2010-11-01 19:18:57|
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1 前言 眾所周知，攝影測量經歷了模擬攝影測量、解析攝影測量與數字攝影測量三個階段，但獲取地面三維數據的工作流程基本沒有太大變化，如航空攝影一攝影處理一地面測量(空中三角測量)一立體測量一制圖的模式基本沒有太大變化(李英成 2002)。這種模式生產周期長、費用高、效率低、高程點獲取的密度低，已不適應當前信息社會的需要。 機載LiDAR(LightLaser Deteetion and Ranging)，又稱機載雷達，是激光探測及測距系統的簡稱。在不同的文獻中機載LiDAR的稱呼不同(劉經南 2003)，主要有機載激光測高(airborne laser altimetry,ALA)；機載激光地形測繪(airborne laser topographic mapping,／airhorne laser terrain mapping,ALTM)；機載激光測量系統(airborne laser mapping,ALM)；機載激光掃描測量系統(airborne laser scanning,ALS)；激光測高(laser altimetry)。它集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數碼相機等光譜成像設備(圖1)。其中主動傳感系統(激光掃描儀)利用返回的脈沖呵獲取探測目標高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像技術(數碼相機)可獲取探測目標的數字成像信息，經過地面的信息處理而生成逐個地面采樣點的三維坐標，最后經過綜合處理而得到沿一定條帶的地面區域三維定位與成像結果。  在過去十年，作為精確、快速地獲取地面三維數據的工具已得到廣泛的認同。據統計，截至2001年7月全球約有75個商業組織使用60多種類似的系統，從1998年起，以每年25％的速度遞增(M.F．2001)。 加拿大Optech公司生產的ATLM和SHOALS、美國Leica公司的ALSSO、瑞典的TopoEyeAB公司生產的TopEye、德國IGI公司的LiteMapper、法國TopoSys公司的FalconⅡ等是當前較成熟的商業系統。機載LiDAR技術的研究在國內已經興起。在國家863計劃的支持下，中國科學院遙感應用研究所李樹楷教授等研究的機載三維成像系統于1996年完成了第一臺線掃描原理樣機的研制(李樹楷2000)，該系統有別于目前國際上流行的機載LiDAR系統，它將激光測距掃描儀與多光譜掃描成像儀共用一套掃描光學系統，從而保證地面的激光測距點和圖像上的像元點嚴格匹配，即在獲取地面點的圖像同時還獲取該點到成像儀的激光距離值(尤紅建2000)。武漢大學李清泉教授等開發研制了地面激光掃描測量系統。 本文主要介紹機載LiDAR的系統組成和數據處理流程。 2 系統介紹 2．1 POS技術 POS系統是機載激光探測與測距系統的關鍵，也是必需包含的部件。具核心思想是采用動態差分GPS(即DGPS)技術和慣性測量裝置(RpIMU-Inertial Measurement Unit)直接在航測飛行中測定傳感器的位置和姿態，并經嚴格的聯合數據處理(即卡爾曼濾波)，獲得高精度的傳感器的外方位元素，從而實現無或極少地面控制的傳感器定位和定向。 2．1．1 DGPS 用載波相位測量雖不具備實時性，但具有極高的定位精度潛力(袁修孝 2001)，可使定位精度達到厘米級。機載LiDAR采用動態載波相位差分GPS系統。利用安裝了電機上與LiDAR相連接的和沒在一個或多個基準站的至少兩臺GPS信號接收機同步而連續地觀測CPS衛星信號、同時記錄瞬間激光和數碼相機開啟脈沖的時間標記，通過載波相位測量差分定位技術的離線數據后處理獲取LiDAR的三維坐標。機載GPS天線安裝在飛機頂部外表中軸線附近，盡量靠近飛機重心和掃描器中心的位置上。