机载激光雷达系统在测绘领域的应用

机载激光雷达系统在测绘领域的应用

摘要：本文通过对国内外机载激光雷达的发展现状进行了分析,结合本单位激光雷达的实际应用和其特点,介绍了其在测绘等行业的应用,阐述了其对测绘领域带来的巨大变革和广阔前景。

关键词：4D测绘产品机载激光雷达激光点云

机载激光雷达系统（Light Detection And Ranging，简称LIDAR）是集全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（IMU）、激光扫描系统、航空摄影系统的快速测量系统。它能够大面积、高分辨率、快速准确地获取地表各类地理信息，可实时快速获取高精度点云数据、数字地面模型（DTM）、数字表面模型（DSM）以及测区高程等数据成果。被测绘界认为是继全球定位系统（GPS）之后的重大技术革命，是当前测绘科技发展的国际前沿。

本文结合作者单位拥有的徕卡公司最新的ALS60机载激光雷达系统系统在测绘生产领域多个项目的实际应用情况，介绍了其对测绘领域带来的巨大变革和广阔前景。

国内外机载激光雷达的发展现状

机载激光雷达测量技术发展已经有二十余年的历史,从早期的美国宇宙航天激光测距到德国诞生的世界上第一个商用样机激光断面测量系统，发展到近些年来随着当今科技技术日新月异的进步，激光雷达系统更是得到了迅猛的发展，其在测绘市场的市场份额逐年快速增长。目前，全球已经有众多的商用系统在使用，如TopScan、Optech、Top Eye、Saab、Fli-map 、TopoSys、Hawk2Eye 等多种实用系统。具有代表性的系统主要有：德国IGI和奥地利RIGEL公司联合制的Lite Maper6800，美国alpha的SHOLAS和加拿大OPTECH的ALTM3100T，德国TopoSys的Falcon，以及美国Leica公司的Leica ALS50/60等。

上世纪90年代中后期至今，美国、德国、加拿大等国家，先后成功应用这项技术进行了地形测量、森林资源调查与评估、三维城市建模等试验与工程实践。特别是在芬兰和德国的应用更为广泛。

国内在地面三维激光扫描系统、车载激光雷达系统方面已有相关产品投入实际生产应用。但在机载激光雷达技术的硬件研究制造上国内外差距较大，现有技术基础比较薄弱。虽有原理样机的研制，但距实用化尤其是形成产品尚有一段距离。所以至今国内还没有成熟的机载激光雷达系统出现。

机载激光雷达在测绘等领域的应用

1. 机载激光雷达测量技术主要特点和性能

高精度：高程精度可<15 cm。高密集：高密集的点云数据能够真实反映地形地貌，替代外业高程实测工作。高效率：数据处理速度快，便于自动化生产，飞行数据下来数小时即可得到数字地表模型，数天可以得到高精度数字地面模型和正射影像。高分辨率：可以获取高分辨率的数码影像。测量方式：主动测量，可以穿透薄云薄雾，对天气的依赖程度大大减少，可以在夜间作业。自动化程度高：从飞行设计到数据获取，到最终产品的数据处理，自动化程度非常高。无需大量的地面控制工作。对植被有一定的穿透能力，可以测量到植被以下的地面。

2. 机载激光雷达测量在测绘等领域的应用

首先在传统的地形测绘上：机载激光雷达能够快速获取高精度数字地表模型（DSM），特别是数字摄影测量难以获取森林覆盖地区的DEM，因为激光脉冲可以穿透植被冠层，反射的回波信号可用于生成林区和其他植被覆盖地区的DEM。经过加工处理可获得精确的数字高程模型(DEM)，同时，配套的中画幅数码相机可以获得同步的数码相片，经过数字高程模型(DEM)的纠正就可获取测区的正射影像图（DOM）、也可以利用这些航片的高分辨率数字立体像对,经过像控、空三加密来进行数字线划图(DLG)的生产、如果有需要再将DLG转换为数字影像图(DRG)。所以说机载激光雷达测量可以满足我们传统测绘上4D数字产品的生产。

