无人机载激光LiDAR在植被覆盖区大比例尺地形测绘中的应用分析
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
=21 再结合 GPS提供的激光器的位置、惯性导航 INS 提供的姿态参数、激光的扫描角度以及激光器的高 度，便可以精确的计算出地面上每个激光点的坐标。
机载激光雷达测量系统主要由 3D激光扫描仪 (Scanner)、全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(INS)、高 分辨率的数码相机及扫描控制装置等组成[3]。通过获 得的地表点云数据和数码影像可以制作 DEM、DOM、 DSM、DLG产品[4]以及地表的真三维影像。
3D激光扫描仪(Scanner)作为机载激光雷达测量 系统的核心构成，主要用于测量激光发射器到目标之 间的距离，采用主动模式获取地面的三维点云数据并 且无需合作标志。目前机载激光雷达大多采用的是大 功率、高频率的脉冲激光，其测距的精度达到厘米级， 甚至毫米级。
全球定位系统(GPS)主要用于获取激光雷达测量 系统任意时刻在测量坐标系中精确的空间位置（X、 Y、Z）。目前采用的主要定位模式是 GPS动态差分模 式，即 GPS-RTK，该模式定位速度快、定位精度高，在 CORS系统的支持下还可以摆脱单机站在距离上的 限制，大大提高了作业效率。
激光雷达测量系统作为一种新兴的测绘手段，具 有传统摄影测量无法比拟的优势。该系统能够全天候 作业，不需要大量的地面控制点，不受阴影和植被覆 盖的影响，单位面积上能获得大量的空间三维地表信 息[1]，还可以同步获取地面的数字影像和摄影中心的 三维坐标，非常适合植被茂密地区、沙漠、戈壁、污染 地区及人类无法到达的地区。
. All⑧R该ig系h统ts不仅Re能s测er量ve地d形点。 但是，激光在特定天气条件下会受到一定的影
响。在大雨、大雾、浓烟等环境条件下激光的衰减较 快，传播距离受限[6]。
根据工程的需要，对某水生态园进行 1∶500地 形测绘。该测区地形复杂，有池塘、沟渠、道路、房屋、 水田、旱地及山地，植被茂密。采用传统测量方式费时 费力，效率低；因植被覆盖率高，使得无人航空摄影测 量无计可施。为了满足工程要求，拟采用中测瑞格的 HawkScan600无人机机载激光雷达测绘系统，该系统 为无人机机载高精度低空测绘系统，采用的是 RIGEL VUX-1UAV激 光 扫 描 仪 ， 激 光 的 最 大 发 射 频 率 为 550kHZ。在地表反射率不低于 60%的情况下，测距可 达 920m以上，测距的精度达到 15mm；最大视场角 330°，每平方米点的数量可达 30个。
惯性导航系统(INS)主要用来确定激光雷达测量 系统在空中的瞬时姿态。主要包括飞机的航向角、侧 滚角和仰俯角，这些参数主要用于计算激光点在目标 上的三维坐标。
安徽建筑
数码相机或者 CCD相机主要用来同步获取目标 物体高分辨率的地面真彩或红外数字影像。通过影像 的纠正、镶嵌生产彩色的正射影像，同时还可以作为 三维景观制作的纹理数据，或辅助目标进行分类识 别，为数据的后续处理提供参考等。
机载激光雷达测绘系统(airbornelasermapping,简 称 ALM)是 20世纪 70年代发展起来的一种新兴的 测绘技术，是继摄影测量之后遥感领域一场新的技术
. A革l命l 。R几i十gh年t来s 该R方es法e作rv为e快d.速、高密度、高精度地获
取地表三维空间信息的测量手段[1]，已经广泛应用在 基础测绘、水利工程、林业、铁路、电力、城市三维建模 等领域。本文着重从技术应用的角度论述该系统的原 理、组成、特点，并从实际应用的角度对该方法在大比 例尺测绘中的可行性进行分析。
6789:; ><3?@ <=>?@ABCDEFGHI *JKL,M
（安徽省水利水电勘测设计院勘测分院 ，安徽 蚌埠 233000）
NHOPQHRST 安徽建筑
