機載激光雷達(Lidar)數據采集及數據處理

　　近年來，網絡通訊技術、計算機技術、激光測距技術及GPS技術等技術的不斷發展成熟，機載激光雷達技術正蓬勃發展，歐美等一些發達國家逐步研制出很多種機載激光雷達測量系統，主要包括 LeicaALS50，Optech等等，它的應用已超國遙感所覆蓋的范圍和傳統測量，成為一種特有的數據獲取方式。 
　　一、機載激光雷達 
　　機載激光雷達是導航系統、全球定位系統以及激光慣性3種技術集于一身的空間測量系統（如圖1）。此系統是將慣性導航系統、激光掃描儀、GPS接受機、數碼相機以及控制元件等搭載在載體的飛機之上。它主動朝地面發射激光脈沖，接受反射脈沖并對所使用的時間及時記錄，計算出激光掃描儀距離地面的距離，POS系統所測得的姿態信息和位置能夠計算出地面點的三維坐標。 
　　圖1 機載激光雷達系統 
　　比較傳統的攝影測量，激光雷達可以進行直接獲取目標的三維信息，數據到有用信息的過程得以縮短。激光雷達的明顯特征是激光能夠穿透植被的葉面抵達地表，同時獲取植被和地面的信息，探測細小目標也可以被探測到，從而獲取的數據信息豐富，目前來說是其他技術所不及的。 
　　二、數據的采集 
　　1、數據采集前準備工作 
　　在數據采集之前需要進行多方面詳細周密的準備工作，其中主要包括選擇檢校場、設計航線、申請空域和布設地面基準站。 
　　2、申請空域 
　　在任何一個航攝任務執行前要按照規定向有關部門提出空域取得航飛權的申請。在航飛權期間挑選最好的天氣飛行，這樣可以使拍攝影像的質量得到保證。 
　　3、航線設計 
　　在對航飛路線設計時，要遵循經濟、周密、安全和高效的原則，選則專門的航飛設計軟件來對飛行路線進行設計。通常在航線設計時，要參考小比例尺的二維平面地形圖，綜合的進行測區的地貌、地形、機載激光雷達設備的參數（掃描角、相機鏡頭焦距、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云密度考慮，設計出符合項目精度要求的航線。設計出良好的航線，能夠在精度要求被滿足的前提下降低成本，節省飛行時間。 
　　3、布設地面基準站 
　　在測區內設置一定數量的GPS基準站，對動態GPS定位，通常來說基站間距為30～5km。將基站構建成SmarBase網解算GPS數據，大氣誤差能夠減小同時也可減小電離層延遲誤差、衛星鐘差及軌道差、對流層延遲誤差等等一系列誤差。假如要用這種方法解算GPS數據，則布設的GPS基準站就需要包圍整個測區，間距設置在70km為宜。在測區中也要布設1～2個基準站，用于在進行數據處理之后快速的對所測點云與已知點的絕對誤差進行檢測。 
　　檢校場的選擇：在數據采集的前后，都要進行對設備的檢校，通常通過處理檢校場數據、采集以及安裝軸間精密的偏心角和計算出各儀器之間精密的偏心分量，繼而對整個測區數據糾正系統誤差，使精度提高。 
　　IMU的3個角即俯視角、側滾角、航片角的檢校，地形上要求有一定的坡度，但這個坡度不能太大，同時地形的范圍要大些，以保證航線有足夠長度。通常選擇有山坡、平地、房屋的地區作為檢校場。在進行飛檢校場時，通常飛“田”字形或者“井”字形。 
　　4、采集數據 
　　在飛機起飛前三十分鐘，將地面基準站上GPS接收機打開，在飛行到測區之前，將POS系統打開，并靜止一段時間，繼而按著“8”字形飛，在飛完后進行 五分鐘的直飛，從而保證POS系統能夠處于最佳的工作狀態，然后開始數據的采集。在進行數據采集時，飛機可以按照設計航線進行自動飛行，相機和掃描儀、POS系統根據設置的參數來采集數據。采集完數據之后再依次直飛五分鐘、倒 
　　“8”字形飛、幾分鐘靜止，并關掉POS系統，地面GPS接收機在飛機關掉POS系統之后的三十分鐘再關。 
　　假如機場離測區比較遠，在采集測區數據前后就不用飛倒“8”的字形。總而言之，在數據采集之前，POS系統要保證處于良好工作狀態。 