另外，地面GPS接收機的數據更新頻率不低于機載接收機的更新頻率。如果采用實時動態差分技術，還必須架沒數據發射電臺，以便把必要的數據發送給作業飛機上的接收電臺上。 2．1．2 IMU IMU獲取的是機載LiDAR的姿態信息，即滾動、俯仰和航偏角。 雖然DGPS系統可量測傳感器的位置和速率，具有高精度，誤差不隨時間積累等優點，但其動態性能差(易失鎖)、輸出頻率低，不能兩側瞬間快速的變化，沒有姿態量測功能。而IMU有姿態量測功能，具有完全自主、無信號傳播、既能定位、測速，又可快速量測傳感器瞬間的移動，輸出姿態信息等優點，但主要缺點是誤差隨時間迅速積累增長。可以看出DGPS與IMU正好是互補的，因此，最優化的方法是對兩個系統獲得的信息進行綜合，這樣可得到高精度的位置、速率和姿態數據。IMU／DGPS數據的處理主要是通過卡爾曼濾波來實現的。 2．2激光掃描儀 激光測距技術利用激光的特點是單色性好、方向性強、能量高、光速窄等特點，實現高精度的計量和檢測，如測量長度、距離、速度、角度等等。激光測距技術在傳統的常規測量中扮演著非常重要的角色。 激光掃描儀技術是隨空間點陣掃描技術和激光無反射棱鏡長距離快速測距技術發展而產生的一項新測繪技術，是繼GPS空間定位系統之后又一項測繪技術新突破。 激光掃描儀是LiDAR的核心，—般由激光發射器、接收器、時間間隔測量裝置、傳動裝置、計算機和軟件組成(圖2)。  依據不同用途和設計思想，掃描儀的特性也有所不同，主要區別表現在光斑尺寸、回波記錄方式和掃描方式等方面。其他指標還包括波長、功率、脈沖重復頻率等。以下對這些特征作一些簡單介紹。表1是幾種商用機載LiDAR性能參數的對比。  ①波長：機載LiDAR采用的激光波長一般位于近中紅外的大氣窗口，常用的有1064nm、11047nm、1550nm等，測深LiDAR系統還采用透水性較好的藍綠激光波段，如532nm。 ②脈沖重復頻率：脈沖重復周期，實際上說明了激光脈沖序列中兩相鄰脈沖間的間隔。在—定的高度和掃描角的情況下，脈沖重復頻率越高，所獲得的地面激光點的密度越高。 ③功率：設脈沖激光器輸小的單個脈沖持續時間(脈沖寬度)為t，(實際為 FWHM寬度)，單個脈沖的能量為E，輸出激光的脈沖重復周期為T，那么，激光脈沖的平均功率Pav=E／T，(即在一個重復周期內的單位時間輸出的能量)。脈沖激光講峰值功率(peak power)Ppk=E／t。在掃描角一定的情況下，功率越高，激光可測距離越遠。 ④光斑尺寸：由于激光束發散的原因，激光束的照射會在地面形成光斑，光斑橫、縱向軸的大小分別為：  式中。是激光波束發散角，H是飛行高度，Φ是掃描視場范圍內瞬時視場光軸與地面形成的傾角。 ⑤掃描方式：典刑的掃描方式有線掃描、圓錐掃描和光纖掃描三種(梁欣廉 2005)。線掃描在地面上的掃描線呈“Z”字型或平行線型；圓錐掃描隨飛行平臺的運動，光斑會在地面上形成一系列有重疊的圓；光纖掃描在地面上形成的掃描線呈平行或“Z”字型。 脈沖回波記錄模式：對脈沖模式而言，有兩種記錄方式。其一，記錄回波中一個或多個離散信號；其二，記錄反射信號的波形(waveform)。前者記錄回波中(幾個)特定的數據，如首末次回波信號。這種數據記錄模式被現有的絕大多數商用系統所采用。記錄整個波形時通過對回波信號采樣、正數據處理中重建實現的。一般，采樣間隔很短，如RIGEL MS-560系統為lnm。采用這種工作方式的有：INIS SLICE、RIGEL MS-560?；夭ㄐ盘柌ㄐ沃邪罅康男畔?，通過對波形的分析可以獲取更豐富的信息，并更加詳細的描述對象的細節變化。另一方面，人們可以根據實際應用對數據進行二次處理，提取某些特定信息。這種靈活性對科研下作將有顯著幫助。 2．3數碼相機 LiDAR直接獲得點位三維坐標的功能提供了傳統二維數據缺乏的高度信息，卻忽略了對象特征的其它信息，如光譜信息。盡管在提取空間位置信息上，機載LiDAR數據有其自身的優勢，但圖像數據包含光譜信息對認識物體也具有重要的作用。這也是不少應用研究將LiDAR數據與其它光學數據結合使用的原因之一。 