機載激光LiDAR的運用領(lǐng)域及誤差消除方法

發(fā)布日期：2018-05-31 00:00 瀏覽量：13003

　　一、機載LiDAR技術(shù)概述

　　LiDAR是基于激光雷達技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的一種新技術(shù)，也被人們廣泛的稱之為航空激光掃描探測技術(shù)，是一種安裝在飛機上的機載激光探測設(shè)備與測距系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確的測量出地面物體的三維坐標(biāo)。LiDAR技術(shù)在目前的應(yīng)用中主要是主動進行的，是針對地面、地形進行觀測的一種測量體系，它最早出現(xiàn)于本世紀(jì)初期，是集激光測距技術(shù)、慣性測量單元、GPS定位技術(shù)和激光雷測繪技術(shù)為一體的現(xiàn)代化技術(shù)領(lǐng)域，該技術(shù)的應(yīng)用使得實時信息獲取和控制方面取得了重大突破，為高時空分辨率在地球空間信息資源中的應(yīng)用提供了全新的理論技術(shù)和指導(dǎo)依據(jù)。其中機載LiDAR設(shè)備在飛行中以每秒40萬個點，側(cè)向60°的掃描范圍，在短時間內(nèi)實現(xiàn)大范圍三維地貌、地物和植被掃描，數(shù)據(jù)在水平和垂直方向上可達到厘米級精度。機載激光雷達掃描技術(shù)以其便利性、可重復(fù)性和絕對定位，以及數(shù)據(jù)的真三維性和前所未有的精度等優(yōu)勢，在地學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域中得到日益廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。

　　機載LiDAR系統(tǒng)主要由激光掃面系統(tǒng)、GPS、IMU、數(shù)碼相機、監(jiān)控和控制系統(tǒng)組成，其中LiDAR傳感器和IMU是系統(tǒng)的核心部件，LiDAR傳感器是發(fā)射測量激光脈沖和接受激光脈沖遇到障礙物（目標(biāo)）后所反射的回波，IMU為確定任一瞬間平臺在空間中的姿態(tài)，GPS為LiDAR系統(tǒng)提供精確的定時和定位數(shù)據(jù)。數(shù)碼相機可以為獲得高分辨率的影像數(shù)據(jù)，監(jiān)控及控制系統(tǒng)在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同時為操作人員提供有效的實時監(jiān)控信息。對以上數(shù)據(jù)進行處理，可以獲得DOM、DEM、DSM、DLG、三維數(shù)字模型等產(chǎn)品。

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　　二、機載LiDAR技術(shù)的應(yīng)用

　　隨著計算技術(shù)以及GPS技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用，LiDAR技術(shù)經(jīng)過近20年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)完全成熟。在使用攝影測量方法獲取地形模型有困難的森林和沙漠地區(qū)，LiDAR技術(shù)提供了一種直接獲取地形表面模型的有效手段。通過與影像以及信息的融合，LiDAR系統(tǒng)不僅僅局限于獲取數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)等傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于城市三維模型的直接獲取、GIS數(shù)據(jù)獲取、高壓線監(jiān)測、林業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域。LiDAR利用激光傳感器對地面進行掃描，同時利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實時定位飛機姿態(tài)，再加上GPS觀測坐標(biāo)，還可以打開LiDAR攜帶的數(shù)碼相機進行航空攝影，獲取相片數(shù)據(jù)。利用這些高精度的數(shù)據(jù)可以得到大范圍高精度的4D產(chǎn)品。

　?。ㄒ唬┗A(chǔ)測繪

　　基礎(chǔ)測繪主要指的是對工程項目施工場地進行的測繪工作，其工作目的在于實現(xiàn)工程項目的基本要求和主要施工目的。通常來說，工程測繪是一種對有關(guān)測量物體的基本信息進行搜集和整理的，因此在這一工作階段應(yīng)當(dāng)是以數(shù)字影像為主要技術(shù)要求進行的。但是在工作中，因為數(shù)字影像本身存在著工作力度繁瑣、施工內(nèi)容復(fù)雜的特點，為此在工程項目中我們有必要針對其基本工作線路和施工技術(shù)要求來提前設(shè)置合理的程序和控制策略。經(jīng)過多年的工作實踐總結(jié)得出，在基礎(chǔ)測繪工作中采用LiDAR測繪技術(shù)可以有效的緩解傳統(tǒng)測繪技術(shù)所帶來的工作壓力，提高工作效率和工作進度。這種技術(shù)在應(yīng)用中是通過三維坐標(biāo)的方式來實現(xiàn)對地面坐標(biāo)的三維立體控制，從而達到精確坐標(biāo)的要求。

