單光子激光雷達(dá)航攝技術(shù)在地質(zhì)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查的應(yīng)用

張?zhí)烨?/p>

（廣州建通測繪地理信息技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

地質(zhì)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查是以國有地質(zhì)局(場)、自然保護(hù)區(qū)、森林公園等森林經(jīng)營單位或縣級(jí)行政區(qū)域?yàn)檎{(diào)查單位，以滿足森林經(jīng)營方案、總體設(shè)計(jì)、林業(yè)區(qū)劃與規(guī)劃設(shè)計(jì)需要而進(jìn)行的地質(zhì)資源調(diào)查。其主要任務(wù)是查清森林、林地和林木資源的種類、數(shù)量、質(zhì)量與分布，客觀反映調(diào)查區(qū)域自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件，綜合分析與評(píng)價(jià)地質(zhì)資源與經(jīng)營管理現(xiàn)狀，提出對(duì)地質(zhì)資源培育、保護(hù)與利用意見。調(diào)查成果是建立或更新地質(zhì)資源檔案，制定森林采伐限額，進(jìn)行林業(yè)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和地質(zhì)資源管理的基礎(chǔ)，也是制定區(qū)域國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和林業(yè)發(fā)展規(guī)劃，實(shí)行森林生態(tài)效益補(bǔ)償和地質(zhì)資源資產(chǎn)化管理，指導(dǎo)和規(guī)范森林科學(xué)經(jīng)營的重要依據(jù)[1]。

機(jī)載LiDAR測量系統(tǒng)是一種主動(dòng)航空遙感裝置，是實(shí)現(xiàn)地面三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實(shí)現(xiàn)地物三維實(shí)時(shí)、變化、真實(shí)形態(tài)特性再現(xiàn)的一種國際領(lǐng)先的測繪高新技術(shù)。

單光子激光雷達(dá)航攝技術(shù)和線性激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于接收器，它搭載了非常靈敏的接收器，甚至可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行探測，單光子探測體制的信號(hào)光子利用率高，探測器噪聲相對(duì)較小，因而基于單光子探測體制的激光雷達(dá)所需激光器的單脈沖能量與基于回波波形采樣體制相比要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。更低的單脈沖能量意味著激光脈寬可以壓縮到更窄，激光器重頻可以達(dá)到更高；同時(shí)也更容易實(shí)現(xiàn)多波束并行發(fā)射，縮短地形地貌測繪的時(shí)間；還可以獲得有關(guān)表面坡度和粗糙度的信息，實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的空間高程測繪，這項(xiàng)技術(shù)最早被應(yīng)用于航天衛(wèi)星對(duì)地距離觀測上，它允許使用更小功率的激光發(fā)射器以及對(duì)更弱的激光脈沖進(jìn)行測量。因此，將單個(gè)激光器的脈沖分為10x10個(gè)光束進(jìn)行發(fā)射和接收，激光雷達(dá)的測距方式由“點(diǎn)”轉(zhuǎn)換為“面”，可以獲取更密的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)地面的描述更為詳細(xì)。實(shí)現(xiàn)了不管在白天日光散射干擾嚴(yán)重的情況下，或是密集植被區(qū)域多次反射條件下，都能獲取到正確的地物/地面信息及強(qiáng)度信息，將單光子激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍大大拓展。

1 單光子激光雷達(dá)航攝技術(shù)原理

目前我們最常接觸到的機(jī)載激光雷達(dá)，例如徠卡ALS系列機(jī)載激光雷達(dá)，使用的都是線性接收器，即每束激光脈沖發(fā)射后，經(jīng)過地物的一次或多次反射，且反射能量超過接收器閾值時(shí)，就會(huì)被當(dāng)做一次“有效回波”記錄下來，而且回波強(qiáng)度信息和回波能量呈線性相關(guān)。

