機載LiDAR系統在道路勘測中的數據獲取及應用

駱云飛，王書民

(首都師范大學三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京100048)

一、引 言

機載LiDAR自西方興起到現在已有20年的歷史，隨著計算機技術、信息技術以及通信技術的快速發展，機載LiDAR系統也有了長足的發展并且日趨成熟。特別是與慣性測量單元和差分GPS定位技術結合后，顯示出傳統航空攝影測量和地面測量無法取代的優勢，它可以實現空間三維信息快速、全面、準確的獲取，并可以和其他航拍系統集成，從而實現多源數據交互融合，激光點的穿透特性更是讓其他測量手段捉襟見肘。在歐美國家，機載LiDAR早已成為高效率獲取空間數據的研究熱點，并且廣泛應用在交通、水利、林業、國土、各類線路、數字城市建設領域中。

在國內，也已經有越來越多的科研單位著手進行研究，同時越來越多的作業單位也開始將這項技術用到實際當中，很多領域機載LiDAR系統都獲得了成功，其高效率和低成本的特點也極適合在道路勘測中的應用。

二、機載LiDAR系統及原理概述

機載LiDAR系統從功能上講由激光系統、全球定位系統和慣性測量單元3部分組成，后面兩部分負責準確地確定LiDAR系統的飛行位置姿態，以此來準確定位地面的三維坐標。并且可以搭載高分辨率數碼相機，同時獲取地面的高清晰數碼影像，以得到地面的紋理和光譜信息。

激光系統包括一個發射單束窄帶的激光器和一個用于接收激光發射的接收系統。當發射的離散激光脈沖遭遇阻攔物體并且反射后，最終會打到接收器上面，同時接收器會準確得到以光速傳播的激光束的傳播時間，由此可以計算出激光器和地面目標的距離，然后根據GPS和IMU得到的激光器坐標來確定地面的坐標。激光系統是本系統的核心，以RIEGL公司的LMS-Q560為例，最高可以達到240 KHz的發射頻率，在800 m的飛行高度施行180 KHz的頻率，點間距可控制在10 cm，激光器的性能決定了最終數據成果的分辨率，同時也對數據質量產生明顯的影響。

在機載LiDAR應用中，往往采用動態差分GPS定位技術，它需要布設若干地面GPS基站來與機載GPS進行差分，由于它得到的定位數據是整個機載系統定位的初始數據，因此它的定位精度直接影響到激光數據最終的精度。在GPS數據的處理過程中，消除或減小對流層和電離層誤差，兩類鐘誤差以及星歷誤差后，能夠達到厘米級精度。慣性測量單元(IMU)主要負責記錄飛行載體各個時刻的飛行姿態，包括翻滾、俯仰和航向3種角度，通過系統糾正之后可得到LiDAR系統的外方位角，聯合GPS數據求得地面目標的坐標。但是因為IMU中的陀螺儀存在漂移并且累計，故常常在數據采集過程中通過刻意改變航向或者數據處理過程采用順逆雙向處理來消除或減小此類誤差。圖1為LiDAR系統數據預處理原理圖。

圖1 機載LiDAR數據預處理原理圖

三、機載LiDAR數據獲取

1．航線規劃

航線規劃是在數據獲取前非常重要的工作，它的目的在于確定LiDAR系統載體的飛行線路，為數據采集過程實現導航，保證全面、正確地獲取符合要求的激光數據。在具體的規劃中還需要知道選用的橢球標準和投影方式，這對于大片或者帶狀區域意義重大。

飛行高度、激光發射頻率和掃描角共同決定了激光點云的密度，決定成果的分辨率，不同的飛行高度對激光發射頻率上限有不同的要求，所以在飛行進行之前需要綜合考慮。同時為了得到均勻分布點云，對飛行器的飛行速度也會有相應的要求，飛行器一般有最低速度限制，需要激光器設置調整。對于集成了各類相機的系統，還需控制航帶和曝光點來滿足重疊率的要求。圖2為設計好的航線。

2．地面GPS基站布設

對于帶狀的測區，需要沿道路方向每隔一段距離布設一個GPS基站，根據GPS差分原理以及項目實際基線長度應該控制在適合的范圍，一般在20 km以內，這樣才能達到GPS差分效果的最優化。在機載LiDAR系統采集數據之前，設定好一致采樣頻率并且開機工作，保證系統GPS工作時間有地面基站與其差分。

