基于三维激光雷达技术的大比例尺地形图项目解决方案

基于三维激光雷达技术的大比例尺地形图解决方案

一激光雷达技术

1.1 综述

激光雷达测量技术（LiDAR）是当今测绘业界先进的遥感测量手段，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。自20世纪60年代末世界第一部激光雷达诞生以来，激光雷达技术作为一种重要的航空遥感技术，与成像光谱、成像雷达共同被誉为对地观测三大核心技术。迄今为止，激光雷达的研究与应用均取得了相当大的进展，已成为航空遥感领域主流之一，其应用已超出传统测量、遥感以及近景测量所覆盖的范围，成为一种独特的数据获取方式。LIDAR技术具有高精度、高分辨率、高自动化且高效率的优势，集激光扫描、全球定位系统和惯性导航系统技术于一身，同时配备高分辨率数码相机，可实现对目标的同步测量，生成高密度激光点云数据，已成为世界各国进行大面积地表数据采集的重要主流与趋势。与传统摄影测量技术相比，激光雷达技术生成三维信息更快、更准确，特别能穿透地表覆盖的森林植被快速获取地形信息的能力，具有其他技术无可比拟的优势。采用激光雷达技术获取地面及其覆盖物（植被、电力线等）的精确三维坐标,生成高精度地形信息,可作为土地利用、工程建设规划、城市管理、河海地形、水库大坝、山坡检测、防灾、矿业、农业、林业、公共管理等方面数字化、自动化等应用基础。

1.2 激光雷达技术基本原理

激光雷达是一种有效的主动遥感技术，通过发射激光脉冲及精准的量测回波所经过的时间计算传感器与目标物之间的距离，再结合飞行器姿态信息、位置信息进行相关解算和坐

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标转换可以得到高精度的三维数据。机载激光雷达系统主要由飞行平台、激光测距系统、全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）以及相关的控制存储单元组成。

激光测距系统是激光雷达的核心组成部分，通过发射、接收激光信号可以精确测量发射器和目标物的距离。激光测距一般采用方式：脉冲测距和连续波的相位差测距。连续波激光器市场上较为少见，因此现有的激光雷达系统多采用脉冲测距的方式。通过激光器发射一束窄脉冲，与目标物接触后产生反射，并通过接收器接收回波信号。由于脉冲的速度已知（光速），接收器可以精确测量脉冲发射到接收到反射信号的时间，从而获得目标物与激光器的距离，其测量精度常常可以达到毫米级。

随着激光雷达技术的发展，激光雷达的飞行平台可以根据需要和实际作业条件进行多种选择，目前常见的搭载平台有小型飞机、固定翼飞机、直升飞机、无人机、动力三角翼、无人飞艇等。

激光雷达系统工作原

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1.3 激光雷达优势

•直接获取目标三维信息：利用POS和激光信息直接获取具有真实地理坐标的目标三维信息

•自动化程度高：对目标区域进行全自动数据获取

•受天气影响小：主动遥感，通过主动发射激光脉冲进行数据采集

•精度高：测距精度最高可以达到毫米级别

•穿透能力强：可以穿透植被获取高精度地形信息

•快速进行数据获取：每秒最多可发射数千万个点，快速进行大面积数据获取

激光雷达技术可以穿透茂密的森林而获取厘米级的地面高程信息

直接获取目标三维信息

二激光雷达数据采集

2.1 技术路线

激光雷达数据测量作业的生产环节，主要包括航摄设计、航摄数据采集、数据预处理、激光数据分类、数字高程模型（DEM）制作、数字正射影像（DOM）制作。其详细作业流程如下图所示。

激光雷达航测作业流程图

2.2 航飞设计

地面基站

在飞行区域内，架设GPS 固定基准站，用地面GPS 固定基准站采集的数据与POS 系统内部的双频GPS 接收机采集的数据进行差分测量，经数据处理获得连续的、更精确的传感器位置。

