机载LiDAR关键技术概述及其应用.docx

1、机载LiDAR关键技术概述及其应用机载LiDAR技术概述照相测量有着悠久历史，国际照相测量与遥感协会ISPRS（International Society of Photogrammetry and Remote Sensing）1988年给照相测量与遥感定义是：照相测量与遥感是从非接触成像和其她传感器系统，通过记录、量测、分析与表达等解决，获取地球及其环境和其她物体可靠信息工艺、科学与技术。其中照相测量侧重于提取几何信息，遥感侧重于提取物理信息。也就是说，照相测量是从非接触成像系统，通过记录、量测、分析与表达等解决，获取地球及其环境和其她物体几何、属性等可靠信息工艺、科学与技术。因而，从19

2、世纪中叶，照相技术一经问世，便应用于测量。它从模仿照相测量开始，通过解析照相测量阶段，当前已经进入数字照相测量阶段。当代数字照相测量是老式照相测量与计算机视觉相结合产物，它研究重点是从数字影像自动提取所摄对象空间信息。诚然，当前科学技术已相称发达，计算机和高新技术已被广泛应用，数字立体照相测量已经成熟，相应软件和数字立体测量工作站已经在生产部门普及，但是照相测量工作流程基本上没有太大变化，如航空照相照相解决地面测量（空中三角测量）立体测量制图（DLG、DTM、GIS及其她）模式基本没有大变化。这种生产模式周期明显是太长了，不适应咱们信息社会需求，不能满足“数字地球”对测绘规定了。LiDAR（L

3、ightLaser Detection and Ranging）技术是近数十年来照相测量与遥感领域具革命性成就之一。自来，LiDAR作为一项成熟高科技技术手段逐渐得到市场采纳和承认。它融合了激光扫描仪、IMU惯性测量单元、差分GPS以及航飞控制与管理系统等多项高科技技术。当前，在欧美发达国家，像美国和德国以及亚洲日本，激光技术已经得到了普遍应用，它应用领域几乎囊括了经济建设各个方面。1.1 LiDAR技术发展历程用激光雷达来精准拟定地面上目的点高度，始于20世纪70年代后期。当时系统普通称为APR(Airborne Profile Recorder)，重要用于辅助空中三角测量。最初系统是仿型设

4、备，仅能获得在飞行器途径正下方地面目的数据。这些最初激光地形测量系统很复杂，并且不适于获取大范畴地面目的三维数据。由于没有高效航空GPS和高精度INS，因此很难拟定原始激光数据精准地理坐标，因而其应用受到了限制。到20世纪8090年代，通过一系列研究项目，如：USA、Australia(19801988年)：Diverse feasibility studies；德国ProfAckermann(19891990年)：SFB “High Precision Navigation”一First Laserprofiling at University of Stuttgart；德国TopScan(

5、1993年)：First commercial applications in Germany TopScan AITM 1020，激光扫描技术已经得到了普及和大规模使用。至全球已有超过30类不同型号激光扫描系统投放市场。随着DGPS技术、数据传播技术、计算机技术和图形图像解决技术发展，当代激光扫描系统已经在许多领域得到了普遍使用。除了用于获取三维地形表面模型外，这种技术已经成功应用于公路设计、水利、洪水和雪崩预报、都市三维模型构建、高压线监测、地面和大坝变形测量、森林和树木高度测量等。同步，地面激光扫描技术同样得到了迅速发展，地面激光扫描系统可以用于建筑物三维测量、桥梁和矿井三维建模和监测。

6、激光扫描设备附加一台数字照相机，可以构成一套完美遥感数据获取系统。因而，激光扫描技术及其有关技术发展，为遥感领域开辟了一种全新数据获取手段。1.2 LiDAR系统简介GPS、INS以及激光扫描器共同构成了一种整体LiDAR遥感信息获取系统 (见图1)。图1 机载LiDAR系统1.2.1 POS技术POS系统是机载激光探测与测距系统核心，也是必须包括部件。其核心思想是采用动态差分GPS(即DGPS)技术和惯性测量装置(IMU，Inertial Measurement Unit)直接在航测飞行中测定传感器位置和姿态，并经严格联合数据解决(即卡尔曼滤波)，获得高精度传感器外方位元素，从而实现无或很少

7、地面控制传感器定位和定向。1.2.1.1 DGPS用载波相位测量虽不具备实时性，但具备极高定位精度潜力，可使定位精度达到厘米级。机载LiDAR采用动态载波相位差分GPS系统。运用安装于飞机上与LiDAR相连接和设在一种或各种基准站至少两台GPS信号接受机同步而持续地观测GPS卫星信号、同步记录瞬间激光和数码相机启动脉冲时间标记，通过载波相位测量差分定位技术离线数据后解决获取LiDAR三维坐标。机载GPS天线安装在飞机顶部外表中轴线附近，尽量接近飞机重心和扫描器中心位置上。此外，地面GPS接受机数据更新频率不低于机载接受机更新频率。如果采用实时动态差分技术，还必要架设数据发射电台，以便把必要数据

