机载LiDAR技术概述及其应用.doc

机载LiDAR技术概述
摄影测量有着悠久的历史，国际摄影测量与遥感协会ISPRS（International Society of Photogrammetry and Remote Sensing）1988年给摄影测量与遥感的定义是：摄影测量与遥感是从非接触成像和其他传感器系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境和其他物体可靠信息的工艺、科学与技术。其中摄影测量侧重于提取几何信息，遥感侧重于提取物理信息。也就是说，摄影测量是从非接触成像系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境和其他物体的几何、属性等可靠信息的工艺、科学与技术。因此，从19世纪中叶，摄影技术一经问世，便应用于测量。它从模拟摄影测量开始，经过解析摄影测量阶段，现在已经进入数字摄影测量阶段。当代的数字摄影测量是传统摄影测量与计算机视觉相结合的产物，它研究的重点是从数字影像自动提取所摄对象的空间信息。
诚然，目前的科学技术已相当发达，计算机和高新技术已被广泛应用，数字立体摄影测量已经成熟，相应的软件和数字立体测量工作站已经在生产部门普及，但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影——摄影处理——地面测量（空中三角测量）——立体测量——制图（DLG、DTM、GIS及其他）的模式基本没有大的变化。这种生产模式周期明显是太长了，不适应我们信息社会的需求，不能满足“数字地球”对测绘的要求了。
LiDAR（LightLaser Detection and Ranging）技术是近数十年来摄影测量与遥感领域具革命性的成就之一。自2003年来，LiDAR作为一项成熟的高科技技术手段逐渐得到市场采纳和认可。它融合了激光扫描仪、IMU惯性测量单元、差分GPS以及航飞控制与管理系统等多项高科技技术。目前，在欧美发达国家，像美国和德国以及亚洲的日本，激光技术已经得到了普遍的应用，它的应用领域几乎囊括了经济建设的各个方面。
1.1 LiDAR技术的发展历程
用激光雷达来精确确定地面上目标点的高度，始于20世纪70年代后期。当时的系统一般称为APR(Airborne Profile Recorder)，主要用于辅助空中三角测量。最初的系统是仿型设备，仅能获得在飞行器路径正下方的地面目标数据。这些最初的激光地形测量系统很复杂，并且不适于获取大范围地面目标的三维数据。由于没有高效的航空GPS和高精度INS，所以很难确定原始激光数据的精确地理坐标，因此其应用受到了限制。到20世纪80～90年代，通过一系列的研究项目，如：USA、Australia(1980～1988年)：Diverse feasibility studies；德国Prof．Ackermann(1989～1990年)：SFB “High Precision Navigation”一First Laserprofiling at University of Stuttgart；德国TopScan(1993年)：First commercial applications in Germany TopScan AITM 1020，激光扫描技术已经得到了普及和大规模使用。至2004年全球已经有超过30类不同型号的激光扫描系统投放市场。随着DGPS技术、数据传输技术、计算机技术和图形图像处理技术的发展，现代激光扫描系统已经在许多领域得到了普遍使用。除了用于获取三维地形表面模型外，这种技术已经成功应用于公路设计、水利、洪水和雪崩的预报、城市三维模型的构建、高压线监测、地面和大坝的变形测量、森林和树木高度的测量等同时，地面激光扫描技术同样得到了快速发展，地面激光扫描系统可以用于建筑物三维测量、桥梁和矿井的三维建模和监测。激光扫描设备附加一台数字照相机，可以构成一套完美的遥感数据获取系统。因此，激光扫描技术及其相关技术的发展，为遥感领域开辟了一种全新的数据获取手段。