圖2 在公路勘測中的航線

3．確保獲取數據的質量

為了得到全面、精確、符合要求的點云數據，應該在數據采集前做好充分的準備，采集過程中密切關注數據采集和存儲情況。對于儀器懸掛在飛行器外面的情況，要做好防風防雨措施，導航和存儲單元應保證其散熱良好，飛行器飛行中會連帶激光器產生高頻震動，系統的搭載器件在牢固的前提下應做好減震防護。圖3為兩種質量的道路激光點數據對比。

圖3 兩種質量點云對比

POS系統取得數據的精度直接影響了激光點的成圖質量，在數據采集過程中應盡量減少和降低GPS和IMU誤差。航空測量前，得到GPS的偏心分量并做好IMU的視準軸矯正，在飛行之前給予系統足夠的時間進行初始化。POS系統基于WGS-84坐標系，得到的目標點也是在WGS-84下的坐標。以AEROcontrol為例(IGI的 GPS/IMU系統)，圖4為某試驗區GPS差分的標準差(SD)結果。可以看出系統收斂速度非常快(3 s以內)，收斂后3個方向的標準差：SDNorth 約 2．7 cm;SDEast約 2．5 cm;SDHeight約7 cm。

四、機載LiDAR系統的應用

1．LiDAR在道路勘測中的應用

(1)制作DTM和DSM

數字地面模型(DTM)是利用一個坐標系中的大量已知坐標，得到的連續的帶有地理特征地面模型，還包括坡度坡向特性。具體實現主要以TIN三角網或者規則格網為基礎來建立數字地面模型，數字地表模型(DSM)是對地球表面各類地物和綜合描述。二者的區別在于前者是去除掉植被，建筑物等物體后，反映地球表面最根本的構造模型，而DSM則包括植被和各種建筑。

圖4 GPS差分數據標準差

DTM對于道路勘測的作用十分重要，通過它能夠迅速得到關鍵區域的橫斷面;激光具有穿透特性，根據激光波的強度和回波信息可以實現地面和植被的分離，LiDAR建立的地面模型相比航拍具有更好的精度水平，尤其是高程方面，并且與GPSRTK方法相比，能節省大量的資源和時間，根據其精確的高程數據，有利于勘測過程中土方量的計算。根據DTM還能生成等高線圖和各類地形圖，可以滿足勘測設計需要。圖5為根據DTM繪制等高線。

圖5 DTM繪制等高線

近些年環境問題嚴重，植被和水域都遭受了不同程度的破壞，同時氣候災害層出不窮，影響交通系統正常運行。運用LiDAR數據生成的DSM能夠及時的獲取道路附近的植被和水域情況，從而幫助道路的設計決策。

(2)與其他數據相互融合

機載LiDAR系統所采集的數據缺少相應的紋理和光譜信息，為了使獲取的信息更加全面，可以利用高分辨率數碼相機甚至高光譜相機同步獲取地面的真彩影像信息。LiDAR系統自帶了高精度POS系統(GPS和IMU)，得到的POS數據可以與相機共享，采用POS系統輔助光束法來生成正射影像。激光數據具有明顯的三維特征，這兩種數據融合能夠將各自的優勢集合起來，生成的三維模型也更加逼真。可以將正射影像和處理好的點云數據通過同一標準的地理坐標實現激光點和相元的一一對應，把相元的色彩和光譜信息賦到激光點上。還可以在LiDAR數據輔助下采用多種算法對高分影像進行輪廓提取，然后通過激光點云的高程信息完成目標區域的三維重建，這種以各類影像為基礎，通過實現建筑物三維重建的融合手段已經在電子地圖方面得到了應用。圖6為在google地球上截取的橋梁三維模型。

圖6 舊金山金門大橋

2．LiDAR在其他方面的應用

LiDAR在林學領域應用最早，可以測定樹高，樹冠面積以及植被密度，并且可以根據激光回波強度信息實現物種分類，對于森林普查具有重要意義。Li-DAR豐富的數據信息還可用于數字城市建模，真三維模型已經逐漸應用于城市規劃，市政建設以及房產開發等多個領域。另外，在電力、各類線路、淺海海域信息獲取、災害檢測多個領域均有應用。

五、結束語

機載LiDAR近些年的蓬勃發展已經吸引了越來越多的人來對其進行研究和應用。LiDAR技術在道路勘測中的取得了成功應用，其高效率、高精度的數據獲取方式，以及豐富的激光波信息和易于傳統航拍集成的作業模式均有著原始測繪手段無法比擬的優勢。我國道路建設尤其是近幾年的鐵路建設任務非常迫切，應該繼續推廣LiDAR技術在交通勘測當中的應用，同時，需要盡快完善機載LiDAR的各項標準，實現行業的規范化。

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