平原地貌地區城市工程測量中LIDAR數據應用

喬志勇

摘 要：機載激光雷達系統（Light Detection And Ranging，簡稱LIDAR）集成了激光掃描儀、全球定位系統（GPS）、高精度慣導系統（IMU）、數碼相機，具有同時采集三維地形數據和數字影像的能力。本文以某市1∶500比例尺地形測量為例，詳細介紹了LIDAR的基本原理、地面三維數據的獲取和處理方法，以及數據成果的檢測。

關鍵詞：LIDAR POS GPS IMU DTM DSM

中圖分類號：P315 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0032-02

機載激光雷達系統（Light Detection And Ranging，簡稱LIDAR），也叫機載激光雷達，是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統，它集成了激光掃描儀、差分GPS系統、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性量測單元，用以量測飛機平臺的飛行姿態）、數碼相機。在動態載波相位差分GPS系統和IMU的支持下，激光掃描系統通過激光掃描器和距離傳感器，經由微計算機對測量資料進行內部處理，顯示或存儲、輸出距離和角度等資料，并與距離傳感器獲取的數據相匹配，經過相應軟件進行一系列處理來獲取被測目標的表面形態和三維坐標數據，從而進行各種量算或建立立體模型。

在過去十年，機載LIDAR作為精確、快速的獲取地面三維數據的工具已經得到廣泛的認同。至2004年全球已經有超過30類不同型號的激光掃描系統投放市場。加拿大Optech公司生產的ALTM和SHOALS、美國Leica公司的ALS50、瑞典的TopoEye AB公司生產的TopEye、德國IGI公司的LiteMapper、法國Toposys公司的FalconⅡ等是當前較成熟的商業系統。本文以某市1∶500比例尺地形測量為例，主要介紹機載LIDAR基本原理、地面三維數據的獲取和處理方法，以及數據的應用。

1 LIDAR數據獲取的基本原理

當機載LIDAR航攝飛行時，激光掃描儀發射、接收激光束，對地面進行線狀掃描，與此同時，動態GPS系統確定傳感器的空間位置（經緯度），IMU測量飛機的實時姿態數據，即滾動、仰俯和航偏角。由于系統的幾個部分同步工作并集成于一體，GPS 和IMU的數據融合極為方便，所以經后期地面數據處理后，即可獲取地面的三維數據。

2 LIDAR數據的獲取和處理

2.1 LIDAR設備選擇

在某市1∶500比例尺地形測量項目中，高程精度的要求優于0.15 m，我們選擇了加拿大Optech公司的ALTM3100。基于30年的LIDAR生產經驗，新一代的ALTM-3100采樣頻率高達100 kHz，1200 m航高以下高程精度達到0.15 m，平面精度可以達到航高的1/3000，能夠滿足設計需求。

2.2 航攝高度和飛行時間的選擇

LIDAR數據的精度與航攝高度有關，本攝區航攝的目的是為1∶500基礎測繪數字產品提供高程數據，為確保測繪成果的質量，根據現行相關技術標準的規定和ALTM-3100的性能規格，以及飛機性能和攝區對航高的約束條件，設計飛行高度為800 m。

LIDAR系統是一個先進的主動傳感系統，它不依賴太陽光照，所以在獲取地面三維信息時可以考慮夜航。飛行作業中，需根據測區內實際星歷數據情況，選擇避開GPS信號較弱時段。為了避免植被，尤其是農作物對真實地面的干擾，建議選擇秋冬季節進行航飛。所以測區的航攝時間選擇在當年10月至次年1月間，并且增加了夜航。

2.3 LIDAR數據的獲取

該1∶500地形測量項目共涉及飛行11個架次，其中1個架次為檢校場飛行，用于ALTM-3100系統檢校，其他10個架次為測區航攝飛行。全測區面積810 km2，航線總計81條，總長2613.5 km2，飛行高度800 m，有效飛行時間為29小時30分。激光掃描儀脈沖頻率100 kHz，掃描頻率43 Hz，掃描角度21°，旁向重疊率30%，激光點地面點間距0.52 m。

2.4 LIDAR數據的處理

LIDAR航攝飛行結束后，要盡快對航飛數據進行有效性評價，決定是否需要補飛或重飛，進而解算激光點數據，并進行分類處理。

2.4.1 LIDAR數據處理流程

原始數據解碼：原始采集的激光數據與POS數據（定位定向數據，包括DGPS數據和IMU數據）需要進行解碼，從而獲得GPS文件，IMU文件，激光點文件等；POS數據處理：機載POS與地面基站GPS進行差分和融合，獲得精確坐標；激光數據處理：處理后的POS數據與激光點數據融合，獲得地面坐標；輸出激光點文件。

