机载激光雷达数据处理方法的研究与应用

时间：2025-04-04

关于机载激光雷达的一些应用,帮助指导生产实践。

第33卷第5期2010年10月

测绘与空间地理信息

GEOMATICS&SPATIALINFORMATIONTECHNOLOGY

Vo.l33,No.5

Oct.,2010

机载激光雷达数据处理方法的研究与应用

巩淑楠,陈云,徐敏

(黑龙江地理信息工程院,黑龙江哈尔滨150086)

摘要:介绍了机载激光雷达数据的处理方法、对地定位原理、测量的几何模型、系统的主要构成及主要技术指

标,以及机载激光雷达数据在各行业的应用方向。

关键词:机载激光雷达系统;定位原理;几何模型;数据处理方法;应用

中图分类号:P228 文献标识码:B 文章编号:1672-5867(2010)05-0165-03

DataProcessingMethodResearchandApplicationwith

AirborneLIDARSystem

GONGShu-nan,CHENYun,XUMin

(HeilongjiangInstituteofGeomaticsEngineering,Harbin150086,China)

Abstract:ThispapermainlyintroducesthedataprocessofLIDAR,thelocationprincipa,lthegeometrymodelsformeasurement,themaincomponentsandtechnicalindexofthesystem,andtheapplicationofLIDARdataindifferentindustries.

Keywords:LIDARsystem;locationprincipa;lgeometrymode;ldataprocessmethod;application

0 引言

近几年,随着计算机技术、网络通讯技术、GPS技术、惯性导航技术、激光测距技术等的不断成熟,机载激光雷达技术得到了蓬勃发展,欧美等发达国家先后研制出多种机载激光雷达测量系统,其中主要包括Optech,LeicaALS50等,其应用已超出传统测量、遥感所覆盖的范围,成为一种独特的数据获取方式。

动态差分GPS或精密单点定位技术测定;向量S的模是由激光测距系统测定机载激光测距仪参考中心到地面激

光脚点间的距离,姿态参数( , , )可以利用高精度姿态测量装置获得。

1 机载激光雷达技术介绍

1.1 简介

机载激光雷达(LIDAR LightDetectionAndRan ging)是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统,通过量测地面物体的3维坐标,生成LIDAR数据及影像。机载激光雷达技术是主动对地观测技术,具有全天候、作业周期短、精度高、费用低等优点,所以近年来它的商业化应用非常广泛,使航测制图如生成DEM、等高线和地物要素的自动提取更加便捷,其地面数据通过软件处理很容易合并到各种数字图中。

1.2 机载激光雷达系统对地定位原理

如图1所示,对于机载光雷达测量系统来说,起点Os为遥感器光学系统的投影中心,其坐标(Xs,Ys,Zs)可利用

收稿日期:2010-06-07

图1 机载激光雷达测量技术的定位原理示意图

Fig.1 LocationprincipalillustrationofLIDARsystem

作者简介:巩淑楠(1973-),女,黑龙江哈尔滨人,高级工程师,硕士,2008年毕业于武汉大学地图制图学与地理信息工程专业,主要

关于机载激光雷达的一些应用,帮助指导生产实践。

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测绘与空间地理信息

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1.3 机载激光雷达测量的几何模型

机载激光雷达测量系统通过激光脉冲测距仪获取发射点到地面反射点的斜距,同时利用惯性导航系统测定飞行器的空间姿态参数:侧滚角、倾斜角、航向角,利用GPS测定飞行器精确的空间位置以及机载激光雷达测量的几何模型,可得到激光脚点在WGS-84坐标系下的3维坐标,见下式所示:

X84Y84=RWRGRNRMRLO+ Z

X84Y84

YI-

YI+G

Z天线相位中心 Z Z 上式的坐标系是按瞬时激光束坐标系激光扫描参考坐标系载体坐标系惯性平台参考坐标系当地水平参考坐标系当地垂直参考坐标系 WGS-84坐标系的顺序进行转换的。

图2 ALS50测量精度图

Fig.2 TheaccuracychartofALS50

尔曼滤波),获得高精度的传感器外方位元素,从而实现没有或极少地面控制的传感器定位和定向。

1)动态差分GPS(DGPS)

利用安装在飞机上与机载激光雷达相连接的和设在一个或多个地面基准站的至少两台GPS信号接收机同步而连续地观测CPS卫星信号、同时记录瞬间激光和数码相机开启脉冲的时间标记,通过载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理获取激光脚点的3维坐标。

2)IMU惯性导航数据处理

MU获取的是机载激光雷达系统的姿态信息,即滚I动、俯仰和航偏角。虽然DGPS系统可量测传感器的位置和速率,具有高精度,误差不随时间积累等优点,但其动态性能差(易失锁)、输出频率低,不能量测瞬间快速的变化,没有姿态量测功能。而IMU数据在短期内具有较高的精度,但随着时间的累计会偏离真实值。可以看出DGPS与IMU正好是互补的,因此用IMU数据确定GPS采样期间传感器的位置和姿态,同时用精度稳定的GPS数据校正、转换IMU数据。MU/DGPS数据的处理主要是通过卡尔曼滤波来实现的。I

2 机载激光雷达系统简介

以Leica公司的ALS50机载激光雷达测量系统为例。

2.1 系统主要组成

系统包含激光发射器(SCANNER)、小幅面数码像机

(DSS)、POS系统(GPS定位系统+IMU惯性导航系统)、飞行控制系统。

2.2 主要技术参数

1)飞行高度500~4000m的范围;2)最大脉冲150Hz;3)回波次数(1,2,3,4);4)回波强度为三级(1,2,3);

5)最大扫描角度75!;

6)滚动补偿:75minuscurrentFOV;7)最大扫描频率:90Hz;

8)激光辐射光束直径:0.22mr@1/e2(0.15mr@1/e)。

2.3 测量精度

图2所示为该系统在扫描角为45!和75!时的平面和高程测量精度。