在其他行业的应用：机载激光雷达生产的激光点云数据及处理后得到的三维真实场景动画对于应急响应、城市规划、国土安全、交通运输、公共事业管理和环境监测部门而言也具备巨大的应用价值。利用机载激光雷达数据结合地块矢量数据生成三维城市模型，可以进行复杂的空间查询、洪水淹没分析等。汶川地震震后，震区出现多处滑坡和堰塞湖，利用机载激光雷达获取的DEM为有关部门提供了高精度堰塞湖流域的基础数据，辅助专家在短时间内准确快速地判读出滑坡的位置和体积，有效支持了地质灾害的风险评估和排险方案制订。

在交通管线设计方面：LIDAR技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型DEM，以方便线路设计和施工土方量的精确计算。同样在进行通讯网络、油管、气管线路设计时有着重要的应用价值。

特别需要说明的是电力输送项目、电力巡线是目前国内大量应用激光雷达技术的工程作业项目，它极大地方便电网布设与维护管理工程。在进行电力线路设计时，通过LIDAR数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素的情况。尤其是在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力线抢修和维护时，根据电力线路上的LIDAR数据点和相应的地面裸露点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度，这样就可以便于抢修和维护。

其派生的种类有工点地形图、断面图、数字正射影像地形图、专项测绘、工程中的土石方自动计算、坡度、坡向的计算等；快速构建三维虚拟场景，城市建模等。

3. 机载激光雷达的点云数据处理

点云数据处理就是对航空摄影所获取的激光点云数据、航摄影像数据、IPAS数据和地面基站数据等原始数据进行解压、差分、IPAS解算、激光及相机检校、点云数据生成等处理，以获得满足DSM、DEM、DOM、DLG制作要求的参数和数据。

地面高程模型数据DEM仅需要地表裸露点。由完整地块的地表裸露点三维数据构成地面高程模型DEM。在生产中，我们使用LIDAR软件自动处理掉地表上绝大部分的多余激光脉冲点数据，来获取裸露点三维数据信息，构建三角网TIN图形。LIDAR软件根据脉冲点的高程值分成多个高差段并赋于不同颜色值渲染成三角网，由此生成的LIDAR影像具有非常明显的彩色三维立体效果。再利用程序予处理识别非地表裸露点，如大部分树高端点、建筑物点、桥面点等，经人工剔除并归类。可大致分为以下类型：地表裸露点、树高端点、桥面点、水域点、建筑物点、噪音点（即粗差点）及其它未分类点等。经过数据处理后的地面点数据，既可生成高精度的DEM和地形图等高线，并可以进一步纠正航片制作正射影像图。

目前国内设备拥有的型号比较多，基本上各家主流产品都有。数据处理软件除芬兰软件以外，也用设备厂商提供的软件。其中应用最广、最典型LiDAR 处理软件是芬兰第三方LIdar数据处理TerraSolid系列软件。它是第一套商业化LiDAR数据处理软件，基于Microstation开发的，运行于Micorstation系统之上，因此需要熟悉Microstation操作的用户才能很好的使用它。它包括：TerraMatch、TerraScan、TerraModeler、TerraPhoto等四个重要模块。TerraSolid系列软件能够快速的载入lidar点云数据进行处理。

4. 徕卡公司ALS60机载激光雷达的数据应用

笔者所在单位2010年中期引入了一台机徕卡公司最新型号的ALS60机载激光雷达系统，因为本单位属于内外业一体化测绘生产单位，所以很快就试飞成功，并在多个实际生产项目中投入使用，在不到一年时间内已完成了上万平方公里的雷达数据生产，项目涉及管线设计所需的DEM、DOM、DLG；数字城市所需的大面积DOM和地形图地貌更新等等，涵盖了大、中多个成图比例尺，效果良好。

在以上项目的点云处理中利用TerraSolid软件，对检校过的LIDAR激光点云数据进行数据分块、自动滤波和分类、手动精细滤波分类，结合项目要求，一般将点云数据分为Ground、Water、Noise、Default、Temp多类。最终输出满足要求的DEM数据。对于需要地貌要素的利用DEM数据在Terrascan中生成等高线，并按要求提取高程注记点及坎上坎下的对点。等高线生成时可对DEM进行抽稀，并对初步等高线进行圆滑编辑，处理好与地物之间的关系。正射影像图的生产是利用数字高程模型（DEM）数据、航摄影像数据及经过相机检校后的外方位元素数据，对航摄像片进行逐片数字微分纠正，经影像镶嵌、调色、裁切后生成。立体测图是经过野外像控、空三加密工序，在基于国内生产的数字摄影