機載LiDAR技術在城市3D數(shù)字產品中的應用

發(fā)布日期：2018-06-21 00:00 瀏覽量：11987

　　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(tǒng)(GPS)和慣性導航系統(tǒng)(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(tǒng)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(yōu)點。機載激光雷達系統(tǒng)與數(shù)字航攝儀、機載GPS及慣性導航系統(tǒng)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(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)及數(shù)字表面模型（DSM）的大規(guī)模生產。LiDAR數(shù)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(wěn)定，并且性能越來越優(yōu)化；針對LiDAR數(shù)據的處理軟件已基本成熟；并已投入商業(yè)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(guī)劃、森林調查、災害災情監(jiān)測、三維數(shù)字城市建設等行業(yè)領域。

　　1.LiDAR系統(tǒng)構成、定位原理及應用

　　1.1 LiDAR系統(tǒng)構成

　　LiDAR系統(tǒng)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(tǒng)，用于確定飛機的空中姿態(tài)；

　　⑶激光掃描測距系統(tǒng)：測量空中點至地面的距離

　　⑷成像裝置（CCD數(shù)碼相機）：獲取所經地面的影像，用于制作地面正射數(shù)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(tǒng)而言，起點Os為遙感器光學系統(tǒng)的投影中心，其坐標可利用動態(tài)差分GPS求出，向量S的模S是由激光測距系統(tǒng)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(tài)參數(shù)（φ，ω，κ）可以利用高精度的姿態(tài)測量裝置進測量獲取。其中一些系統(tǒng)參數(shù)，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(shù)，需要通過一定的檢校方法確定。

　　2．LiDAR系統(tǒng)的數(shù)據處理

　　利用系統(tǒng)自帶的隨機軟件，可以對飛機GPS軌跡、飛行姿態(tài)、測光測距等相關數(shù)據進行處理，得到各測點的三維無屬性的空間坐標數(shù)據，即所謂的“點云數(shù)據”。LiDAR系統(tǒng)的數(shù)據處理即是對上述的“點云數(shù)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(shù)字產品。

　　TerraSolid是用于對點云數(shù)據進行分析處理的專用軟件。該軟件具有可顯示3維點數(shù)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(shù)字化特征地物，并能與攝影測量影象數(shù)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(shù)字化產品制作中，TerraSolid主要用于構建地面高程數(shù)據（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM），并結合影象數(shù)據生成數(shù)字正射圖（DOM）

　　3．3D數(shù)據數(shù)字產品制作

　　現(xiàn)以某濱海城市為例介紹3D數(shù)據數(shù)字產品制作過程。利用機載Lidar設備飛行采集的原始點云、數(shù)碼航片、航跡信息等數(shù)據通過影像調色、數(shù)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(shù)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(shù)字正射影像。

　　3.1.3參考粗數(shù)字正射影像，對分類后的激光點三維數(shù)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(shù)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(shù)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(qū)域空三加密時，平原地區(qū)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(qū)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(yōu)化調整。

　　3.2.4 對正射糾正的影像進行拼接線修改和優(yōu)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(shù)字正射影像進行架空橋梁等地物出現(xiàn)的拉花、錯位、變形等情況的修正，并提交最后數(shù)字正射影像成果。

　　4. 結語

　　機載雷達（LiDAR）系統(tǒng)以其方便、快捷和高效的3維數(shù)據獲取技術，具有十分廣泛的應用前景。該系統(tǒng)在城市3D數(shù)字產品的制作中，可快速獲取符合相關規(guī)范標準的DEM、DSM、DOM產品。與傳統(tǒng)的生產流程相比，采用該技術具有處理區(qū)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(tǒng)的進一步的發(fā)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(fā)揮重要的作用。

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