機載激光LiDAR的運用領域及誤差消除方法

發(fā)布日期：2018-05-31 00:00 瀏覽量：15402

　　一、機載LiDAR技術概述

　　LiDAR是基于激光雷達技術的基礎上形成的一種新技術，也被人們廣泛的稱之為航空激光掃描探測技術，是一種安裝在飛機上的機載激光探測設備與測距系統(tǒng)，可以準確的測量出地面物體的三維坐標。LiDAR技術在目前的應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，它最早出現于本世紀初期，是集激光測距技術、慣性測量單元、GPS定位技術和激光雷測繪技術為一體的現代化技術領域，該技術的應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用提供了全新的理論技術和指導依據。其中機載LiDAR設備在飛行中以每秒40萬個點，側向60°的掃描范圍，在短時間內實現大范圍三維地貌、地物和植被掃描，數據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以其便利性、可重復性和絕對定位，以及數據的真三維性和前所未有的精度等優(yōu)勢，在地學及相關領域中得到日益廣泛應用和快速發(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）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據。數碼相機可以為獲得高分辨率的影像數據，監(jiān)控及控制系統(tǒng)在系統(tǒng)采集數據的同時為操作人員提供有效的實時監(jiān)控信息。對以上數據進行處理，可以獲得DOM、DEM、DSM、DLG、三維數字模型等產品。

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　　二、機載LiDAR技術的應用

　　隨著計算技術以及GPS技術的進一步發(fā)展和應用，LiDAR技術經過近20年的發(fā)展，其技術已經完全成熟。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字高程模型數據等傳統(tǒng)的應用領域，而且廣泛應用于城市三維模型的直接獲取、GIS數據獲取、高壓線監(jiān)測、林業(yè)監(jiān)測等領域。LiDAR利用激光傳感器對地面進行掃描，同時利用慣性導航系統(tǒng)實時定位飛機姿態(tài)，再加上GPS觀測坐標，還可以打開LiDAR攜帶的數碼相機進行航空攝影，獲取相片數據。利用這些高精度的數據可以得到大范圍高精度的4D產品。

　　（一）基礎測繪

　　基礎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當是以數字影像為主要技術要求進行的。但是在工作中，因為數字影像本身存在著工作力度繁瑣、施工內容復雜的特點，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要求來提前設置合理的程序和控制策略。經過多年的工作實踐總結得出，在基礎測繪工作中采用LiDAR測繪技術可以有效的緩解傳統(tǒng)測繪技術所帶來的工作壓力，提高工作效率和工作進度。這種技術在應用中是通過三維坐標的方式來實現對地面坐標的三維立體控制，從而達到精確坐標的要求。

　　（二）電力線路設計

　　在進行電力線路設計時，通過LiDAR數據可以了解整個線路設計區(qū)域內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，根據電力線路上的LiDAR數據和相應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

　　激光雷達技術用于高速公路線路等工程優(yōu)化設計具有創(chuàng)新性和代表性，打破了傳統(tǒng)設計的方式方法，從數據獲取及處理、初步設計、優(yōu)化設計、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)性技術體系和支撐平臺。（1）原始數據采集：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、數碼相機等。（2）基礎數據處理：機載激光雷達測量系統(tǒng)在野外采集得到的數據需要進行一定的處理才能得到需要的信息。數據處理的內容包括：確定航跡、激光掃描測量數據處理、數據分類處理、坐標匹配、影像數據的定向和鑲嵌、建立三維地形模型。（3）線路優(yōu)化設計：以高精度、高分辨率正射影像和激光點云數據、數字高程模型數據為基礎，采用二、三維結合方式，結合架空高速公路線路設計業(yè)務需求，采用多人協(xié)同設計，實現高速公路線路路徑優(yōu)化設計的一體化全流程應用。

　　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，必須經過仔細的檢校，以提高地面激光腳點坐標的對地定位精度。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系（空間配準）。本文主要討論如何確定傳確器之間的空間位置和方位關系。

　　（一）內方位元素的測定

　　GPS/INS組合導航定位與測姿系統(tǒng)為獲取載體高精度的位置和姿態(tài)參數提供了有力的支持，這是機載激光雷達實現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，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)之間的空間關系，提供正確的內方位元素，這對于激光腳點的位置計算非常關鍵。內方位元素主要包括：（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直接從機載激光雷達測量數據中估計出來。

　　INS坐標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。根據經驗，這些安置角誤差通常為0.1°-0.3°。

　　（二）消除系統(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和高程間彼此會有差異，其產生原因是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生安置角誤差等。根據這些差異建立相應的參數模型，利用一定的匹配技術將不同航帶的條帶重疊部分聯系起來，通過最小二乘平差求解這些參數。然后利用求解出的參數改正每條航帶的激光腳點坐標。

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