統(tǒng)的工作流程主要分為3個步驟：航攝設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，具體工作流程如圖2所示。 圖2 6 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)的優(yōu)勢（1）主動發(fā)射激光脈沖，不受太陽高度角和陰影的影響，從而大大提高了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量；（2）直接獲取每個點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，其高程精度不受航高限制，最高可達(dá)15 cm，比常規(guī)攝影測量更具優(yōu)越性；（3）最新的ALS50-II設(shè)計測量精確與脈沖頻率無關(guān)，只與飛行高度有關(guān)，機(jī)型和飛行高度不再受到限制，飛行高度范圍從200 m至6000 m，更適用于大面積繪制地圖；（4）通過

10、采集單多層反射密度影像資料，數(shù)據(jù)密度可達(dá)到常規(guī)攝影測量的3倍，直接獲得DEM和DOM，高精度的DEM大大提高了正射影響糾正精度；（5）大量減少野外控制工作量；（6）70%以上的數(shù)據(jù)后處理工作由高自動化軟件承擔(dān)，大大縮短數(shù)據(jù)采集和處理時間；（7）產(chǎn)品多樣化，可以直接與其他類型要素或影像數(shù)據(jù)合并，迅速生產(chǎn)出各種專題地圖產(chǎn)品；（8）全數(shù)碼航空測量系統(tǒng)，無需像片沖?。唬?）與傳統(tǒng)航測相比具有精度高、生產(chǎn)周期短、成本低的特點(diǎn)。7 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)在海圖更新上的應(yīng)用特點(diǎn)（1）實(shí)現(xiàn)無地面控制測圖?；谶B續(xù)運(yùn)行參考站衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)（CORS）的慣性定位及定向系統(tǒng)與數(shù)字航空攝影系統(tǒng)的緊密組合，實(shí)現(xiàn)無控制

11、地形測繪。（2）填補(bǔ)難測區(qū)高精度測圖技術(shù)與手段的空白。（3）高精度的高程測量。運(yùn)用機(jī)載LIDAR技術(shù)和精化大地水準(zhǔn)面成果相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)直接利用測量數(shù)據(jù)替代水準(zhǔn)高程測量而滿足制作1：10000比例尺海圖高程測量精度。（4）高效的綜合數(shù)據(jù)處理技術(shù)。整套的數(shù)據(jù)獲取與綜合處理技術(shù)，不僅突破傳統(tǒng)航測作業(yè)的瓶頸，具有以極低的成本實(shí)現(xiàn)極高的作業(yè)效率，而且測量成果的精度和可靠性明顯提高，實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成創(chuàng)新，并具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。（5）參考DOM、DEM、等高線和高程注記點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行道路、居民地、水系以及植被等地要素信息的綜合提取，速度快、效率高。（6）及時的地貌更新。航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，港口建設(shè)也隨之頻繁，而搭載LIDAR的海事空巡能夠及時捕獲海岸變化的測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)海圖的及時更新。（7）大大地節(jié)約測量成本。機(jī)載測量是一項成本昂貴的測量，而結(jié)合海事空巡的時機(jī)進(jìn)行海事測繪，就大大地節(jié)約測量成本。此外，搭載了LIDAR系統(tǒng)的空巡飛機(jī)，在對海難事故的調(diào)查與監(jiān)測中，能夠連續(xù)地獲取事故過程的階段性數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)事故過程的三維模擬。通過對事故現(xiàn)場的虛擬，能夠最大限度地了解事故的發(fā)展過程，對事故進(jìn)行正確評估，這對海上事故的預(yù)防及事故后所采取的措施的正確評估都有著重要的作用。8 結(jié)束語結(jié)