% &文章介绍了机载激光雷达测量系统的原理、构成、特点 等，并且通过实例进一步的介绍了 HawkScan600激光扫描测 量系统的外业数据采集和点云数据的后处理流程；通过对点云 数据分析，证明机载激光扫描测量系统在植被覆盖的地方，所 获取的点的数量和高程精度都能满足大比例尺地形测绘的要 求，是山区地形测绘中的有效手段。 ' ( ) 激光雷达；点云数据；无人机；地形测绘；GPS *+,-.!"#$%&'( /0123) / 4 5 . (**+,+-.$ /*(0 *-,*(11,*2 345(*'(1--*6789:;<8(**+=+-.08/*(08*-8*+*
激光是物质在受到激发的状态下产生的一种辐 射波，具有很好的直线性、单色性、定向性、相干性和 不 易 散 射 等 特 点 ， 激 光 雷 达 (LightDetectionAnd
#AA
! " # $ 郝长春（1982-），男，河南开封人，2011年毕业于合肥工业大 学大地测量与测量工程专业，研究生，硕士，工程师。专业方向：精密工 程测量。
Ranging,简称 LiDAR)就是基于激光的这些特性而研 制的一种测量手段。激光雷达是由发射端、接收端、数 据信号处理端以及配套的软件组成，按照工作方式的 不同分为脉冲式和连续波式[2]，其中脉冲式是机载激 光雷达测量系统中常用的方式。在测量的过程中，首 先由发射端向目标发射激光束，然后由接收端接收目 标反射的激光束，数据信号处理端记录激光束由被发 射到被接收的总时间 。假设激光雷达发射端到被测 目标的距离为 ，激光在空气中的传播速度为一定值 ，则激光雷达发射端到目标的距离可用下式表示：
扫描控制装置主要是通过改变激光传播的路径 实现激光雷达由单点测量转换为线型测量或面域测 量，以实现将激光雷达测量技术真正地应用到实际作 业中。目前在实际应用中主要有 4种装置，分别是旋 转多棱镜式、钟摆式、光纤扫描式和章动式，其中多棱 镜式和钟摆式是机载激光雷达测量系统在低空测绘 中应用较多的。
①该系统是一种主动式直接测量系统； ②穿透能力强，能穿透植被的叶冠，到达地面； ③在作业过程中基本不需要地面控制点，基本不 需要现场采集像控点； ④该系统能保证 24h全天候作业； ⑤地面坐标的绝对精度高，优于 0.3m； ⑥测量的点阵数据密集，每平方米达 30个点； ⑦能够快速的采集地面点的坐标和高程数据；
机载激光雷达测量系统主要由 3D激光扫描仪 (Scanner)、全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(INS)、高 分辨率的数码相机及扫描控制装置等组成[3]。通过获 得的地表点云数据和数码影像可以制作 DEM、DOM、 DSM、DLG产品[4]以及地表的真三维影像。
3D激光扫描仪(Scanner)作为机载激光雷达测量 系统的核心构成，主要用于测量激光发射器到目标之 间的距离，采用主动模式获取地面的三维点云数据并 且无需合作标志。目前机载激光雷达大多采用的是大 功率、高频率的脉冲激光，其测距的精度达到厘米级， 甚至毫米级。
全球定位系统(GPS)主要用于获取激光雷达测量 系统任意时刻在测量坐标系中精确的空间位置（X、 Y、Z）。目前采用的主要定位模式是 GPS动态差分模 式，即 GPS-RTK，该模式定位速度快、定位精度高，在 CORS系统的支持下还可以摆脱单机站在距离上的 限制，大大提高了作业效率。
激光雷达测量系统作为一种新兴的测绘手段，具 有传统摄影测量无法比拟的优势。该系统能够全天候 作业，不需要大量的地面控制点，不受阴影和植被覆 盖的影响，单位面积上能获得大量的空间三维地表信 息[1]，还可以同步获取地面的数字影像和摄影中心的 三维坐标，非常适合植被茂密地区、沙漠、戈壁、污染 地区及人类无法到达的地区。
. All⑧R该ig系h统ts不仅Re能s测er量ve地d形点。 但是，激光在特定天气条件下会受到一定的影
响。在大雨、大雾、浓烟等环境条件下激光的衰减较 快，传播距离受限[6]。