1.2 LiDAR系统介绍
GPS、INS以及激光扫描器共同组成了一个整体的LiDAR遥感信息获取系统 (见图1)。
图1 机载LiDAR系统
1.2.1 POS技术
POS系统是机载激光探测与测距系统的关键，也是必需包含的部件。其核心思想是采用动态差分GPS(即DGPS)技术和惯性测量装置(IMU, Inertial Measurement Unit)直接在航测飞行中测定传感器的位置和姿态，并经严格的联合数据处理(即卡尔曼滤波)，获得高精度的传感器的外方位元素，从而实现无或极少地面控制的传感器定位和定向。
1.2.1.1 DGPS
用载波相位测量虽不具备实时性，但具有极高的定位精度潜力，可使定位精度达到厘米级。机载LiDAR采用动态载波相位差分GPS系统。利用安装于飞机上与LiDAR相连接的和设在一个或多个基准站的至少两台GPS信号接收机同步而连续地观测GPS卫星信号、同时记录瞬间激光和数码相机开启脉冲的时间标记，通过载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理获取LiDAR的三维坐标。机载GPS天线安装在飞机顶部外表中轴线附近，尽量靠近飞机重心和扫描器中心的位置上。另外，地面GPS接收机的数据更新频率不低于机载接收机的更新频率。如果采用实时动态差分技术，还必须架设数据发射电台，以便把必要的数据发送给作业飞机上的接收电台上。
1.2.1.2 IMU
IMU获取的是机载LiDAR的姿态信息，即滚动、俯仰和航偏角。
虽然DGPS系统可量测传感器的位置和速率，具有高精度，误差不随时间积累等优点，但其动态性能差(易失锁)、输出频率低，不能两侧瞬间快速的变化，没有姿态量测功能。而IMU有姿态量测功能，具有完全自主、无信号传播、既能定位、测速，又可快速量测传感器瞬间的移动，输出姿态信息等优点，但主要缺点是误差随时间迅速积累增长。可以看出DGPS与IMU正好是互补的，因此，最优化的方法是对两个系统获得的信息进行综合，这样可得到高精度的位置、速率和姿态数据。IMU/DGPS数据的处理主要是通过卡尔曼滤波来实现的。
1.2.2激光扫描仪
激光测距技术利用激光的特点是单色性好、方向性强、能量高、光速窄等特点，实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距技术在传统的常规测量中扮演着非常重要的角色。
激光扫描仪技术是随空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术发展而产生的一项新测绘技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。
激光扫描仪是LiDAR的核心，一般由激光发射器、接收器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成(图2)。
图2 激光扫描仪的组成
1.2.3数码相机
LiDAR直接获得点位三维坐标的功能提供了传统二维数据缺乏的高度信息，却忽略了对象特征的其它信息，如光谱信息。尽管在提取空间位置信息上，机载LiDAR数据有其自身的优势，但图像数据包含光谱信息对认识物体也具有重要的作用。这也是不少应用研究将LiDAR数据与其它光学数据结合使用的原因之一。