利用高分辨率的數碼相機獲取地面的地物地貌真彩或紅外數字影像信息，以彌補LiDAR的不足，以達到對生成DEM產品的質量進行評價；或作為一種數據源，對目標進行分類識別；或作為紋理數據源。目前CCD面陣傳感器還難以滿足構建高分辨率寬角航空相機的要求。 Leica ALS50采用4Kx 5K大面陣彩色CCD數碼相機，焦距為40mm，可實現連續曝光，設定參數或者自動測光拍攝，并能自動傳輸數字航片至存儲控制計算機。該相機為航空攝影專用量測型相機，具有嚴格的幾何檢校模型和參數，配備有多種航攝附屬儀器設備標準接口，可以通過航線設計軟件實現定點攝影，并具備快門動作瞬間輸出信號功能，供汁算機記錄，以便和IMU配合。 2．4中心控制單元 機載LiDAR由多個重要硬件組成，—個關鍵的技術就是如何實現三個重要設備的精確同步。中心控制單元一般都采用導航、定位和管理系統構成同步記錄IMU的角速度和加速度的增量以及GPS的位置、激光掃描儀和數碼相機的數據。 3 激光數據的處理 機載LiDAR代表了對地觀測領域的一個新的發展方向，就數據獲取方式來講更象大地測量系統(通過測邊、測角進行定位)，就數據后處理方式來講卻更象攝影測量系統，包括地物的提取、建筑物的三維重建等。 3．1確定航跡 首先通過地面CPS的基準站和機載GPS的測量數據的聯合差分結算，即可精確確定飛機飛行軌跡。 3．2激光點三維空間坐標的計算 利用儀器廠家提供的隨機商用軟件，對飛機GPS 軌跡數據、飛機姿態數據、激光測距數據及激光掃描鏡的擺動角度數據進行聯合處理，最后得到各測點的(X，Y，Z)三維坐標數據。這樣得到的是大量懸浮在空中沒有屬性的離散的點陣數據，形象地稱之為“點云”。 圖3為激光掃描計算模刑(李清泉 2003)。在此模型中任一個向量，其模為S，方向為(φ，ω，κ，θ)，根據攝影測量的基本原理(王之卓 1979)，若能測出起點Os的坐標(Xos，Yos，Zos)，則向量的另一端點T(X，Y，Z)可以唯—確定。外方位元素(Xs，Ys，Zs)由動態差分CPS確定，角元素(φ，ω，κ，θ)由IMU求出。對于線性激光掃描器，地表面至掃描中心的距離S由激光掃描器測定，掃描方向與z軸夾角θ由激光編碼器按固定的激光脈沖間隔給出。 3．3激光數據的噪聲和異常值剔除 由于水體對激光的吸收以及其他原因，使有些激光測距點無明顯的回波信號，那些具有鏡面反射的地面也沒有回波測距值，此外，由于電路等原因，也會使數據中產生異常距離值，為此在處理激光測距原始數據時必須剔除異常點(指測距遠大于飛行高度的奇異點或測距值特別小的無效數據，如飛行高度為1000m時，對于大于1500m和小于200m的點都認為是異常點)。  3．4激光數據濾波 目前用于機載激光掃描數據濾波的方法絕大部分都是基于激光數據腳點的高程突變等信息進行的，概括來講大致可分為形態學濾波法、移動窗口法、迭代線性最小二乘內插法、基于地形坡度濾波等幾種。 激光數據濾波的基本原理(尤紅建 2003)是基于鄰近激光腳點間的高程突變(局部不連續)，一般不是由地形的陡然起伏所引起，更為可能的是較高點位于某些地物，即使高程突變是由地形引起的。就一個區域來講，具表現形態也不會相同，陡坎只會引起某個方向的高程突變，而房屋所引起的高程突變在四個方向都會形成階躍邊界。在同—區域，一定范圍大小內陸形表面激光腳點的高程和鄰近地物(房屋、樹木、電線桿等)激光腳點高程變化顯著，在房屋邊界處更為明顯。局部高程不連續的外圍輪廓就反映了房屋的形狀。當激光掃描到枝葉繁茂的參天大樹時，激光腳點間的高程也會出現局部不連續的情況，但其表現形態卻與前者有顯著差異。 兩鄰近點間的距離越近，兩點間高差越大，較高點位于地形表面的可能性就越小，因此，判斷某點是否位于地形表面時，要顧及該點到參考地形地面點的距離，隨著兩點間距離的增加，判斷的閥值也應放寬，主要是為了同時考慮地形起伏的高程變化。兩地面點的距離越遠，自然高差就會越大。 3．5激光數據拼接 機載LiDAR作業時，由于航高和掃描視場角的限制，要完成一定的作業面積就必須飛行多條航線，而且這些航線還必須保持一定的重疊度(10％-20％)。