國產LC—3500機載LIDAR系統在海岸潮間帶測繪應用

歐陽志兵

摘要：近年來海洋地位和作用愈發重要，海洋也同時展示了其潛力和活力。海岸潮間帶作為海岸向海洋延伸的最近近海區域，其區域的地理空間信息更新和獲取顯得尤為重要。海岸潮間帶數據的獲取方法已經成為形勢下一個熱點研究課題，將機載激光雷達技術運用在海岸潮間帶的測繪應用中已經成為熱門。本文以國產LC-3500機載LIDAR系統在山東濰坊港潮間帶進行航攝作業為例。

Abstract：： In recent years， the status and role of the ocean are becoming more and more important， and the ocean has also shown its potential and vitality. The coastal intertidal zone， as the nearest coastal area extending from the coast to the ocean， is particularly important for the renewal and acquisition of geographical spatial information in its region. The data acquisition method of coastal intertidal zone has become a hot research topic in the current situation. The application of airborne lidar technology in the coastal intertidal zone has become a hot topic. In this paper， the domestic LC-3500 airborne LIDAR system is used as an example to carry out aerial photography in the intertidal zone of Weifang port in Shandong.

關鍵詞： LC-3500；機載LIDAR；數據采集；數據預處理；潮間帶

Key words： LC-3500；airborne LIDAR；data collection；data preprocessing；intertidal zone

中圖分類號：P237 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0153-05

0 引言

隨著科學技術的進步和海洋世紀的到來，人類對海岸帶區域的開發和利用程度空前高漲，然而，海岸帶的開發利用、環境保護、評價預報、防災減災、綜合管理等工作都必須有足夠的、準確的海岸帶監測資料、數據與信息，否則海岸帶的一切活動將無法科學、合理地開展。潮間帶是指大潮期的最高潮位和大潮期的最低潮位間的海岸，也就是海水漲至最高時所淹沒的地方開始至潮水退到最低時露出水面的范圍，通常也稱為海涂。海岸潮間帶作為海岸向海洋延伸的最近近海區域，其區域的地理空間信息獲取現勢行顯得尤為重要。近年來一些學者開始研究將機載激光雷達技術運用在海岸帶的測繪應用中，作為取代或補充傳統的實地測量和傳統航空攝影測量作業方式。

激光雷達（LIDAR）相關產業整體每年以近24%的速度增長，星載，機載，地面激光雷達不斷涌現。[1]在市場對國產設備的極大呼吁下，以及國內相關研究單位的努力下，國產技術和裝備研究取得突出成就，并迅速占領一定市場份額。

1 國產機載LiDAR系統（LC-3500）簡介

LC-3500機載激光雷達系統集成激光技術、攝影測量技術、慣性測量單元和DGPS差分定于一體，是安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統，該系統可量測地面物體的三維坐標，其在三維空間信息實時獲取方面的重大突破，為獲取高時空分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術手段。

系統具有：關鍵器件國產化：售后服務及時、快捷；自研飛行管理系統，后處理軟件完善：提供全面的系統解決方案和標準的數據接口；系統組件模塊化：安裝拆卸靈活，使用方便；系統配置可選擇：按需選擇不同型號的IMU和相機；作業效率高：掃描視場角70°，覆蓋航帶寬度大；作業方式靈活多樣：設備在大飛機上可用有人操作模式，設備在小飛機上采用無人操作模式等系統優勢。

1.1 LC-3500定位原理

本系統激光測距采用脈沖式測距，激光發射器發出一束激光打到物體上并反射回來，激光接收器收到這束激光，期間計時器測量得到此激光往返過程時間，由于光速為已知，從而得到激光器到物體的距離。此激光測距模式稱為脈沖式測距，公式如下：

式中，ρ為激光發射點到反射點之間的幾何距離；c為光速；t為激光脈沖往返時間。[2]

慣性測量單元記錄飛機飛行過程中的飛機姿態及姿態變化；安裝在飛機上的GPS接收機動態記錄飛機位置，之后通過與地面架設的基站進行聯合差分解算，求出飛機上GPS接收機天線位置，通過量取天線與激光發射器之間的桿臂值，通過轉換得到激光發射器的位置坐標。聯合激光測距、慣性測量單元記錄的姿態信息和DGPS測算的軌跡信息，最終可以確定每個激光反射點的三維坐標信息。機載激光雷達對地定為原理如圖1所示。

1.2 系統集成

由于系統集成完全自主化，LC-3500在系統集成時可以按需求搭配不同的設備模塊，選配不同型號的IMU、相機和穩點平臺安裝于不同飛行平臺，完成要求不同的數據獲取項目。

萊州灣潮間帶雷達數據獲取項目中，集成選配AP-3500激光雷達系統、哈蘇單鏡頭數碼航攝相機和國產POS2010小型化位置姿態測量裝置，配合減震平臺安裝于運-5飛行平臺上，安裝集成如圖2所示。