　?。ǘ╇娏€路設(shè)計

　　在進行電力線路設(shè)計時，通過LiDAR數(shù)據(jù)可以了解整個線路設(shè)計區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素的情況。尤其是在樹木密集處，可以估算出需要砍伐樹木的面積和木材量。在進行電力搶修和維護時，根據(jù)電力線路上的LiDAR數(shù)據(jù)和相應(yīng)的地面裸露點的高程可以測算出任意一處線路距離地面的高度，這樣就可以便于搶修和維護。

　　（三）公路線路等工程優(yōu)化

　　激光雷達技術(shù)用于高速公路線路等工程優(yōu)化設(shè)計具有創(chuàng)新性和代表性，打破了傳統(tǒng)設(shè)計的方式方法，從數(shù)據(jù)獲取及處理、初步設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、終勘定位、三維模擬、運營維護管理等方面建立了一體化的、三維可視化的系統(tǒng)性技術(shù)體系和支撐平臺。（1）原始數(shù)據(jù)采集：在航飛前要制訂飛行計劃，安置全球定位系統(tǒng)接收機、激光掃描測量、慣性測量、數(shù)碼相機等。（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理：機載激光雷達測量系統(tǒng)在野外采集得到的數(shù)據(jù)需要進行一定的處理才能得到需要的信息。數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容包括：確定航跡、激光掃描測量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分類處理、坐標(biāo)匹配、影像數(shù)據(jù)的定向和鑲嵌、建立三維地形模型。（3）線路優(yōu)化設(shè)計：以高精度、高分辨率正射影像和激光點云數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用二、三維結(jié)合方式，結(jié)合架空高速公路線路設(shè)計業(yè)務(wù)需求，采用多人協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)高速公路線路路徑優(yōu)化設(shè)計的一體化全流程應(yīng)用。

　　三、機載激光雷達測量系統(tǒng)檢校及消除系統(tǒng)誤差的方法

　　機載激光雷達測量系統(tǒng)是由多個部件集成在一起的測量系統(tǒng)。為了提高機載激光雷達對地定位的精度，在飛行作業(yè)之前，必須經(jīng)過仔細的檢校，以提高地面激光腳點坐標(biāo)的對地定位精度。機載激光雷達測量系統(tǒng)的檢校比較繁雜，其中包括對每個部件的檢校以及確定它們之間的相互空間關(guān)系（空間配準(zhǔn)）。本文主要討論如何確定傳確器之間的空間位置和方位關(guān)系。

　?。ㄒ唬﹥?nèi)方位元素的測定

　　GPS/INS組合導(dǎo)航定位與測姿系統(tǒng)為獲取載體高精度的位置和姿態(tài)參數(shù)提供了有力的支持，這是機載激光雷達實現(xiàn)高精度對地定位的前提。為了高精度地求解每個激光腳點的位置坐標(biāo)，除了要知道外方位元素（即三個姿態(tài)角）、飛機航跡以及激光掃描測距時提供的距離和掃描角外，還必須精確地知道定位定姿傳感器同激光掃描系統(tǒng)之間的空間關(guān)系，提供正確的內(nèi)方位元素，這對于激光腳點的位置計算非常關(guān)鍵。內(nèi)方位元素主要包括：（1）激光脈沖測距參考點同GPS相位中心間的偏移量tL-tG；（2）安置偏差角。

　　激光脈沖測距參考點同GPS相位中心間的偏移量通常是利用飛機在行檢校技術(shù)直接從機載激光雷達測量數(shù)據(jù)中估計出來。

　　INS坐標(biāo)參考框架和激光掃描參考系統(tǒng)之間的安置角誤差是機載激光雷達中最大的系統(tǒng)誤差源。根據(jù)經(jīng)驗，這些安置角誤差通常為0.1°-0.3°。

　?。ǘ┫到y(tǒng)誤差的方法

　　為了提高機載激光雷達的測量精度，最大可能地降低各種系統(tǒng)誤差的影響，一般有三種方法：一是建立誤差改正模型；二是儀器檢校；三是條帶平差改正。如果激光光束的空間方位有誤差，多條激光掃描條帶覆蓋同一掃描區(qū)域時（彼此重疊），不同航帶測定的同一點的坐標(biāo)和高程間彼此會有差異，其產(chǎn)生原因是INS姿態(tài)測定時會帶來誤差（漂移和初始化），INS和激光掃描鏡安置時不能保證彼此軸系平行而產(chǎn)生安置角誤差等。根據(jù)這些差異建立相應(yīng)的參數(shù)模型，利用一定的匹配技術(shù)將不同航帶的條帶重疊部分聯(lián)系起來，通過最小二乘平差求解這些參數(shù)。然后利用求解出的參數(shù)改正每條航帶的激光腳點坐標(biāo)。

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