利用高分辨率的数码相机获取地面的地物地貌真彩或红外数字影像信息，以弥补LiDAR的不足，以达到对生成DEM产品的质量进行评价，或作为一种数据源，对目标进行分类识别，或作为纹理数据源
1.2.4中心控制单元
机载LiDAR由多个重要硬件组成，一个关键的技术就是如何实现三个重要设备的精确同步。
中心控制单元一般都采用导航、定位和管理系统构成同步记录IMU的角速度和加速度的增量以及GPS的位置、激光扫描仪和数码相机的数据。
图3 机载LiDAR系统工作示意图
1.3 机载LiDAR数据获取的基本原理
地球的表面以及覆盖其上的目标，譬如植被、建筑物等都可以对电磁波产生反射。激光扫描系统上的接收单元所收到的反射信号包含了地面反射目标的信息。大部分激光扫描系统提供了两种不同的反射信号数据记录方式即“首次脉冲”(first pulse)和“末次脉冲”(1ast pulse)记录方式。正常情况下，一束激光光束只产生一次反射，但是，在密集的森林地区则有可能产生两次或多次反射。在这种情况下，必须选择是接收第一次反射的信号，还是最后一次反射的信号。根据不同的使用目的．可以选择不同的脉冲记录方式。这种直接距离测量方法是基于短波电子信号在一个均匀的介质层内(即空气)，以恒定的速度直线传播，并且在不同的介质分界面(地球表面)被反射回来。其一般原理可以简单描述为：
C=C。／n (1)
其中，C。为真空光速，n为介质，即空气折射率从激光发射器发出的激光光束到达地面并被反射后，被激光器上的接收单元接收和记录。一般把从发射到接收这段时间称为运行时间t，这个时间参数t与光束的出发点和地面之间的双倍距离R成正比，由此可以计算出此距离：
R =t?c／2 (2)
角度参数的测量通过相应的INS系统完成。它们与距离参数、时间参数等一起可以完成对地面目标的三维定位和量测任务。
按照激光光束在地面上的轨迹和形状，激光扫描系统的扫描方式可以分为多种，图4演示的是其中3种扫描方式。由于扫描方式的不同，其数据获取的方式以及数据在地面上的分布情况也不同。在图(a)和(b)中，激光光束借助于一个行列扫描仪接收地面目标的反射信号。在飞行过程中，行列扫描仪围绕一个固定的轴线3600旋转。由于飞机速度等因素的影响，光束在地面上形成个近似的椭圆，因而也称其为“行列扫描方式或者近椭圆扫描方式”。在图(c)演示的扫描方式中，激光光束通过激光器的调整而在垂直于飞行方向上左右摆动。左右摆动的幅度、速度和角度可以根据飞行的高度、飞行的速度、要求的航带宽度、地面高差以及要求的扫描密度等做出调整。由于扫描点在地面上是以“之”字型分布的，所以这种扫描方式也称为“之”字型扫描方式。
图4 激光扫描系统不同扫描方式获取的地面点分布情况
航空激光扫描系统获取的地面目标三维坐标是随机分布和不规则的。尽管可以选择不同的扫描方式(譬如间隔式的断面扫描方式或旋转式的近椭圆式扫描方式)；不同的反射方式(譬如记录第一次反射的信号或记录最后一次反射的信号)；或者选择合适的飞行季节(譬如为了更有效地获取地面信息，人们一般选择地面植被较淡的秋季或者没有雪覆盖的冬季等)，获取的地面三维信息不可避免地会落在各种各样的地面目标上。图5演示了激光扫描系统获取的离散点在一个地面断面上的分布情况。
图5 离散LiDAR数据的地面点分布
对激光扫描系统获取的数据进行处理的目的，就是将上述分布在不同地面目标上的点进行分离。简单地说，也就是将分布在地形表面上的点与那些落在非地形表面上的点进行有效而准确的分离。