8、发送给作业飞机上接受电台上。1.2.1.2 IMUIMU获取是机载LiDAR姿态信息，即滚动、俯仰和航偏角。虽然DGPS系统可量测传感器位置和速率，具备高精度，误差不随时间积累等长处，但其动态性能差(易失锁)、输出频率低，不能两侧瞬间迅速变化，没有姿态量测功能。而IMU有姿态量测功能，具备完全自主、无信号传播、既能定位、测速，又可迅速量测传感器瞬间移动，输出姿态信息等长处，但重要缺陷是误差随时间迅速积累增长。可以看出DGPS与IMU正好是互补，因而，最优化办法是对两个系统获得信息进行综合，这样可得到高精度位置、速率和姿态数据。IMU/DGPS数据解决重要是通过卡尔曼滤波来实现。1.2.2激光扫

9、描仪激光测距技术运用激光特点是单色性好、方向性强、能量高、光速窄等特点，实现高精度计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距技术在老式常规测量中扮演着非常重要角色。激光扫描仪技术是随空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离迅速测距技术发展而产生一项新测绘技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。激光扫描仪是LiDAR核心，普通由激光发射器、接受器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件构成(图2)。 图2 激光扫描仪构成1.2.3数码相机LiDAR直接获得点位三维坐标功能提供了老式二维数据缺少高度信息，却忽视了对象特性其他信息，如光谱信息。尽管在提取空间位置信息上，机载

10、LiDAR数据有其自身优势，但图像数据包括光谱信息对结识物体也具备重要作用。这也是不少应用研究将LiDAR数据与其他光学数据结合使用因素之一。运用高辨别率数码相机获取地面地物地貌真彩或红外数字影像信息，以弥补LiDAR局限性，以达到对生成DEM产品质量进行评价，或作为一种数据源，对目的进行分类辨认，或作为纹理数据源。1.2.4中心控制单元机载LiDAR由各种重要硬件构成，一种核心技术就是如何实现三个重要设备精准同步。中心控制单元普通都采用导航、定位和管理系统构成同步记录IMU角速度和加速度增量以及GPS位置、激光扫描仪和数码相机数据。图3 机载LiDAR系统工作示意图1.3 机载LiDAR数据

11、获取基本原理地球表面以及覆盖其上目的，譬如植被、建筑物等都可以对电磁波产生反射。激光扫描系统上接受单元所收到反射信号包括了地面反射目的信息。大某些激光扫描系统提供了两种不同反射信号数据记录方式即“初次脉冲”(first pulse)和“末次脉冲”(1ast pulse)记录方式。正常状况下，一束激光光束只产生一次反射，但是，在密集森林地区则有也许产生两次或多次反射。在这种状况下，必要选取是接受第一次反射信号，还是最后一次反射信号。依照不同使用目可以选取不同脉冲记录方式。这种直接距离测量办法是基于短波电子信号在一种均匀介质层内(即空气)，以恒定速度直线传播，并且在不同介质分界面(地球表面)被反射

12、回来。其普通原理可以简朴描述为：C=C。n (1)其中，C。为真空光速，n为介质，即空气折射率从激光发射器发出激光光束到达地面并被反射后，被激光器上接受单元接受和记录。普通把从发射到接受这段时间称为运营时间t，这个时间参数t与光束出发点和地面之间双倍距离R成正比，由此可以计算出此距离：R =t?c2 (2)角度参数测量通过相应INS系统完毕。它们与距离参数、时间参数等一起可以完毕对地面目的三维定位和量测任务。按照激光光束在地面上轨迹和形状，激光扫描系统扫描方式可以分为各种，图4演示是其中3种扫描方式。由于扫描方式不同，其数据获取方式以及数据在地面上分布状况也不同。在图(a)和(b)中，激光光束

13、借助于一种行列扫描仪接受地面目的反射信号。在飞行过程中，行列扫描仪环绕一种固定轴线3600旋转。由于飞机速度等因素影响，光束在地面上形成个近似椭圆，因而也称其为“行列扫描方式或者近椭圆扫描方式”。在图(c)演示扫描方式中，激光光束通过激光器调节而在垂直于飞行方向上左右摆动。左右摆动幅度、速度和角度可以依照飞行高度、飞行速度、规定航带宽度、地面高差以及规定扫描密度等做出调节。由于扫描点在地面上是以“之”字型分布，因此这种扫描方式也称为“之”字型扫描方式。图4 激光扫描系统不同扫描方式获取地面点分布状况航空激光扫描系统获取地面目的三维坐标是随机分布和不规则。尽管可以选取不同扫描方式(譬如间隔式断面