但是，由于各種誤差的存在和影響，使得兩條航帶的DTM拼接中會存在系統誤差和隨機誤差。由于機載LiDAR能同時扶取地面的圖像，根據重疊區域的影響可以確定航帶間的系統誤差，從而消除航帶間的系統誤差。 為了使測區DTM拼接正確，還必須消除航帶間出現的隨機誤差，可以采用一種變系數的加權平均法。  Rr為當前DTM點到重疊去最右側的距離，Rl為到重疊區最左側的距離，Hr為重疊區右側DTM值，Hl為重疊區左側DTM值。 這樣考慮是因為，根據理論分析知道對于采用線掃描形式的系統來說，隨著掃描角的增加，系統的定位精度下降(劉少創 1999)。由于飛行的復雜性，兩條航線間每行掃描數據的重疊都是不一樣的，所以權系數是隨每行而變化的，每行中的每個像素也是變化的，這樣保證了重疊區到非重疊區的平穩過渡，真正做到無縫拼接。 3．6激光數據分類輸出 數據分類處理完畢后，一些不必要的數據被剔除，數據量將減小，數據文件也將減小，當表面相對平滑(如地面、電力線或建筑物等)則減小幅度較大，而象植被等則減少較小。分類后的數據可以以ASCII或二進制形式輸出。 3．7坐標轉換 利用POS動態定位所提供的定位結果屬于WGS-84坐標系，而我們所需空中三角測量加密結果屬于某一國家坐標系或地方坐標系，因而必須解決定位結果的坐標轉換問題。在精確已知地面基準站在WGS-84坐標系，且已知WGS-84坐標系至國家坐標系之間轉換參數時，則可將動態定位結果轉換為國家坐標系坐標，一般是采用GPS基線向量網的約束平差。 另一個問題是高程基準問題。GPS定位問題所提供的是以橢球面為基準大地高程，而實際所需要的是以大地水準面為基準的正常高程，高程基準的轉換通過測區內若干已知正常高程的控制點擬合建立高程異常模型(當測區地形變化較大時應加地形改正)進行。 3．8影像數據的定向和鑲嵌 數字影像先進行解壓處理，然后結合航片的內外方元素進行空中三角測量，然后結合激光掃描測量的DTM數據進行定向鑲嵌，形成正射影像圖(DOM)。 4 激光數據處理軟件 由于LiDAB產生的數據量非常巨大，現有的測量軟件很難適應處理如此大量的數據，因此，需要特殊的專業軟件來處理。 目前處理此類數據主要是在微軟的Windows2000TM和Microstation SE／JTM平臺下用芬蘭Terrasolid公司小品的，TerraModelerTM、TerraScanTM和TerraPhotoTM軟件進行處理三維坐標數據和影像數據。 TerraScan軟件能裝載和處理大量的激光掃描測距數據，它的主要功能是根據點的坐標、光強、同一激光的首末反射值等信息將大量激光掃描測量數據進行分類。它可以根據一定的分類標準程序對所有的點進行批處理。另外它還可以象AuloCAD那樣很方便地利用鼠標編輯圖形，從不同角度觀察圖形。TerraModeler軟件是用來生成和處理各種表面的，可用來計算體積、面積，生成等高線、輪廓線，洪水淹沒計算。 TerraPhoto軟件是用來處理原始數碼影像的。將飛機的飛行數據文件(包括飛機位置、姿態、拍攝時間、影像排列等數據)、影像數據文件及地面數字模型文件輸入系統，必要時還可以將外控數據輸入系統，該軟件將根據這些數據進行全自動空三平差、鑲嵌，形成彩色正射影像圖(DOM)。 5 結束 機載LiDAR技術的發展為獲取高時空分辨率的地球空間信息提供了全新的技術手段，使人們從傳統的單點數據扶取變為連續自動數據獲取，提高了觀測的精度和速度，能夠快速地扶取精確的高分辨率的數字地面模型以及地面物體的三維坐標，進而獲取地表物體的垂直結構形態，同時配合地物的影像或紅外成像結果，增強對地物的認識和識別能力，在攝影測量與遙感及測繪等領域具有廣闊的發展前景和應用需求。 鑒于機載LiDAR技術在許多領域的廣泛應用前景，而我國在機載LiDAR技術方面的應用研究同同際發達國家相比相對落后，為了使該項技術能有效地服務于我國的國民經濟建設，開展機載LiDAR技術的應用研究以及數據處理的方法研究具有非常重要的理論價值和現實意義。 |