圖1 線性激光雷達(dá)測量方式示意圖

線性激光雷達(dá)所獲取的數(shù)據(jù)具備很高的空間和輻射精度。然而，這項(xiàng)技術(shù)在提高最大有效脈沖頻率時(shí)會(huì)遇到瓶頸，受制于激光回波必須要具備“較高能量”才能被接收器所探測到，所以目前最頂級(jí)的線性激光雷達(dá)，如徠卡TerrainMapper，每秒鐘有效脈沖頻率約2.0MHz，大多數(shù)線性激光雷達(dá)都無法達(dá)到這一指標(biāo)。通常線性激光雷達(dá)的有效脈沖頻率等于“激光器有效脈沖頻率x激光器個(gè)數(shù)”。

徠卡SPL100單光子激光雷達(dá)，和線性激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于接收器，它搭載了非常靈敏的接收器，甚至可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行探測，這項(xiàng)技術(shù)最早被應(yīng)用于航天衛(wèi)星對(duì)地距離觀測上，它允許使用更小功率的激光發(fā)射器以及對(duì)更弱的激光脈沖進(jìn)行測量。因此，SPL100將單個(gè)激光器的脈沖分為10x10個(gè)光束進(jìn)行發(fā)射和接收，激光雷達(dá)的測距方式由“點(diǎn)”轉(zhuǎn)換為“面”，從而將有效脈沖頻率的計(jì)算方式更新為“激光器有效脈沖頻率x光束數(shù)量”，即60kHz x 100=6.0MHz。

圖2 單光子激光雷達(dá)測量方式示意圖

利用航拍影像(包括原始斜片影像和處理后的正射影像)中包含的建筑的圖像信息，為城市建筑模型創(chuàng)建紋理貼圖。

2 單光子激光雷達(dá)航攝技術(shù)及產(chǎn)品

為了驗(yàn)證該技術(shù)，我們在廣西地質(zhì)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查采用了最新的單光子激光雷達(dá)航攝技術(shù)。

2.1 采用的單光子設(shè)備

Leica SPL100是徠卡測量系統(tǒng)推出的首臺(tái)使用了Sigma Space科技的傳感器，徠卡SPL100通過100個(gè)光束可以前所未有的實(shí)現(xiàn)每秒鐘采集600萬個(gè)激光點(diǎn)，HxMap能夠在單操作界面下提供完整的后處理相關(guān)功能，并且生成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的影像和激光點(diǎn)云產(chǎn)品。徠卡SPL100的高效數(shù)據(jù)獲取效率和HxMap的強(qiáng)大后處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍或更加常態(tài)化的激光數(shù)據(jù)獲取，可以支持密集植被測繪或變化檢測等行業(yè)應(yīng)用。

Leica SPL100系統(tǒng)參數(shù)：

表1 Leica SPL100系統(tǒng)性能參數(shù)表

2.2 航飛設(shè)計(jì)

基于單光子技術(shù)的發(fā)射頻率比傳統(tǒng)激光高6倍以上，本次航攝的設(shè)計(jì)航高也比傳統(tǒng)激光要高，飛機(jī)地速大大提高，航攝效率得以提高。

2.3 航攝數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理的內(nèi)容：

（1）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓，獲取GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、原始激光測距數(shù)據(jù)等。

（2）將同一架次的POS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、地面基站觀測數(shù)據(jù)、飛行記錄數(shù)據(jù)、基站控制點(diǎn)數(shù)據(jù)和激光測距數(shù)據(jù)等進(jìn)行整理，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)校正、噪聲點(diǎn)剔除、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，生成滿足要求的點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程圖

2.4 點(diǎn)云分類

本次點(diǎn)云分類是基于地質(zhì)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查而定的。點(diǎn)云分類是由原始激光數(shù)據(jù)經(jīng)過解算，并對(duì)平面和高程進(jìn)行校正后，進(jìn)行精細(xì)分類，分別提取噪點(diǎn)、地面點(diǎn)、植被點(diǎn)和其他非植被點(diǎn)。

表2 點(diǎn)云分類層定義

2.5 數(shù)據(jù)成果

2.5.1 三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅僅包含X、Y、Z坐標(biāo)信息，還包括如反射強(qiáng)度等其它多種信息。根據(jù)具體需求，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度可達(dá)到100點(diǎn)/平方米以上，高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)能精確反映地形地貌細(xì)節(jié)。

2.5.2 數(shù)字高程模型（DEM）

基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠快速高質(zhì)地生成高精度DEM成果，DEM高程可達(dá)到優(yōu)于10cm精度。

