LIDAR技術在數據處理中的應用

發布日期：2018-06-21 00:00 瀏覽量：13932

　　引言

　　目前，計算機信息及其它高新技術被廣泛應用，數字立體攝影測量已經成熟，相應的軟件和數字立體測量工作站在生產部門逐漸普及，但是攝影測量工作目前存在生產模式周期過長的弊端，不能滿足信息化社會及“數字地球”對測繪的要求。

　　LIDAR（LightDetectionandRanging）是近幾十年來攝影測量領域最具革新性的技術之一。LIDAR即光探測與測距，根據載體不同，可分為機載和地面激光雷達兩種模式，原理是通過激光打在物體上的返回信號進行三維坐標的測量，應用GPS（GlobalPositionSystem）、慣導（IMU，InertialMeasurementUnit）裝置測定飛機的飛行姿態、空間位置、時間，生成LIDAR數據。LIDAR技術是GPS、慣性導航、激光測距等技術的集成應用。

　　LIDAR數據經過某些軟件（TerraSolid、LID_MAS）的數據處理后，可生成具有高精度的帶狀地形斷面圖、數字地面模型、高壓輸電線路三維圖（包括鐵塔位置、懸垂線、環境地形）、等高線圖、房屋三維立體模型、正射影像圖（航空飛行時要配備數字相機）等，可應用于道路設計與擴建、輸電線路設計與管理維護、三維建模、洪水等災害防治、農業監控研究等領域。

　　目前歐美發達國家中，在高效率空間數據信息獲取方面，該技術已成為當下研究熱點，其應用領域囊括了經濟建設、軍事、林業等多個方面。而我國關于該技術的研究及應用仍處于起步階段，因此其數據處理方法及應用還具有很大潛力。

　　1、LIDAR系統概述

　　機載LIDAR系統主要包括：①激光測距系統，用于測量發射點與地面障礙物間的距離；②姿態測量裝置（IMU），用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態參數；③動態差分全球定位系統（DGPS），用于確定掃描投影中心的空間位置；④一套成像裝置，用于獲取對應地面的彩色數碼影像，最終用來制作正射影像。

　　機載LIDAR的特點如下：①數據精度高。利用高精密的傳感工藝自動采集目標的表面與立體結構的三維數據，并根據高精度定位系統獲得較高的定位精度；②數據密度高。地表激光點的采集間隔可根據具體的工程需要來調節，使得LIDAR數據可達到很高的密度；③時效性強。LIDAR的作業周期遠小于傳統攝影測量方式，其實用性更強；④主動測量?？梢蕴幚韨鹘y測量方法無法或很難進入的危險地區，并且仍能獲取較高精度的數據。

　　2、LIDAR數據處理

　　LIDAR數據一般以二進制的形式存儲，有三維坐標和強度信息。數據處理時是以三維的形式交互顯示，這與全數字數據采集、航空攝影測量的數據處理方式不同，是一種全新的數據處理方式，但對作業員的要求不高。LIDAR數據的數據量巨大，例如：2.79km2有700多萬三維點，裸地的地面點間隔約0.7m，有樹遮擋地面點間隔約1.4m，這樣的點密度是目前其它獲取手段所不能達到的，尤其在有大喬木遮蓋的林區更具有優勢。另外，高精度的LIDAR數據采集方式，可以直接采集電力輸電線的數據，可以直接生成高壓輸電線的懸鏈線空間三維圖，美國多用于對電力線的維護工作。

　　關于LIDAR技術國內外一直在研究，直到精度能達到一定的水平才真正有它的使用價值。質量較好的1∶500DLG圖中誤差在實地0.5m以內；GPS的RTK技術可以實現快速單點厘米級的定位精度；全數字攝影測量一般可以實現20cm矢量圖形的測繪工作；而目前的LIDAR技術可以實現只有極少控制點的大面積測量，精度可以達到實地15cm，可以直接獲取真三維的地球表面信息。

　　機載LIDAR數據處理的一般流程包括：①航飛采集激光掃描數據以及數碼影像和內業數據處理，即確定航跡；②激光掃描測量數據處理，得到點云數據；③對數據進行檢驗并分類處理，經過坐標轉換、激光點濾波后，建立DEM，④進行DOM制作。

　　2.1點云數據特點

　　三維激光掃描儀在很早之前就在醫學、文物保護、機械制造等領域廣泛應用，數據處理使用的主要是點云處理技術。由于LIDAR技術獲取的數據有范圍大的特點，應用點云技術處理數據與其它領域應用有所不同。用LIDAR技術獲取的數據有3種點云：①地表上的人工對象：主要有建筑物、電力設施等；②植被：主要有大的喬木和低矮灌木；③地表。

　?。?）地表?？梢陨扇S地表模型，有如下3個特點：①有高精度、高密度的地表特征點，超越目前任何其它生成手段；②可以直接建模，具有任意精度，靈活多變；③可輸出文本，作為其它數據的基礎，具有開放性。

　?。?）建筑物（房屋）。可以自動生成房屋的頂部模型和紋理，生成粗三維模型。

　?。?）高壓輸電線。對于高壓輸電線，利用LIDAR技術獲得的數據很有特點，是目前其它設備難以獲得的。LIDAR數據可以表現出鐵塔的外形輪廓，能夠繪出鐵塔的位置和高壓線的懸垂線。在美國的生產實踐證明，高壓輸電線在夏天和荷載增加時，高壓線與地面距離會變近，這不利于電線的安全。

　?。?）高速公路。我國高速公路建設速度很快，在道路設計中LIDAR技術可以發揮作用。因為LIDAR技術可以生成很密的三維數據點，可以用來計算土石方量、破壞樹木植被量，并能清楚地摸清道路兩旁的環境。對于修路，在起伏比較大的地方較能顯示出LIDAR技術的優勢，因為這樣的成本相對較低。