根据差分GPS 技术要求，GPS 基站与机载GPS 距离不能大于30km 。根据这一要求，设计在航测区域内均匀布设2个基站即可满足要求。

地面基站技术设计

检校设计

检校场设计

检校场选择面积约1km ×1km 区域，要求地形平坦，尖顶房多。

检校场航线

A

B C

D E

F G

H

J

K L M

检校场航线设计参数表

检校场控制测量

检校场测量

1、布设激光检校控制点要求：

1）直线控制点：每隔50米一个控制点，长度大约2公里，精度<2cm，越高越好。

2）零散控制点：在中心区域均匀布设10-15个控制点，精度<2cm，越高越好。

3）所有控制点都布设在路面上，且地物材料均匀。避免高低反射率交接地区，避免周围地物遮挡，避免在陡坎和地物过度边界、便道边缘布设。

2、布设相机检校控制点要求：

1）在重叠中心区布设5-10个控制点，在航线四个边缘区域总共布设5-10个控制点，精度<2cm。

2）控制点选取地物特征点上，并做好点之记和控制点照片存档。

航线设计

航线设计航线示意图

2.3质量保障措施

激光雷达生产质量管理贯穿于承接任务、组织准备、技术设计、生产作业、过程检查直至产品交付使用全过程。实施质量管理，坚持以预防为主的指导思想，所有生产采取PDCA模式进行。

P—策划：为提供结果建立必要的目标和过程；

D—实施：实施过程

C—检查：根据方针、目标和产品要求，对过程和产品进行监视和测量，并报告结果；

A—处置：采取措施，以持续改进过程业绩

按质量控制的实施办法，实行三级质量检查制度，即作业者自查、作业部门设立的专职检查人员的过程检查、质量管理部门的最终检查。每级检查要有明确的检查内容和要求，还应

有相应的记录和报告。各级检查独立进行，不得省略或代替。各级检查记录中对发现的问题提出处理意见，并对处理后的结果进行复查。检查中发现的质量问题应及时改正。

2.4飞行质量保障

1.飞行控制措施

整个航飞过程中，飞机转弯坡度一般要控制在15°以内（标准转弯），避免造成GPS卫星信号的失锁，导致航飞数据作废而重飞。如果航路时间大于30min，则在进入测线前必须转个n字形弯，才能开始正式测线航飞。

在沿测线飞行过程中，必须满足如下要求：

（1）不同航线必须采用左转弯和右转弯交替方式，绝对不能绕圈飞行；

（2）偏离航线不得大于25m，航高上下偏离不得大于25m‘

（3）航偏角一般不大于6°，最大不大于15°；

（4）像片倾斜角一般不大于2°，最大不大于4°；

（5）航线转弯曲度不大于3%；

（6）飞机速度要求保持在航摄设计时速；

2.飞行前地面测试

按照严格的仪器操作规范，每次起飞前认真做好地面通电测试及相关准备工作，确保整套航摄系统处于正常状态。

3.航高和航线弯曲度控制

航摄作业人员通过激光雷达测量系统实时监测飞行高度，当实际飞行高度数值与设计飞行高度发生偏差时，应及时与机长沟通给予修正，确保航高满足设计要求。

由于每一条航线都设计有5km的预备航线，确保飞机有宠妃的时间准确平稳地进入航线。航飞过程中航摄作业人员通过监视器观察航迹偏差漂移情况，当飞机沿航迹左右发生偏差即将超出规定值时，应及时提醒机长进行修正，确保航线弯曲度小于3%。

4.航向和旁向重叠度控制

由于激光雷达测量系统集成了先进的航摄控制系统实现GPS定点曝光，因此确保飞机在设定规定的航线飞行后，航片的航向和旁向重叠度即得到有效保证。

5.影像色彩质量控制

在每天航摄作业时根据具体天气情况使用最佳曝光参数，在航飞过程中要一直监控航片质