推掃式相機和機載激光雷達同機航測飛行試驗經驗探討

中國人民解放軍61363部隊 李星全 高德俊

徠卡測量系統貿易(北京)有限公司 徐 喜

徠卡測量新技術應用專欄

推掃式相機和機載激光雷達同機航測飛行試驗經驗探討

中國人民解放軍61363部隊 李星全 高德俊

徠卡測量系統貿易(北京)有限公司 徐 喜

一、引 言

隨著新型航空傳感器應用的逐步成熟和普遍，越來越多的測繪生產任務都開始采用DGPS/GNSS雙星系統、高精度的IMU慣導系統，以及更加精密的陀螺穩定平臺。與此同時，測繪工作者開始探討更加深入的多系統同機作業模式，以進一步提高生產效率和成果精度，縮短攝影周期。

本文主要針對推掃式相機ADS80和機載激光雷達ALS60進行的同機飛行試驗進行經驗探討，期待精度和效率的進一步提升。試驗中包含一些技術上的難點，即試驗過程中的雙系統如何集成安裝、調試，以及如何覆蓋匹配和精度匹配。在成功試驗飛行后，需要對成果數據進行處理和結果精度驗證，從而驗證ADS80和ALS60同機飛行的可行性。

二、ADS80和ALS60集成系統

ALS60能夠獲得大量密集的點云數據，而且具有非常精確的測距能力，可以快速準確地獲取地物的三維空間信息;ADS80具有快速獲取物體幾何形狀信息和光譜的能力，并可以獲取物體的圖像和多角度紋理特征。兩者集成觀測能快速提取地物特征，如顏色、尺寸、坐標、大小等，從而達到快速提取數字三維信息的目的。

1.ADS80介紹

ADS80是第三代機載線陣航空攝影測量系統，該系統能提供更優的數據獲取和數據處理解決方案，并能同角度同時獲取5個波段(R、G、B、IR、PAN)的專業影像來滿足當前航測制圖與遙感應用的需求。它還能夠高效率地獲取真正的同一分辨率、高品質、高分辨率的彩色、近紅外及全色數字影像數據，其主要的系統特點包括:①三線陣攝影，可從多個角度進行攝影，并且在數據采集過程中可以通過多像對間數據的相互補充，縮小影像遮擋范圍，減少野外補測工作量，解決了航空攝影測量的高程精度問題，取消了野外樁點工作;② 單一主光軸設計，IMU的理論中心與系統主光軸一致，偏心誤差極小;③高精度陀螺儀IMU CUS6與GNSS雙星接收系統集成，直接定向精度高，飛行任務時不存在衛星失鎖問題;④新型分光系統提高了光學鏡頭的物理光能采集效率，真彩色、近紅外同時光束分離;⑤新型PAV80陀螺穩定平臺，在執行大比例、超低空飛行作業時姿態修正及時且精確;⑥ 陣列固態光纖存儲鏈路，數據獲取安全有效。

2.ALS60介紹

Leica ALS60機載激光掃描系統是一套能夠利用激光回波信號快速獲取地面表面模型和數字影像的集成系統。它是目前業界領先的激光掃描系統，其組件的靈活性和強大的功能可以進行新型的空間數據采集，特點突出，除了可提高數據獲取的效率，對在特殊條件下的數據采集如森林地區、夜間作業等，也顯示出特有的優勢。ALS60的激光脈沖頻率達到200 kHz，掃描頻率達到100 Hz，為地面DTM的數據獲取提供了更加先進的手段，無論是在白天還是晚上，無論是在大面積裸露地區或覆蓋密集地區，激光數據都能打破常規航測的技術瓶頸，快速準確地生成目標地區的DTM、DSM、DEM，應用潛力十分巨大。

3.ADS80和ALS60同機作業

利用ADS80和ALS60同機作業能夠發揮它們各自的優勢。LiDAR開辟了由空中直接獲取高精度三維地面信息的新途徑，獲取數據的速率和精度大大提高，數據的應用范圍更加廣泛。ADS80影像具有高分辨率、色調飽滿等特點，可以通過多像對間數據的相互補充，縮小影像遮擋范圍，比傳統掃描攝影膠片獲得的影像具有更好的品質。圖1為ADS80和ALS60的集成安裝示意圖。

圖1 ADS80和ALS60的集成安裝示意圖

本次試驗采用太原航空攝影有限公司的B200型飛機。該飛機有兩個攝影窗口，電力供應符合條件:經過特設調節，可輸出220 V的直流電給GPS分頻設備盒供電，雙系統共用一個雙頻DGPS天線接收器，兩個50 A交流電接線柱。試驗中考慮到了ADS相機視場角度為64°，ALS最大能到75°，憑借多年的作業經驗，在保證精度的同時飛到理想的最佳高度，以提高飛行效率。ADS和ALS系統掃描角度兼顧為45°～50°較好，以保證最佳重疊度。

ADS和ALS系統飛行設計參數見表1。

表1 ADS和ALS系統飛行設計參數

三、試驗數據處理結果

1.DGPS/IMU地面基站數據處理精度

DGPS/IMU數據與地面基站數據融合解算精度都優于±5 cm，可以直接用于數據后處理使用。如圖2所示。

圖2

2.ADS數據無約束空三檢查結果與檢校比較

ADS數據無約束空三檢查結果與檢校比較結果如圖3所示。從圖中可以看出，飛行檢校值比較接近，可直接使用該系統檢校數據，參考如下

V03#V03 IMU_MISALIGNMENT

0.000 131 664 8 0.000 005 000 0 0.000 191 029 6 0.000 003 364 2 0.001 527 599 5 0.000 010 181 4

圖3

3.ALS點數據快速生成DEM處理

由ALS點數據快速生成DEM的效果圖如圖4所示。

圖4

四、結束語

本文針對ADS80和ALS60進行的同機飛行試驗及試驗結束后進行的ALS60數據融合作了深入的理論分析。通過理論分析和試驗結果表明，采用本文提出的ADS80和ALS60同機觀測試驗是成功的，融合后的數據可以應用在點云的分類和濾波，以及構建三維地形、建筑物，結合圖形處理技術，還能夠快速構建、生成DEM。地理數據的更新速度和質量對城市的發展起著基礎性質的作用，而本文提出的同機聯測，對快速有效地構建城市模型和實時數據采集具有一定的推動作用。