2.5.3 數(shù)字表面模型（DSM）

DSM是用含有首次回波信息的激光數(shù)據(jù)擬合生成的地表模型，DSM模型對(duì)地表的房屋和樹木有很好的表現(xiàn)，DSM反映了區(qū)域表面的高低起伏，DSM=DTM+非地形要素，由于LiDAR原始數(shù)據(jù)為三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此生成DSM，需要進(jìn)行插值算法。

3 單光子激光雷達(dá)航攝數(shù)據(jù)處理技術(shù)在地質(zhì)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 林區(qū)建設(shè)規(guī)劃管理

林場建設(shè)管理中涉及到土 方量、橫斷面、通視分析、 光照分析等方面的需求， 通過機(jī)載激光雷達(dá)獲取的 高精度數(shù)字高程模型、數(shù)字地表模型可以用于橫斷面的直接量測獲取，還可 以用于林區(qū)瞭望塔通視分 析，土方量計(jì)算，光照分 析、分析地形的流域面積 以及匯水線，為防災(zāi)救災(zāi) 提供水流的匯集路線，針對(duì)性的進(jìn)行治理等。

3.2 生成植被冠層數(shù)據(jù)CMH,獲取森林參數(shù)

通過點(diǎn)云分類分出林下地形數(shù)據(jù)與林上數(shù)據(jù)利用分類后的林上點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建DSM，林下地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建DEM,CHM=DSM-DEM.從而獲得林木高度，面積、林塊冠層體積等森林參數(shù)信息,來提高基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)效率和減少外業(yè)工作量。機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)能同時(shí)獲取樹冠底部的地形信息以及樹高信息，可分析植被并加以分類，計(jì)算樹高、株數(shù)等信息。

3.3 Liar數(shù)據(jù)估測林分生物量和蓄積量

用Lidar數(shù)據(jù)估測林分生物量和蓄積量采用統(tǒng)計(jì)分析的方法建立回歸模型進(jìn)行估測模型參數(shù)有樹高胸徑和株數(shù)等。因此，對(duì)生物量和蕾積量參數(shù)的提取首先需要用 Lidar數(shù)據(jù)準(zhǔn)確估測樹高和胸徑等參數(shù)。根據(jù)樹木生長的相關(guān)規(guī)律樹木的高度和胸徑、蓄積量等存在著定的相關(guān)關(guān)系這種生物約束機(jī)制為利用激光雷達(dá)反演的高度信息進(jìn)行森林生物量建模，結(jié)合當(dāng)?shù)毓獾南嚓P(guān)生長方程而采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法，可以獲得林分生物量和蓄積量。

3.4 森林防火演習(xí)和救災(zāi)

機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)獲取準(zhǔn)確的樹高、樹木密度等信息，進(jìn)而建立起林區(qū)的三維場景，可以直觀清晰的標(biāo)出火災(zāi)位置、水源位置、火災(zāi)大小、蔓延方向、未來幾個(gè)小時(shí)內(nèi)需要撤退的村莊，調(diào)集消防人員和防火器材。因此機(jī)載激光測量成果其在森林防火中必將具有很好的應(yīng)用前景[2]。

4 結(jié)語

單光子激光雷達(dá)技術(shù)的的優(yōu)點(diǎn)是高密度、高精度的森林三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，直接獲取高精度的林木和林下地形數(shù)據(jù)，改變以往先人力實(shí)地查勘和估算的作業(yè)手段。點(diǎn)云可以直接獲取冠層高度、林下地形面積和表面積、截面的垂直分布，分割點(diǎn)云可以推算冠幅、冠層體積、大樹的株數(shù)密度、通過生長方程估算胸高斷面積、平均胸徑、蓄積量、通過更新動(dòng)態(tài)掃描可以獲取地上生物量，林木生長量、砍伐、森林碳匯等重要的數(shù)據(jù)，有著廣泛的應(yīng)用前景，當(dāng)前還存在一些針葉林和闊葉林的參數(shù)差異較大，分析軟件不完善等問題，希望通過進(jìn)一步的研究，技術(shù)的不斷進(jìn)步，前景也越來越好。