機載LiDAR技術在城市3D數字產品中的應用

發布日期：2018-06-21 00:00 瀏覽量：11005

　　引言

　　機載激光雷達 (AirborneLightDetectionAnd Ranging，簡記為LiDAR)，是集激光掃描、全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)三種技術于一體的空間測量技術，能夠快速、精確地獲取地表信息。與傳統航測相比，機載LiDAR具有速度快、精度高、能提供豐富的三維信息等優點。機載激光雷達系統與數字航攝儀、機載GPS及慣性導航系統相結合，使用大容量高速計算機，經過專用軟件處理，可快速完成數字高程模型(DEM)、數字正射影像圖(DOM)及數字表面模型（DSM）的大規模生產。LiDAR數據的平面精度可以達到0.2m，高程精度可達到0.1m。

　　近10年以來，LiDAR硬件設備已經成熟和穩定，并且性能越來越優化；針對LiDAR數據的處理軟件已基本成熟；并已投入商業應用。LiDAR的應用領域在不斷的擴展和深化，已經成功的應用于大比例尺DEM、DSM、DOM制圖、電力和公路選線、城市規劃、森林調查、災害災情監測、三維數字城市建設等行業領域。

　　1.LiDAR系統構成、定位原理及應用

　　1.1 LiDAR系統構成

　　LiDAR系統主要如下幾部分構成：

　　⑴GPS：根據地面基站及機載GPS快速確定空中飛機的三維坐標；

　　⑵INS：慣性測量系統，用于確定飛機的空中姿態；

　　⑶激光掃描測距系統：測量空中點至地面的距離

　　⑷成像裝置（CCD數碼相機）：獲取所經地面的影像，用于制作地面正射數字影像；

　　⑸工作平臺：可攜帶上述裝置的飛行器。

　　1.2 LiDAR定位原理

　　機載LiDAR定位原理：設空間有一向量S，其模為S，方向為（φ，ω，κ），若能測出該向量起點Os的坐標（Xs，Ys，Zs），則此向量的另一端點Ps的坐標（Xs，Ys，Zs）便可唯一確定。對機載系統而言，起點Os為遙感器光學系統的投影中心，其坐標可利用動態差分GPS求出，向量S的模S是由激光測距系統測定的機載激光測距儀測理投影中心到地面激光腳點之間的距離，姿態參數（φ，ω，κ）可以利用高精度的姿態測量裝置進測量獲取。其中一些系統參數，主要包括激光測距光學投影中心相對于天線相位中心的偏差；激光掃描器的安裝角，即傾斜角、仰俯角和航偏角；IMU（慣性測量單元）相對于GPS的位置偏差及IMU機體同載體坐標軸系之間的不平行等項參數，需要通過一定的檢校方法確定。

　　2．LiDAR系統的數據處理

　　利用系統自帶的隨機軟件，可以對飛機GPS軌跡、飛行姿態、測光測距等相關數據進行處理，得到各測點的三維無屬性的空間坐標數據，即所謂的“點云數據”。LiDAR系統的數據處理即是對上述的“點云數據”進行分類處理，根據不同的需要，按一定的分類原則，提取相關的信息，形成用途各異的數字產品。

　　TerraSolid是用于對點云數據進行分析處理的專用軟件。該軟件具有可顯示3維點數據，可任意定義點的類型，可手動或自動分類點，進行點位抽稀，提取關鍵點，在激光點上數字化特征地物，并能與攝影測量影象數據融合，可輸出分類后的激光點和高程模型等功能。

　　在3D城市數字化產品制作中，TerraSolid主要用于構建地面高程數據（DEM）和數字表面模型（DSM），并結合影象數據生成數字正射圖（DOM）

　　3．3D數據數字產品制作

　　現以某濱海城市為例介紹3D數據數字產品制作過程。利用機載Lidar設備飛行采集的原始點云、數碼航片、航跡信息等數據通過影像調色、數據預處理、點云分類、空三加密、拼接線修改、圖幅裁切等一系列處理，生產出符合相應比例尺國家標準的DEM、DSM、DOM成果及建筑物體框模型。

　　3.1 DSM和DEM制作流程:

　　3.1.1對激光點三維數據進行地表和地面激光點的分類處理。

　　3.1.2生成粗imagelist，直接利用未空三加密的imagelist文件快速生成粗數字正射影像。

　　3.1.3參考粗數字正射影像，對分類后的激光點三維數據進行檢查，糾正前期分類錯誤的激光點。

　　3.1.4對地面激光點構建三角網模型，按2.5和0.8米的格網間距分別內插為1：2000比例尺數字高程模型；對地面和建筑物、樹木、橋梁地上構建物等對應的所有激光點構建三角網模型，按2.5和0.8米的格網間距內插為1：2000比例尺數字表面模型。

　　3.2 DOM制作流程

　　3.2.1原始航片調色、勻色。

　　3.2.2 POS輔助空三加密，添加連接點。集成后的大區域空三加密時，平原地區要求公共點較差中誤差在0.1米以內、最大誤差0.2米。山地要求公共點較差中誤差在0.13米以內、最大誤差0.26米以內；還未集成的小區域空三加密時，平原和山地的公共點較差可在以上基礎上放寬一倍。

　　3.2.3 通過生成的連接點文件，對原始影像的三個角度外方位元素進行優化調整。

　　3.2.4 對正射糾正的影像進行拼接線修改和優化，使不同航片在接邊處不穿過建筑物、樹木等非地面地物，保證地物影像的完整、自然。

　　3.2.5 在拼接線處對影像進行色調修改和平衡，使整幅正射影像色調自然、均勻。

　　3.2.6對專用軟件生成的數字正射影像進行架空橋梁等地物出現的拉花、錯位、變形等情況的修正，并提交最后數字正射影像成果。

　　4. 結語

　　機載雷達（LiDAR）系統以其方便、快捷和高效的3維數據獲取技術，具有十分廣泛的應用前景。該系統在城市3D數字產品的制作中，可快速獲取符合相關規范標準的DEM、DSM、DOM產品。與傳統的生產流程相比，采用該技術具有處理區域范圍大、成圖周期短、成圖精度高和生產成本相對較低等特點，具有相當廣泛的應用前景。隨著LiDAR技術硬件系統的進一步的發展和分類技術研究的不斷推進，該技術將在我國城市信息化建設中，發揮重要的作用。

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