根据工程的需要，对某水生态园进行 1∶500地 形测绘。该测区地形复杂，有池塘、沟渠、道路、房屋、 水田、旱地及山地，植被茂密。采用传统测量方式费时 费力，效率低；因植被覆盖率高，使得无人航空摄影测 量无计可施。为了满足工程要求，拟采用中测瑞格的 HawkScan600无人机机载激光雷达测绘系统，该系统 为无人机机载高精度低空测绘系统，采用的是 RIGEL VUX-1UAV激 光 扫 描 仪 ， 激 光 的 最 大 发 射 频 率 为 550kHZ。在地表反射率不低于 60%的情况下，测距可 达 920m以上，测距的精度达到 15mm；最大视场角 330°，每平方米点的数量可达 30个。
惯性导航系统(INS)主要用来确定激光雷达测量 系统在空中的瞬时姿态。主要包括飞机的航向角、侧 滚角和仰俯角，这些参数主要用于计算激光点在目标 上的三维坐标。
安徽建筑
数码相机或者 CCD相机主要用来同步获取目标 物体高分辨率的地面真彩或红外数字影像。通过影像 的纠正、镶嵌生产彩色的正射影像，同时还可以作为 三维景观制作的纹理数据，或辅助目标进行分类识 别，为数据的后续处理提供参考等。
机载激光雷达测绘系统(airbornelasermapping,简 称 ALM)是 20世纪 70年代发展起来的一种新兴的 测绘技术，是继摄影测量之后遥感领域一场新的技术
. A革l命l 。R几i十gh年t来s 该R方es法e作rv为e快d.速、高密度、高精度地获
取地表三维空间信息的测量手段[1]，已经广泛应用在 基础测绘、水利工程、林业、铁路、电力、城市三维建模 等领域。本文着重从技术应用的角度论述该系统的原 理、组成、特点，并从实际应用的角度对该方法在大比 例尺测绘中的可行性进行分析。
6789:; ><3?@ <=>?@ABCDEFGHI *JKL,M
（安徽省水利水电勘测设计院勘测分院 ，安徽 蚌埠 233000）
NHOPQHRST 安徽建筑
% &文章介绍了机载激光雷达测量系统的原理、构成、特点 等，并且通过实例进一步的介绍了 HawkScan600激光扫描测 量系统的外业数据采集和点云数据的后处理流程；通过对点云 数据分析，证明机载激光扫描测量系统在植被覆盖的地方，所 获取的点的数量和高程精度都能满足大比例尺地形测绘的要 求，是山区地形测绘中的有效手段。 ' ( ) 激光雷达；点云数据；无人机；地形测绘；GPS *+,-.!"#$%&'( /0123) / 4 5 . (**+,+-.$ /*(0 *-,*(11,*2 345(*'(1--*6789:;<8(**+=+-.08/*(08*-8*+*
激光是物质在受到激发的状态下产生的一种辐 射波，具有很好的直线性、单色性、定向性、相干性和 不 易 散 射 等 特 点 ， 激 光 雷 达 (LightDetectionAnd
#AA
! " # $ 郝长春（1982-），男，河南开封人，2011年毕业于合肥工业大 学大地测量与测量工程专业，研究生，硕士，工程师。专业方向：精密工 程测量。
Ranging,简称 LiDAR)就是基于激光的这些特性而研 制的一种测量手段。激光雷达是由发射端、接收端、数 据信号处理端以及配套的软件组成，按照工作方式的 不同分为脉冲式和连续波式[2]，其中脉冲式是机载激 光雷达测量系统中常用的方式。在测量的过程中，首 先由发射端向目标发射激光束，然后由接收端接收目 标反射的激光束，数据信号处理端记录激光束由被发 射到被接收的总时间 。假设激光雷达发射端到被测 目标的距离为 ，激光在空气中的传播速度为一定值 ，则激光雷达发射端到目标的距离可用下式表示：
扫描控制装置主要是通过改变激光传播的路径 实现激光雷达由单点测量转换为线型测量或面域测 量，以实现将激光雷达测量技术真正地应用到实际作 业中。目前在实际应用中主要有 4种装置，分别是旋 转多棱镜式、钟摆式、光纤扫描式和章动式，其中多棱 镜式和钟摆式是机载激光雷达测量系统在低空测绘 中应用较多的。
①该系统是一种主动式直接测量系统； ②穿透能力强，能穿透植被的叶冠，到达地面； ③在作业过程中基本不需要地面控制点，基本不 需要现场采集像控点； ④该系统能保证 24h全天候作业； ⑤地面坐标的绝对精度高，优于 0.3m； ⑥测量的点阵数据密集，每平方米达 30个点； ⑦能够快速的采集地面点的坐标和高程数据；