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

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测绘与空间地理信息

2010年

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

XI

XI

X84Y84

L

YI-

L

G

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。

3.2 地面基站GPS数据处理

架设地面基站的主要目的是在飞行期间内连续采集GPS数据,与机载GPS同步观测,通过事后差分处理解算机载GPS轨迹。其数据处理可采用商用GPS数据处理软件完成。

由于POS数据解算是基于WGS-84椭球的参考坐标系框架下进行的,因此要求地面基站坐标是准确的WGS-84坐标。在地面基站无法提供准确的WGS-84坐标时,可以考虑使用精密单点定位(PrecisePointPositio ning,PPP)技术进行POS数据解算。精密单点定位技术是利用载波相位观测值以及IGS等组织提供的高精度的卫星星历及卫星钟差改正来进行高精度单点定位的方法。利用此技术,可以进行真正意义上的无地面控制航空测量,以达到提高生产效率的目的。

3 数据处理

完成飞行任务后,得到两组数据:GPS/IMU数据即POS数据、原始的激光距离测量值,以及地面GPS基站的观测数据。

3.1 POS数据处理

POS(PositionandOrientationSystem)系统是机载激光探测与测距系统的关键,也是必需包含的部件。其核心是采用动态差分GPS(即DGPS)技术和惯性测量装置(IMU-InertialM

easurementUnit),直接在航测飞行中测,(即卡

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3.3 激光脚点数据处理

1)坐标转换

在已知地面基站的精确WGS-84坐标和其在地方坐标系中的坐标后,可以计算出两种坐标系间的转换参数。一般可采用七参数法(包括布尔莎模型,一步法模型,海尔曼特等)求出。另外GPS定位所提供的是以椭球面为基准大地高,而实际所需要的是以大地水准面为基准的正常高,高程基准的转换可通过测区内若干已知正常高程的控制点拟合建立高程异常模型(当测区地形变化较大时应加地形改正)进行。

2)数据分类

激光脚点数据在3维空间呈现随机离散的分布形态。这些点包括真实的地形表面点和位于人工建筑(如房屋、各种人工构筑物、输电线等)上和自然植被(树、灌木、草)上的激光脚点。

目前较为常用的是芬兰公司的TerrainSolid软件。它适用于输电线测量、铁路公路修建、海岸带滩涂测量、城市3维建模、森林覆盖地区获取数字地面模型等。

光雷达测量技术结合ADS40航空数码相机,为高难度的

搜寻工作提供了可靠的、高精度的地形数据。

3)海岸地区测绘包括浅海水深测量、海岸带测绘、海岸侵蚀的动态监测。机载激光雷达测量技术在这一领域的应用相对于其他测绘技术具有很大的优势。

4)林业项目

根据机载激光雷达系统测量数据,分析森林树木的覆盖率和覆盖面积,了解树木的疏密程度,年长树木的覆盖面积和年幼树木覆盖面积。

5)城市3维建模

城市是GIS运用和研究领域的一个重要方面,3D城市模型是许多应用领域迫切需要的,已被广泛应用于城市规划、建筑设计、无线通讯等领域,如城市规划中的建筑物景观模拟、地下管线的3D显示等问题。机载激光雷达测量可提供高密度和精确的观测值,具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1] 张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉:

武汉大学出版社,2007.

[2] 戴永江.激光雷达原理[M].北京:国防工业出版社,2002.[3] 罗志清,张惠荣,吴强,等.机载Lidar技术[J].国土资源

信息化,2006(2):10-13.

[4] 黄金浪.基于TerraScan的LiDAR数据处理[J].测绘通

报,2007(10):13-16.

[5] 刘军,张永生,范永弘.ADS40机载数字传感器的摄影测

量处理与应用[J].信息工程大学测绘学院学报,2002,19(3):186-188.

4 结束语

机载激光雷达系统主要有以下几方面的应用:1)测制带状地形图包括测绘铁路线路、道路测量、道路规划和设计、输电线路、海岸侵蚀监测、海岸地带管理、交通运输和管理、河道和水资源、光缆铺设、输气管道、沟渠等。

2)灾害调查和环境监测

主要用于自然灾害(如飓风、地震、洪水等)的灾后评估和响应。机载激光雷达测量技术能快速、及时、准确地直接服务于自然灾害管理、评估和监测。在去年我国5.12大地震中失事的直升机搜索范围圈定,就是利用机载激(上接第164页)

集中大量数据可以为 资源图集#所使用,近些年我院编制了大量的公开出版的地图产品,均能为此次编制 资源图集#所使用,同时我们收集了很多各行业的不同年代和不同格式的专题数据。所以图集的编制过程中,各类地图数据库和多源专题要素数据的应用是该图集编制设计的技术创新亮点,我们使用了多源异构数据的处理技术,利用GIS软件平台,实现了多源数据的集成,有效地把各类图形数据、图像数据、属性数据,在确保精度的情况下统一到底图数据库中,实现了数据的充分利用。

[责任编辑:王丽欣]

上要充分反应其主题,即新疆维吾尔自治区资源经济的

特色特点,以此更好地为自治区经济建设和社会发展宏观决策提供保证;在表示方法上,除了力求准确清晰易读美观之外,还追求最大限度载负专题要素的信息量;在技术水平上,紧跟当前国内专题地图集编制的新技术新工艺,能够像 新疆维吾尔自治区地图集#一样,创造一个地图集精品。同时也希望通过本文,与广大同行共同探讨,为 新疆维吾尔自治区资源地图集#编制出版印刷献计献策。

4.2 GPS技术的应用

新疆境内的高速公路、国道、省道和近几年新增的道路,利用的是车载卫星导航实测的资料,其原理是依靠

GPS来接收和处理从卫星那里接收的信号,通过软件的处理,叠加到底图数据库中,利用这一技术,确保了道路信息的准确性和现势性。

参考文献:

[1] 中国地图出版社.中国地图集[M].北京:中国地图出版社,2005.

[2] 王家耀.普通地图综合原理[M].北京:测绘出版社,1993.[3] 吴信才.地理信息系统原理及方法[M].北京:电子工业

出版社,2000.

5 结束语

,[编辑:宋丽茹]