2.4.2 LIDAR數據處理說明

解算原則，方法：實際解算，采用多邊形范圍輸出，以單條航線存儲為一個激光點文件；坐標系統，采用WGS84橢球，UTM投影坐標系；POS處理說明：處理基站時，使用某市所在省份的GPS控制網，并同時保證機場附近架設一個基站，由觀測手簿獲得基站坐標及天線高；使用基站時，盡可能多的使用離測區范圍最近的所有基站。航帶重疊處理：航線與航線之間重疊的部分，根據航線，將重疊部分的數據劃分出去，減小數據量。

2.4.3 LIDAR數據分類處理

LIDAR數據包括很多類型，例如房屋建筑、植被、水體、地表、管線等，如果要提取DTM（Digital Terrain Model，數字地形模型），就必須將非地表類型點和地表點分離開，也就是要進行數據分類。目前基于LIDAR數據點濾波的方法絕大部分都是基于三維激光數據腳點的高程突變等信息進行的，概括來講主要有移動窗口法，迭代線性最小二乘內插法，基于地形坡度濾波和移動曲面擬合法等幾種。

某市的測區為平原地貌，地勢低平，絕大部分地區海拔不足5 m，最大相對高度不足8 m，海拔高程一般在2～3 m。根據地形情況，首先剔除噪聲點，包括云，折射等造成的高程異常點；然后設定適合的參數，采用TerraScan軟件（芬蘭Terrasoild公司出品）自動分類提取地面點。TerraScan軟件是依據移動窗口法來分類提取地面點的。

2.4.4 坐標轉換

利用POS動態定位計算出來的激光點坐標屬于WGS84坐標體系，而某市測區采用的是西安80坐標系，因此需要通過坐標轉換，獲得最終成果。坐標轉換包括兩個方面：平面坐標體系轉換和正常高轉換。平面坐標轉換可以利用某省C級網坐標轉換成果，七參數法轉換得到。正常高轉換是利用某市測區高程控制點擬合的似大地水準面計算得到。

2.4.5 高程數據成果

經過分類和坐標轉換后，LIDAR數據就可以用于測繪成果的生產了。該1∶500地形測量項目主要是獲取DEM（Digital Elevation Model，數字高程模型）、等高線、高程注記點等。由于LIDAR數據的高密度和高精度，使得由分類后的地表點生成的TIN（Triangulated Irregular Network，不規則三角網）的精度較傳統數字攝影測量方法有了質的提高，能夠滿足大比例尺地形測量的需求。

2.4.6 高程精度檢測

地形測量高程成果采用實地水準測量和差分GPS測量方法進行檢測，檢測結果見表1。

其中Δ為檢測誤差值，M=0.15（m）為標準中誤差。

兩種檢測方法結果表明，大部分成果精度很高，1倍標準中誤差以內的檢測點數達到85%以上，大于2倍標準中誤差的檢測點數小于5%，檢測中誤差小于0.15 m，滿足設計書的要求，證明用LIDAR測高獲取地形高程的方法可行。

3 結語

從該地形測量項目可以看出，機載LIDAR技術為獲取高分辨率的地球空間信息提供了全新的技術手段，使人們從傳統的單點數據獲取變為連續自動數據獲取，提高了觀測的精度和速度，能快速的獲取精確的數字高程模型及地物的三維坐標，同時配合地物影像，增強對地物的認知和識別能力，在攝影測量與遙感及測繪等領域具有廣闊的發展前景和應用需求，因此開展機載LIDAR技術的應用研究以及數據處理的方法研究具有重要的理論價值和現實意義。

參考文獻

[1] 舒寧.激光成像[M].武漢大學出版社，2005（8）.

[2] 李英成，文沃根，王偉.快速獲取地面三維數據的LIDAR技術系統[J].測繪科學，2002，27（4）.

[3] 劉經南，張曉紅.激光掃描測高技術的發展與現狀[J].武漢大學學報：信息科學版，2003，23（2）.

[4] 張玉方，程新文，歐陽平，等.機載LIDAR數據處理及其應用綜述[J]..工程地球物理學報，2008，5（1）.