14、扫描方式或旋转式近椭圆式扫描方式)；不同反射方式(譬如记录第一次反射信号或记录最后一次反射信号)；或者选取适当飞行季节(譬如为了更有效地获取地面信息，人们普通选取地面植被较淡秋季或者没有雪覆盖冬季等)，获取地面三维信息不可避免地会落在各种各样地面目的上。图5演示了激光扫描系统获取离散点在一种地面断面上分布状况。图5 离散LiDAR数据地面点分布对激光扫描系统获取数据进行解决目，就是将上述分布在不同地面目的上点进行分离。简朴地说，也就是将分布在地形表面上点与那些落在非地形表面上点进行有效而精确分离。1.4 机载LiDAR系统重要长处激光数码航测技术具备速度快、精度高、产品多样化等优势，在国内外已

15、经逐渐成为高精度、高质量、高规定项目首选方案。特别在如下几种方面突显出强大优势：（1）同步获取精准激光点云数据和真彩色数码影像数据，以及RGB真正射影像，只需飞行一次便可获取丰富地理信息，可以提供各种类型测绘产品，涉及4D产品，三维景观，都市高程数据等；（2）迅速生成高精度DEM成果、高精度DOM成果；（3）直接获取精准都市高程数据，迅速生成三维数字都市模型；（4）自动化飞行设计及控制导航系统，高效数据解决系统具备老式航测办法无法比拟优势；（5）可提供产品涉及数字线划图（DLG），真彩色数字正射影像（DOM），高精度数字地面模型（DEM）以及数字地表模型（DSM）。这些产品除用于国土及地籍领域

16、外，还可用于真三维数字都市建设等方面；1.5 LiDAR数据应用机载LiDAR技术系统，与既有测量办法比较，一方面它可以作为照相测量一种补充，另一方面它也是老式测量技术一种竞争技术。对于许多测量应用来说，机载LiDAR技术当前可开展与其他各种老式传感器涉及原则航空相机、数码相机、多光谱扫描仪或专项成像仪联合应用。然而，在某些应用中，例如林业、海岸工程或输电线路等，机载LiDAR技术提供独特能力是其她任何技术都无法做到。当前各国都在应用LiDAR技术，例如：瑞士应用LIDAR技术进行国家森林边界监测，防止侵占森林和执行退耕还林筹划；日本则用LiDAR技术获取地面精准DTM数据，提供应所有卫星影像

17、作几何精纠正使用；马来西亚用该技术对680公里倾斜电气化铁路进行改造和扩建成为复线，大大节约了时间和经费；依照7月1日关于资料，世界上约有75个机构开放约60个激光传感器供实际应用；自1998年以来，该技术设备年平均增长率为25% ；由于能迅速获取三维数字地面数据，LiDAR 市场分额愈来愈大，以致于美国老牌制图公司山卜恩公司也引进该技术；SCOP、EASI和ARCINFO公司也积极参加LiDAR 系统数据后解决工作。重要应用领域有：（1）国土资源与环境调查与城乡地籍调查（2）生产DTM、DSM 和DCM 作为地形测量、数字地球或GIS相应产品（3）林业（4）海岸工程（5）铁路、输电线路选线、

18、迅速获取地形和线路监测（6）用于突发事件迅速测量（7）数字都市和数字地球需要l m 或更小格网数据（8）湿地和其她受限制地区测量1.6 机载LiDAR技术在城乡一体化中应用机载LiDAR技术采用高精度POS（DGPS/IMU）系统、高辨别率数码相机、国际先进水平LiDAR激光扫描系统以及计算机自动控制航飞系统，为数据获取提供了强有力保证。当前，由于国内其他数码航摄系统还不具备高精度POS系统，外业像控点数量仍旧按照老式办法布点，数量较多，而采用机载LiDAR技术会大大减少野外像控点工作量，且能完全满足测图精度规定。机载LiDAR地面三维数据获取办法比老式测量办法生产数据具备外业成本和后解决成本

19、低长处。机载LiDAR 系统重要是由于分类和滤波技术，能把冠层和地面剥离，这在老式测量中很难做到。它是一种迅速度、成本低、高精度和高密度高程数据获取技术，不但能生产数字高程模型(DEM)，也能生产数字表面模型(DSM)和数字都市模型(DCM)。当前，国内城乡一体化建设急需低成本、高密集、迅速度、高精度数字高程数据或数字表面数据，机载LiDAR技术正好满足这个需求，因而它必将成为在国土资源管理领域一种重要支撑技术。机载LiDAR技术及其应用简介LiDAR系统是一种先进积极传感系统，该系统自身发射受控制激光脉冲照射地面和地面上目的，不依赖太阳光照，通过接受激光脉冲回波信号，通过相应解决直接获取地面