1.4 机载LiDAR系统的主要优点
激光数码航测技术具有速度快、精度高、产品多样化等优势，在国内外已经逐渐成为高精度、高质量、高要求项目的首选方案。尤其在以下几个方面突显出强大的优势：
（1）同时获取精确的激光点云数据和真彩色数码影像数据，以及RGB真正射影像，只需飞行一次便可获取丰富的地理信息，可以提供多种类型测绘产品，包括4D产品，三维景观，城市高程数据等；
（2）快速生成高精度DEM成果、高精度DOM成果；
（3）直接获取精确的城市高程数据，快速生成三维数字城市模型；
（4）自动化的飞行设计及控制导航系统，高效的数据处理系统具有传统航测方法无法比拟的优势；
（5）可提供的产品包括数字线划图（DLG），真彩色数字正射影像（DOM），高精度数字地面模型（DEM）以及数字地表模型（DSM）。这些产品除用于国土及地籍领域外，还可用于真三维数字城市建设等方面；
1.5 LiDAR数据的应用
机载LiDAR技术系统，与现有的测量方法比较，一方面它可以作为摄影测量的一种补充，另一方面它也是传统测量技术的一种竞争技术。对于许多测量应用来说，机载LiDAR技术目前可开展与其它多种传统的传感器包括标准航空相机、数码相机、多光谱扫描仪或专题成像仪的联合应用。然而，在某些应用中，例如林业、海岸工程或输电线路等，机载LiDAR技术提供的独特能力是其他任何技术都无法做到的。目前各国都在应用LiDAR技术，例如：瑞士应用LIDAR技术进行国家森林的边界监测，防止侵占森林和执行退耕还林计划；日本则用LiDAR技术获取地面精确DTM数据，提供给所有卫星影像作几何精纠正使用；马来西亚用该技术对680公里倾斜电气化铁路进行改造和扩建成为复线，大大节省了时间和经费；根据2000年7月1日有关资料，世界上约有75个机构开放约60个激光传感器供实际应用；自1998年以来，该技术设备的年平均增长率为25% ；由于能快速获取三维数字地面数据，LiDAR 的市场分额愈来愈大，以致于美国老牌制图公司山卜恩公司也引进该技术；SCOP、EASI和ARC／INFO公司也积极参与LiDAR 系统数据的后处理工作。
主要应用领域有：
（1）国土资源与环境调查与城镇地籍调查
（2）生产DTM、DSM 和DCM 作为地形测量、数字地球或GIS的相应产品
（3）林业
（4）海岸工程
（5）铁路、输电线路选线、快速获取地形和线路监测
（6）用于突发事件的快速测量
（7）数字城市和数字地球需要l m 或更小的格网数据
（8）湿地和其他受限制地区的测量
1.6 机载LiDAR技术在城乡一体化中的应用
机载LiDAR技术采用高精度POS（DGPS/IMU）系统、高分辨率数码相机、国际先进水平的LiDAR激光扫描系统以及计算机自动控制的航飞系统，为数据的获取提供了强有力的保证。
目前，由于国内的其它数码航摄系统还不具备高精度的POS系统，外业像控点的数量依旧按照传统方法布点，数量较多，而采用机载LiDAR技术会大大减少野外像控点的工作量，且能完全满足测图精度的要求。
机载LiDAR地面三维数据获取方法比传统的测量方法生产数据具有外业成本和后处理成本低的优点。机载LiDAR 系统主要是由于分类和滤波技术，能把冠层和地面剥离，这在传统测量中很难做到。它是一种快速度、成本低、高精度和高密度高程数据获取技术，不仅能生产数字高程模型(DEM)，也能生产数字表面模型(DSM)和数字城市模型(DCM)。
目前，我国城乡一体化建设急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LiDAR技术正好满足这个需求，因此它必将成为在国土资源管理领域一个重要支撑技术。

