機(jī)載LiDAR技術(shù)在城市3D數(shù)字產(chǎn)品中的應(yīng)用

發(fā)布日期：2018-06-21 00:00 瀏覽量：9036

　　引言

　　機(jī)載激光雷達(dá) (AirborneLightDetectionAnd Ranging，簡記為LiDAR)，是集激光掃描、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)于一體的空間測量技術(shù)，能夠快速、精確地獲取地表信息。與傳統(tǒng)航測相比，機(jī)載LiDAR具有速度快、精度高、能提供豐富的三維信息等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)與數(shù)字航攝儀、機(jī)載GPS及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，使用大容量高速計(jì)算機(jī)，經(jīng)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(chǎn)。LiDAR數(shù)據(jù)的平面精度可以達(dá)到0.2m，高程精度可達(dá)到0.1m。

　　近10年以來，LiDAR硬件設(shè)備已經(jīng)成熟和穩(wěn)定，并且性能越來越優(yōu)化；針對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)的處理軟件已基本成熟；并已投入商業(yè)應(yīng)用。LiDAR的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)展和深化，已經(jīng)成功的應(yīng)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(diào)查、災(zāi)害災(zāi)情監(jiān)測、三維數(shù)字城市建設(shè)等行業(yè)領(lǐng)域。

　　1.LiDAR系統(tǒng)構(gòu)成、定位原理及應(yīng)用

　　1.1 LiDAR系統(tǒng)構(gòu)成

　　LiDAR系統(tǒng)主要如下幾部分構(gòu)成：

　　⑴GPS：根據(jù)地面基站及機(jī)載GPS快速確定空中飛機(jī)的三維坐標(biāo)；

　?、艻NS：慣性測量系統(tǒng)，用于確定飛機(jī)的空中姿態(tài)；

　?、羌す鈷呙铚y距系統(tǒng)：測量空中點(diǎn)至地面的距離

　?、瘸上裱b置（CCD數(shù)碼相機(jī)）：獲取所經(jīng)地面的影像，用于制作地面正射數(shù)字影像；

　?、晒ぷ髌脚_(tái)：可攜帶上述裝置的飛行器。

　　1.2 LiDAR定位原理

　　機(jī)載LiDAR定位原理：設(shè)空間有一向量S，其模為S，方向?yàn)椋é?，ω，κ），若能測出該向量起點(diǎn)Os的坐標(biāo)（Xs，Ys，Zs），則此向量的另一端點(diǎn)Ps的坐標(biāo)（Xs，Ys，Zs）便可唯一確定。對(duì)機(jī)載系統(tǒng)而言，起點(diǎn)Os為遙感器光學(xué)系統(tǒng)的投影中心，其坐標(biāo)可利用動(dòng)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(jī)載激光測距儀測理投影中心到地面激光腳點(diǎn)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(jìn)測量獲取。其中一些系統(tǒng)參數(shù)，主要包括激光測距光學(xué)投影中心相對(duì)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(duì)于GPS的位置偏差及IMU機(jī)體同載體坐標(biāo)軸系之間的不平行等項(xiàng)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(jù)處理

　　利用系統(tǒng)自帶的隨機(jī)軟件，可以對(duì)飛機(jī)GPS軌跡、飛行姿態(tài)、測光測距等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各測點(diǎn)的三維無屬性的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即所謂的“點(diǎn)云數(shù)據(jù)”。LiDAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理即是對(duì)上述的“點(diǎn)云數(shù)據(jù)”進(jìn)行分類處理，根據(jù)不同的需要，按一定的分類原則，提取相關(guān)的信息，形成用途各異的數(shù)字產(chǎn)品。

　　TerraSolid是用于對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的專用軟件。該軟件具有可顯示3維點(diǎn)數(shù)據(jù)，可任意定義點(diǎn)的類型，可手動(dòng)或自動(dòng)分類點(diǎn)，進(jìn)行點(diǎn)位抽稀，提取關(guān)鍵點(diǎn)，在激光點(diǎn)上數(shù)字化特征地物，并能與攝影測量影象數(shù)據(jù)融合，可輸出分類后的激光點(diǎn)和高程模型等功能。

　　在3D城市數(shù)字化產(chǎn)品制作中，TerraSolid主要用于構(gòu)建地面高程數(shù)據(jù)（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM），并結(jié)合影象數(shù)據(jù)生成數(shù)字正射圖（DOM）

　　3．3D數(shù)據(jù)數(shù)字產(chǎn)品制作

　　現(xiàn)以某濱海城市為例介紹3D數(shù)據(jù)數(shù)字產(chǎn)品制作過程。利用機(jī)載Lidar設(shè)備飛行采集的原始點(diǎn)云、數(shù)碼航片、航跡信息等數(shù)據(jù)通過影像調(diào)色、數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云分類、空三加密、拼接線修改、圖幅裁切等一系列處理，生產(chǎn)出符合相應(yīng)比例尺國家標(biāo)準(zhǔn)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(duì)激光點(diǎn)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行地表和地面激光點(diǎn)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?jǐn)?shù)字正射影像。

　　3.1.3參考粗?jǐn)?shù)字正射影像，對(duì)分類后的激光點(diǎn)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，糾正前期分類錯(cuò)誤的激光點(diǎn)。

　　3.1.4對(duì)地面激光點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)模型，按2.5和0.8米的格網(wǎng)間距分別內(nèi)插為1：2000比例尺數(shù)字高程模型；對(duì)地面和建筑物、樹木、橋梁地上構(gòu)建物等對(duì)應(yīng)的所有激光點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)模型，按2.5和0.8米的格網(wǎng)間距內(nèi)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(diào)色、勻色。

　　3.2.2 POS輔助空三加密，添加連接點(diǎn)。集成后的大區(qū)域空三加密時(shí)，平原地區(qū)要求公共點(diǎn)較差中誤差在0.1米以內(nèi)、最大誤差0.2米。山地要求公共點(diǎn)較差中誤差在0.13米以內(nèi)、最大誤差0.26米以內(nèi)；還未集成的小區(qū)域空三加密時(shí)，平原和山地的公共點(diǎn)較差可在以上基礎(chǔ)上放寬一倍。

　　3.2.3 通過生成的連接點(diǎn)文件，對(duì)原始影像的三個(gè)角度外方位元素進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

　　3.2.4 對(duì)正射糾正的影像進(jìn)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(duì)影像進(jìn)行色調(diào)修改和平衡，使整幅正射影像色調(diào)自然、均勻。

　　3.2.6對(duì)專用軟件生成的數(shù)字正射影像進(jìn)行架空橋梁等地物出現(xiàn)的拉花、錯(cuò)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(jié)語

　　機(jī)載雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)以其方便、快捷和高效的3維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)在城市3D數(shù)字產(chǎn)品的制作中，可快速獲取符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的DEM、DSM、DOM產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程相比，采用該技術(shù)具有處理區(qū)域范圍大、成圖周期短、成圖精度高和生產(chǎn)成本相對(duì)較低等特點(diǎn)，具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。隨著LiDAR技術(shù)硬件系統(tǒng)的進(jìn)一步的發(fā)展和分類技術(shù)研究的不斷推進(jìn)，該技術(shù)將在我國城市信息化建設(shè)中，發(fā)揮重要的作用。

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