20、三维数据。相比老式测量办法具备高精度、高密集、迅速高效长处。系统工作示意图1.系统重要构成某些 IMU(Inertial Measure Unit) DC (Digital Camera) LiDAR (Light Detection And Ranging ) Computer control navigation system2.中心控制单元3、机载LiDAR功能特点 高精度； 高密集； 高效率； 高辨别率； 积极测量方式； 自动化限度高； 无需大量地面控制工作； 可以测量植被和建筑物高度； 多成果：DSM、DTM、DEM、NIR、DOM、DLG、专项图、三维数字模型等。 数字正射影像（D

21、EM）成果 国土与房屋管理专项图成果 实验区局部三维数字模型成果 国土与房屋管理专项数据库成果 一、激光点分类Lidar数据解决重要流程涉及坐标转换，激光点编辑。1、激光点编辑（1）一方面要建立工作区：（2）加载Tmodel，Tscan，Tphoto三个模块：在主菜单上选取utilitiesMDL Applications，弹出MDL框；在Availlable applications中加载Tmodel，Tscan，Tphoto。 (3) 导入点：在TerraScan菜单条中选取FileRead points；选取要导入.bin文献。（4）点分类： 在TerraScan菜单条中选取Classi

22、fyRoutineGround即可自动分类；自动分类前要量取建筑物最大宽度。一方面以点颜色显示激光点，TerraScanView找出最大建筑物尺寸。ClassifyRoutineGround， Classify groundInitial point Max Biulding size中改为最大建筑物长度即可实现自动分类。 点分好类后来，可以以不同方式显示激光点，如下： Class是以不同类别用不同颜色显示，Echo显示不同回波次数，Elevation显示不同高度，Flightline显示不同航迹线，Intensity显示不同密度，Point color显示不同点颜色。上图中列表中显示是激光点

23、分类名称，例如：默认点(Defaut)，地面点(Ground)，低点(Low point) 等等。点分类后可以查看每种类中点个数，如下在Scan模块中，TooolsShow statistics。对自动分类后激光点建立表面模型，查看分类与否合理。在工具条中单击Create editable model；选取Ground，然后为即将生成模型命名；在工具条中单击Display shaded surface；在弹出框中选取刚生成模型以及输出窗口；将模型放大后逐渐检查，若浮现不合理地方，即作出该区域横切面，通过度析后修改点分类；做横切面办法如下： 假设下图所圈部位不合理， 在工具条中单击Draw se

24、ction做横切面； 选取作横切面区域； 在窗口靠下方View groups中点击打开一种新窗口，然后在新窗口上点击一下即显示该区域横切面。 修改点分类时可以用Create editable model工具列中一系列工具，对点类别进行重新定义。 4、点分类检查环节： 一方面对整块数据进行检查，剔除噪声点。 分出地面点，建立模型，查看模型异常处。检查模型异常重要是发现自动分类有明显错误和自动分类不好解决地方。自动分类明显错误有建筑物错分为地面点，（见下图中绿色为地面点模型，红色即为建筑物错分为地面点。）水域当中点错分为地面点地面点自动分类不是较好地方有大量默认点中夹杂着某些地面点而引起模型异常话

25、，将地面点划分到默认点里。如果在默认点下面有某些地面点（见下图）而引起模型异常，不对其进行解决，继续背面编辑。 建筑物类重要经检查有无丢漏，另一方面检查落在建筑物顶和侧面激光点都是建筑物点分在building类里。落在建筑物内部点若与地面齐平或比地面低话分为默认点，若比地面高点仍归为建筑物点。如下两图所示。（建筑物内部不容许浮现地面点） 桥解决。若判断出是立交桥，立交桥整体都是桥。过河桥把悬空某些划分为桥。悬空高速路和铁路等为桥，否则为地面点。 模型中小坑和鼓包要检查。引起小坑点分为低点。2、坐标转换咱们用到软件是CPS CoordFit其界面如图1：图1按照投影规定：（“Final proj

26、ection：Illinois State Plane Coordinate System,West Zone(1202),NAD83(use Adjustment),Us Survey Foot. The vertical datum will be NAVD88，US Survery Foot. ”），咱们需要将最后激光点（*.las）投影转换成伊利诺斯州平面坐标系，高程为NAVD88，单位均为Foot。 一方面弄清晰原始激光点数据投影信息，将其填入相应选框如图2： 图2然后在输出标签下将所规定最后投影信息填入相应选框如图3： 图3在输入与输出都设立好后就可以对激光点数据进行投影信息转换，在转换标签下可以看到对输入与输出设立，设立文献转换后输出途径，转换模式设立成文献转换如图4，这样就可以将原始激光点数据转换成SanBorn公司所规定投影信息了。