2 LC-3500數據采集與預處理

2.1 研究區域概況

項目為山東濰坊港潮間帶航攝。濰坊港于山東半島中部，位于渤海“金項鏈”萊州灣南岸，現為國家一類開放口岸，區位優越，交通便利，擁有海岸線140公里。航攝區域位于濰坊港海岸線南岸，西起東營市羊口鎮，東至萊州市沙河鎮，北至濰坊港潮間帶及附近海域，南至濰坊市。航攝區域面積225.09平方公里，海拔高度為-1～1m。處于北溫帶季風區，背陸面海，氣候屬暖溫帶季風型半濕潤大陸型。其特點為：冬冷夏熱，四季分明；春季風多雨少；夏季炎熱多雨，溫高濕大；秋季天高氣爽，晚秋多干旱；冬季干冷，寒風頻吹。年平均氣溫12.3℃，年平均降水量在650毫米左右。測區潮間帶年平均風速6～7m/s。

2.2 數據采集與預處理

由于潮汐漲落的原因，在既保留足夠的航飛時間的同時又盡可能多地獲取灘涂地形數據，就成為使用LiDAR 手段進行灘涂測量的一個難題。選擇飛行窗口時需重點參照海事服務網所提供的測區所屬的濰坊港潮汐時間表來考慮潮汐影響，航攝時海水面應低于1985國家高程基準面0m。如圖3，在最低潮左右1～1.5小時內時間內為理想航攝可航攝潮汐窗口，最后綜合天氣預報、空域申請、潮汐預報制定飛行計劃。分析測區所在濰坊港潮汐時間，實際航攝過程中擬將測區分為兩部分，第一部分為航線在潮間帶部分，第二部分為航線在內陸部分，最高潮到最低潮的時間間隔約為6小時，高潮持續時間約為1小時，因此符合低潮期航攝要求的時間大致為最低潮前1小時到最低潮后2小時（參照高潮持續時間可得出低潮持續時間也大致為1小時），這3個小時是符合低潮期航攝的最佳時間。

2.2.1 數據采集

在進行航攝作業前需完成航攝準備工作，包括如圖4內容。

1）測區規劃以及檢校場選址：將測區范圍導入到Google Earth中，依測區形狀、高差變化進行分區，并選擇“人”字型房屋屋脊線與平直馬路平行的檢校場場址，這樣可以減少飛行航線，提高檢校效率，檢校場示意圖見圖5。[3]

2）航線設計：在自研WinNav飛行主控管理軟件（包括航線設計功能）中輸入航線設計參數即可，如圖6，航線設計同時應遵循安全、經濟、高效和周密原則。

航線設計參數計算：

按要求，此次攝影獲取的影像用于制作成圖比例尺為1：10000比例尺的數字產品（DEM、DLG、DOM），要求航空影像的地面分辨率（GSD）應為50cm。設計2000m飛行參數如表1。

3）基站架設選點：為保證軌跡解算精度基站選址應在測區30km內并且遵循GPS基站布設原則；

4）空域申請、天氣預報查詢：空域申請按照航飛權辦理流程進行，申請空域需與天氣情況密切配合，申請天氣較好時段進行作業，以保證影像數據質量。

數據獲取與數據檢查階段包括：設備安裝與測試、基站架設與配合、數據采集飛行要求以及數據檢查與備份，并完成飛行記錄報告。具體內容如圖8。

1）將設備安裝于飛行平臺，連接線路，檢查線路連接是否準確，量取記錄桿臂值，在飛行前30分鐘打開地面基站，開啟POS設備靜止一般5～10分鐘等待POS進入狀態，打開設備電源開關和控制筆記本，對設備進行仿真模擬測試（每個飛行作業架次前進行仿真模擬測試），檢查設備工作是否正常，確保測試數據為正常再進行航飛作業。

2）確?？沼蚺c天氣滿足飛行作業，與機長溝通飛行任務和要求，和機組人員保持聯系，得到飛行通知，及時進場準備，不可錯過良佳作業時間。

3）飛行要求：在飛到測區上空作業高度，進入航線前，按“8”字形飛行，然后平飛5分鐘，作業結束退出作業區前，再“8”字形飛行，平飛5分鐘，以保證IMU精度滿足要求；盤旋轉彎坡度<22°，最好在15°到20°之間；航線上飛行姿態要求Roll（側滾角）<5°、Pitch（俯仰角）<5°、Heading（航向角）<20°。[4]

4）數據檢查與備份：在架次數據獲取結束后，及時檢查POS數據、影像數據、點云文件和基站數據是否正常，按日期與飛行架次備份數據。

5）填寫飛行記錄表：飛行記錄是后期檢查和整理數據的依據，按實際情況記錄飛行記錄表。

2.2.2 數據預處理

本文以AP3500+POS2010激光點云數據預處理為例，主要過程為航線軌跡解算、安置角檢校與點云數據解算、點云精度驗證。如圖9所示。

1）軌跡解算。

運用組合導航后處理軟件Inertial Explorer進行軌跡解算，后處理步驟主要有原始數據轉換、GNSS解算、GPS/INS組合解算、解算平滑、輸出結果。如圖10所示。