机载LiDAR技术及其应用简介
LiDAR系统是一个先进的主动传感系统，该系统本身发射受控制的激光脉冲照射地面和地面上的目标，不依赖太阳光照，通过接受激光脉冲的回波信号，经过相应处理直接获取地面三维数据。相比传统测量方法具有高精度、高密集、快速高效的优点。
系统工作示意图
1.系统主要组成部分

IMU(Inertial Measure Unit)

DC (Digital Camera)

LiDAR (Light Detection And Ranging )

Computer control navigation system
2.中心控制单元
3、机载LiDAR的功能特点
高精度；
高密集；
高效率；
高分辨率；
主动的测量方式；
自动化程度高；
无需大量的地面控制工作；
可以测量植被和建筑物高度；
多成果：DSM、DTM、DEM、 NIR、DOM、DLG、专题图、三维数字模型等。
数字正射影像（DEM）成果
国土与房屋管理专题图成果
试验区局部三维数字模型成果
国土与房屋管理专题数据库成果

一、激光点分类
Lidar数据处理的主要流程包括坐标转换，激光点的编辑。
1激光点编辑
（1）首先要建立工作区：
（2）加载Tmodel，Tscan，Tphoto三个模块：
在主菜单上选择utilities→MDL Applications，弹出MDL框；
在Availlable applications中加载Tmodel, Tscan, Tphoto。
(3) 导入点：
在TerraScan菜单条中选择File→Read points；
选择要导入的.bin文件。
（4）点分类：
在TerraScan菜单条中选择Classify→Routine→Ground即可自动分类；
自动分类前要量取建筑物的最大宽度。
首先以点颜色显示激光点，

TerraScan→View→找出最大建筑物的尺寸。
Classify→Routine→Ground， Classify ground→Initial point →Max Biulding size中改为最大建筑物的长度即可实现自动分类。

点分好类以后，可以以不同方式显示激光点，如下：

Class是以不同的类别用不同的颜色显示，
Echo显示不同的回波次数，
Elevation显示不同的高度，
Flightline显示不同的航迹线，
Intensity显示不同的密度，
Point color显示不同的点颜色。

上图中列表中显示的是激光点的分类名称，
例如默认点(Defaut)，地面点(Ground)，低点(Low point) 等等。
点分类后可以查看每种类中点的个数，如下在Scan模块中，Toools→Show statistics。

对自动分类后的激光点建立表面模型，查看分类是否合理。

在工具条中单击Create editable model；
选择Ground，然后为即将生成的模型命名；

在工具条中单击Display shaded surface；
在弹出的框中选择刚生成的模型以及输出的窗口；
将模型放大后逐步检查，若出现不合理的地方，即作出该区域的横切面，经过分析后修改点的分类；做横切面的方法如下：
假设下图所圈的部位不合理，
在工具条中单击Draw section做横切面；
选择作横切面的区域；
在窗口靠下方的View groups中点击打开一个新窗口，然后在新窗口上点击一下即显示该区域的横切面。
修改点的分类时可以用Create editable model工具列中的一系列工具，对点的类别进行重新定义。

4、点分类的检查步骤：
首先对整块数据进行检查，剔除噪声点。

分出地面点，建立模型，查看模型的异常处。检查模型的异常主要是发现自动分类有明显错误和自动分类不好处理的地方。自动分类明显错误的有建筑物错分为地面点的，（见下图中绿色的为地面点模型，红色的即为建筑物错分为地面点的。）

水域当中点错分为地面点的
地面点自动分类不是很好的地方有大量默认点中夹杂着一些地面点而引起模型异常的话，将地面点划分到默认点里。

如果在默认点下面有一些地面点（见下图）而引起模型异常的，不对其进行处理，继续后面的编辑。

建筑物类主要经检查有无丢漏，其次检查落在建筑物顶和侧面的激光点都是建筑物点分在building类里。

落在建筑物内部的点若与地面齐平或比地面低的话分为默认点，若比地面高的点仍归为建筑物点。如下两图所示。（建筑物内部不允许出现地面点）

桥的处理。若判断出是立交桥，立交桥整体都是桥。过河的桥把悬空的部分划分为桥。悬空的高速路和铁路等为桥，否则为地面点。

模型中的小坑和鼓包要检查。引起小坑的点分为低点。

2、坐标转换
我们用到的软件是CPS CoordFit其界面如图1：
图1
按照投影要求：（“Final projection: Illinois State Plane Coordinate System,West Zone(1202),NAD83(use 2007 Adjustment),Us Survey Foot. The vertical datum will be NAVD88, US Survery Foot. ”），我们需要将最后的激光点（*.las）投影转换成伊利诺斯州平面坐标系，高程为NAVD88，单位均为Foot。

首先弄清楚原始激光点数据的投影信息，将其填入相应的选框如图2：

图2
然后在输出标签下将所要求的最后投影信息填入相应选框如图3：

图3
在输入与输出都设置好后就可以对激光点数据进行投影信息转换，在转换标签下可以看到对输入与输出的设置，设置文件转换后的输出路径，转换模式设置成文件转换如图4，这样就可以将原始激光点数据转换成SanBorn公司所要求的投影信息了。