　　三、Lidar數據的分類處理 
　　Lidar數據包含許多類型，比如植被、房屋建筑、地表等等，假如要對DTM（數字地形模型）提取，就必須要分離開地表點和非地表類型點，也就是說要對其進行數據分類，目前位置Lidar數據點濾波的力法很大一部分都是基于三維激光數據腳點中的高程突變信息來進行的，概括來說主要有基于地形坡度濾波，迭代線性最小二乘內插法，移動窗口法和移動曲面擬合法等。 
　　Lidar數據首先通常剔除噪聲點，包括折射等一些會造成的高程異常點，然后采用專業軟件進行適合的參數設置，TerraScan軟件是處理地面激光雷達數據或者機載的通用軟件包，是根據窗口移動法來分類提取地面點。 
　　坐標轉換。利用POS的動態定位來計算出激光點坐標屬WGS84坐標體系，而大多測區采用地方坐標系，所以要通過坐標轉換來獲取最終的成果，坐標轉換包含兩個方面：正常高轉換與平面坐標體系的轉換。平面坐標體系轉換通常情況通過聯測地方坐標，用七參數法轉換得到，正常高轉換是則是根據測區的高程控制點擬合的，是大地水準面計算而得到的。 
　　數據采集及處理流程 
　　四、機載激光雷達技術的優勢 
　　與傳統航測技術相比，機載激光雷達技術有很大的綜合經濟優勢和技術優勢。 
　　1、成果的整體精度更高 
　　（1）三維激光點云數據是由激光直接進行測量而得到的，傳統的航測本質上是根據有限的幾個像控點依據航測理論擬合測量。 　　（2）三維激光雷達系統采集的原始點的密度要高于傳統的航測，每平方米平均可達到一個或者是十幾個原始的數據點，傳統航測立體像對與模擬技術采集所不能相比的。 
　　（3）高程測量精度要比其它測繪方法高，尤其是在對傳統測量手段里存在較大困難的樹木覆蓋的地區，激光有著比較強的穿透能力，可以獲得到更高精度的地形表面的數據。 
　　2、生產效率高、工期短 
　　（1）航飛的高度比較低，因為是主動發射激光脈沖測量的，在航飛的過程中受到天氣的影響比傳統航測影響要小很多，適合飛行的天氣比較多。 
　　（2）機載Lidar測量技術僅僅只需要少量的人工進行野外測量工作，自動化、智能化的生產水平較高。 
　　（3）綜合利用三維激光點云數據和二維航空影像數據，在內業就能夠清晰判別很大部分的地物，使傳統航測的外業調繪工作量大大減少。 
　　（4）根據三維激光點云數據能直接并獲得DSM/DEM等成果。 
　　3、成果質量更加有保障 
　　三維激光雷達系統是同時采集數碼影像、激光點云等許多源原始數據，在這些數據間能夠彼此互相驗證，而傳統的航測只是采集單影像類的原始數據。 
　　結語： 
　　機載激光雷達系統在以下幾方面的主要應用： 
　　1、測制帶狀的地形圖 
　　包括測繪道路測量、鐵路線路、道路設計和規劃、交通運輸、海岸侵蝕監測、海岸地帶管理、輸電線路和管理、河道和水資源等等。 
　　2、環境檢測和災害調查 
　　主要適用于自然災害的災后響應與評估。機載激光雷達測量技術能及時、快速并準確地直接服務自然災害評估、管理和監測上。在我國去年5.12地震中失事直升機的搜索范圍的圈定，利用的就是機載激光雷達測量技術通過ADS40航空數碼相機相結合，向難度較高的搜尋工作提供了高精度的、可靠的地形數據。 
　　3、測繪海岸地區 
　　包括淺海岸侵蝕的動態、海岸帶測繪、海水深測量的監測。機載激光雷達測量技術在這個領域的應用相比較于其他測繪技術是有非常大的優勢。 
　　4、林業項目 
　　按照機載激光雷達系統測量出的數據，對森林樹木的覆蓋面積和覆蓋率進行分析，對樹木的疏密程度進行了解，年長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研究與應用領域的一個非常重要方面，3d城市模型是很多個應用領域急切需要的，已經被廣泛的應用于建筑設計、城市規劃、無線通訊等一系列領域，比如在城市規劃中的建筑物地下管線、景觀模擬的3d顯示等問題。機載激光雷達測量能夠提供精確與高密度觀測值，應用前景廣闊。