2）安置角誤差改正。

機載LiDAR系統由多個部件集成而成，在系統集成過程中，由于激光坐標系與IMU本體坐標系三軸不可能實現絕對平行，三軸之間個存在一個微小的夾角（橫滾角（Roll）、俯仰角（Pitch）和航向角（Heading）），且兩個坐標軸中心之間存在一定的偏移，稱為偏心量（X、Y、Z），偏心角于偏心距的存在將引入系統誤差。對于系統誤差檢校，采用基于特征地物分離安置角誤差的分步幾何檢校方法，這些特征地物包括尖頂房與平直公路。[5]

檢校方法如下所示：

首先檢校橫滾安置角。如圖11所示，利用兩條與平直公路垂直的往返航線CD和DC，將往返點云導入到TerraScan里，沿道路方向取點云的剖面。由于橫滾安置角的存在，會得到兩條相交的直線，其夾角的一半即為橫滾安置角。將激光腳點坐標加入此橫滾安置角改正，再取剖面，若兩直線不相交，則繼續迭代求解橫滾安置角，直至兩直線重合為止。[6]

將最終的橫滾安置角引入到激光腳點坐標后，可以進行俯仰安置角檢校。同樣利用往返航線CD和DC，保證這兩條航線經過尖頂房正上方，并且與尖頂房的屋脊線垂直。將點云導入到TerraScan里，沿垂直于屋脊線方向在屋脊中間處切一斷面，可以看到兩個屋脊線的頂點在水平方向上存在明顯的位移，由此便可求解俯仰安置角△p=D/（2H），其中D為位移量，H為相對航高。同樣利用迭代法得到最終的俯仰安置角，并引入到激光腳點坐標。[7]（圖12）

最后檢校航向安置角。航向安置角的檢校也是利用尖頂房，但要借助垂直于屋脊線且沿相同方向飛行的兩條航線AB和DC。同樣在點云中沿垂直于屋脊線方向在屋脊中間處切一斷面，也可以看到兩條航線中的房頂有偏移。航向安置角△H=D/S，其中D為偏移量，S為AB與DC的航線間距，迭代求解，對激光腳點坐標加以改正。[8]

3）測區點云數據解算。

在安置角檢校完成后，將得到的三個角度運用到UI-AP點云解算軟件中，將初始數據“IMP”文件轉換成“.las”點云數據格式。點云數據解算即將點云數據進行坐標轉換，主要工作為導航數據與點云數據融合，坐標轉換順序是：瞬時激光束坐標系→激光掃描參考坐標系→載體坐標系→慣性平臺參考坐標系→當地水平參考坐標系→當地垂直參考坐標系→WGS-84坐標系→目標坐標系。此轉換過程在UI-AP點云解算軟件下進行。

將解算所得點云數據稀疏10倍加載到TerraScan軟件中，效果如圖13。

3 點云精度分析

在得到機載LiDAR點云數據后，最關心的是點云數據精度是否符合項目要求又能否滿足后期的數據應用和數據分析。為此需要對點云精度進行評價，點云數據高程精度應使用野外控制點數據進行檢查，其高程中誤差應不大于表2的要求。

在植被覆蓋密集區域、反射率較低區域（如水域、光滑表面等易形成鏡面反射的區域）等特殊困難地區，點云數據高程中誤差在表2基礎上可放寬0.5倍。

獲取激光點云數據高程精度的方法是在測區布設一系列GPS測量點，將實測GPS點與激光點云在TerraScan軟件中進行比較，操作步驟為“tool”→“Output control report”→選擇測區實測GPS數據（如圖14），得到實測GPS點與激光點云的高程誤差結果（如圖15）。對得到點云數據高程方向的均方根誤差Root mean square=0.094m。點云數據高程中誤差滿足1：10000比例尺點云數據高程精度要求。

4 結束語

本文以國產LC-3500機載LIDAR系統在山東濰坊港潮間帶進行航攝作業為例。對系統數據采集與數據預處理方法做出研究和總結，并且激光點云在TerraScan軟件中與實測GPS點進行精度驗證，得到點云高程精度滿足項目要求。

參考文獻：

[1]李德仁.第四屆激光雷達大會.[R].武漢，2017.

[2]張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M].武漢大學出版社，2007.

[3]左建章，關艷玲，李軍杰.高精度輕小型航空遙感系統集成與實現[M].測繪出版社，2014.

[4]李志杰，李軍杰，關艷玲，等.國產機載LiDAR系統SW-LiDAR的研制[J].測繪科學，2014，39（4）：110-114.

[5]索效榮，王麗英.機載LiDAR系統定位方程、誤差分析與精度評定[J].測繪科學，2011，36（4）：114-117.

[6]謝劭峰，劉田龍.國產機載LiDAR系統安置角誤差檢校方案研究[J].測繪與空間地理信息，2016，39（6）：50-55.

[7]劉田龍，謝劭峰，常虹，等.國產SW-LiDAR系統集成誤差檢校方法研究[J].地理信息世界，2015（1）：82-85.

[8]梁作前，馬浩，關艷玲，等.機載LiDAR系統安置角誤差的檢校方法[J].測繪科學，2013，38（4）：125-127.