　　2.2DEM建立

　　作為4D產品之一，DEM制作方法如下：①利用航空相片，使用全數字攝影測量的方法制作，優點是直觀、速度較快，缺點是精度較差、有死角；②利用高程點和等高線等矢量地圖，通過軟件自動生成，優點是速度很快，缺點是受數據源精度的嚴重影響，往往需要人工干預和再處理；③利用儀器設備到野外實地采集，優點是精度很高，但效率低下，不適合大面積作業，只有在計算土方量時才使用；④利用LIDAR技術獲取離散點制作DEM。

　　LIDAR技術的優點：面積大、速度快、精度高；缺點：單次任務啟動費用大，且需要有空中飛行許可。

　　（1）面積大。激光掃描儀以每秒10萬個點的速度向地面發送信號，飛機的航高不同，地面的掃描走廊也不同，一般幾十米到幾百米，是行高在400m時，直升飛機的掃描走廊。說明航向與飛行方向垂直，激光掃描儀的掃描軌跡以“之”字形前進。

　　（2）速度快。通常采用固定翼飛機和直升飛機進行LIDAR數據的飛行任務，其數據采集的速度與普通的航飛相當。但是，由于是主動式的遙感，不需要等天氣，甚至可以夜間飛行，因而相對于常規的航飛任務而言，可以大大提高飛行效率，一般幾百平方公里的任務，幾天就可以完成。數據的后期處理也非常迅速，在美國，一個熟練的作業員，每平方公里的數據處理只要1個星期。

　　（3）精度高。由于是直接對地面進行測量，只要不被正上空的物體遮擋，激光點都能直接打到地表，這樣激光點在地表的密度就非常大。特別是對于有樹木遮蓋的林區，由于樹蔭和樹葉，用全數字航測的立體影像方法很難切準地面或者根本不能看到地面，這種情況用LIDAR采集數據就特別有優勢。前文提到，精度可以控制在15cm以內，而且所有的點都可以參加構成TIN。

　　一次飛行的啟動費用為航空攝影測量的缺點，也正是該缺點，使得將來的空間數據采集向兩個極端發展：一是大范圍、高自動化的空中采集；二是小范圍、高精度的地面人工采集。在對城市的測量中，一般會兩種方式結合采用，以滿足宏觀和微觀的需要。

　　2.3DOM制作

　　用LIDAR技術獲得空間三維離散點數據的同時，如果安裝了數碼相機，也能獲得數字影像，這種數字影像與DMC相機的影像在格式上完全相同，只是像幅較小。由于飛行時相機的快門與GPS的實時測量同時開啟，因而獲得影像的重疊度比較大，有的地方可以達到90%以上的四度重疊。常規航空攝影用的膠片，如果是1∶8000的航片，0.021mm掃描，實地分辨率約為15cm，采用DMC數碼相機，同樣是1∶8000，實地分辨率有7.2cm。由此可以看出，隨著航空攝影高度的降低和攝影比例尺的增大，獲得的影像圖的分辨率在不斷增加。對于伴隨LIDAR技術三維數據的影像，一般分辨率在10cm之內。

　　用機載三維掃描儀的數據制作正射影像有以下幾個特點：①生成速度快，可以生成真正射。通?？梢宰詣踊虬胱詣舆x擇影像的連接點，然后全自動生成正射影像，通過人為引入建筑物的矢量數據，直接生成真正射，這對制作三維大場景十分重要；②分辨率高，5cm/象元。在用LIDAR技術獲取數據時，一般航飛的高度低于1000m，這樣拍攝的影像分辨率很大，可以控制在10cm之內，用分辨率為5cm的影像作三維場景的地表，基本上能夠滿足人們視覺上的需要；③絕對精度好。因為DEM的精度好，所以DOM的精度也隨之提高，在技術層面上，所采用的方法與現在流行的糾正算法相同；④影像拼接較差，色彩過渡不好。

　　這是自動制作DOM不可避免的缺點。雖然數據處理軟件可以自動校正色差、亮度，但如果測區過大，并不能達到令人滿意的效果。若是在城區，房屋影像的拼接也是一個問題。

　　3、LIDAR技術系統應用

　　LIDAR技術在國民經濟建設中，如林業、水利電力設計、交通設計規劃、城市規劃以及軍事等各大領域可得到廣泛應用。

　　軍事應用上，機載LIDAR在戰場偵察、大氣探測、跟蹤及火控、水下探測、武器鑒定、指揮引導、障礙回避等多方面都可得到廣泛應用。

　　林業管理上，可根據LIDAR數據，分析森林植被的覆蓋率和覆蓋面積，掌握植被疏密程度、年長樹木及年幼樹木各自覆蓋率，估算出森林總占地面積、樹木均高及木材量。這對人們的伐木及植樹事業具有一定的科學指導性意義，且便于相關部門進行調控。

　　電力輸送上，可有效助力電網的布設與維護管理工作。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域內的地形和地物要素情況。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。在進行電力線搶修和維護時，根據電力線路上的LIDAR數據點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，這樣便于搶修和維護。

　　交通管線設計上，LIDAR技術為公路、鐵路設計提供了高精度的地面高程模型DEM，以方便線路設計和施工土方量的精確計算。同樣，其在進行通訊網絡、油管、氣管線路設計時具有重要的應用價值。

　　數字城市項目上，將高精度的LIDAR數字地面模型DEM與GIS系統有機結合，可以建立并完善“數字城市”系統，實現對數據的實時更新。

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