《机载激光雷达LiDAR技术介绍》

机载激光雷达LiDAR技术介绍1前言众所周知，摄影测量经历了模拟摄影测量、解析摄影测量 与数字摄影测量三个阶段，但获取地面三维数据的工作流程基 本没有太大变化，如航空摄影一摄影处理一地面测量(空中三 角测量)一立体测量一制图的模式基本没有太大变化(李英成 2002)。这种模式生产周期长、费用高、效率低、高程点获取 的密度低，已不适应当前信息社会的需要。机载 L iDAR(LightLaser Detection and Ranging)，又称 机载雷达，是激光探测及测距系统的简称。在不同的文献中机 载LiDAR的称呼不同(刘经南2003)，主要有机载激光测高 (airborne laser altimetry,ALA)；机载激光地形测绘 (airborne laser topographic mapping, / airhorne laser terrain mapping,ALTM)；机载激光测量系统(airborne laser mapping,ALM)；机载激光扫描测量系统(airborne laser scanning,ALS)；激光测高(laser altimetry)。它集成了 GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备（图1）。其中主 动传感系统（激光扫描仪）利用返回的脉冲呵获取探测目标高 分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成 像技术（数码相机）可获取探测目标的数字成像信息，经过地面 的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过综合 处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果。图1机载LiDAR的原理在过去十年，作为精确、快速地获取地面三维数据的工具 已得到广泛的认同。据统计，截至2001年7月全球约有75个 商业组织使用60多种类似的系统，从1998年起，以每年25% 的速度递增.2001）。加拿大Optech公司生产的ATLM和 SHOALS、美国Leica公司的ALSSO、瑞典的TopoEyeAB公司生 产的TopEye、德国IGI公司的LiteMapper、法国TopoSys公 司的FalconH等是当前较成熟的商业系统。机载LiDAR技术 的研究在国内已经兴起。在国家863计划的支持下，中国科学 院遥感应用研究所李树楷教授等研究的机载三维成像系统于 1996年完成了第一台线扫描原理样机的研制（李树楷2000）, 该系统有别于目前国际上流行的机载LiDAR系统，它将激光测 距扫描仪与多光谱扫描成像仪共享一套扫描光学系统，从而保 证地面的激光测距点和图像上的像元点严格匹配，即在获取地 面点的图像同时还获取该点到成像仪的激光距离值（尤红建 2000）。武汉大学李清泉教授等开发研制了地面激光扫描测量 系统。本文主要介绍机载LiDAR的系统组成和数据处理流程。2系统介绍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。具核心思想是采用动态差分GPS（即DGPS）技术和惯 性测量装置（RpIMU-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。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（袁修孝2001）,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。利用安装了电机上与LiDAR 相连接的和没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CPS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，还必须架没数 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。2. 1. 2 IMUIMU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。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激光扫描仗的组成依据不同用途和设计思想，扫描仪的特性也有所不同，主 要区别表现在光斑尺寸、回波记录方式和扫描方式等方面。其 它指标还包括波长、功率、脉冲重复频率等。以下对这些特征 作一些简单介绍。表1是几种商用机载LiDAR性能参数的对比。大气窗口，常用的有1064nm、11047nm、1550nm等，测深LiDAR系统还采用透水性较好的蓝绿激光波段，如532nm。 脉冲重复频率：脉冲重复周期，实际上说明了激光脉冲 序列中两相邻脉冲间的间隔。在一定的高度和扫描角的情况 下，脉冲重复频率越高，所获得的地面激光点的密度越高。 功率：设脉冲激光器输小的单个脉冲持续时间（脉冲宽 度）为t，（实际为FWHM宽度），单个脉冲的能量为E，输出激 光的脉冲重复周期为T，那么，激光脉冲的平均功率Pav=E / T, （即在一个重复周期内的单位时间输出的能量）。脉冲激光讲峰 值功率（peak power）Ppk二E/t。在扫描角一定的情况下，功率 越高，激光可测距离越远。 光斑尺寸：由于激光束发散的原因，激光束的照射会在 地面形成光斑，光斑横、纵向轴的大小分别为：二口 x H seep/ 2 ,- ax II式中。是激光波束发散角，H是飞行高度，是扫描视场 范围内瞬时视场光轴与地面形成的倾角。 扫描方式：典刑的扫描方式有线扫描、圆锥扫描和光纤 扫描三种（梁欣廉2005）。线扫描在地面上的扫描线呈“Z”字 型或平行线型；圆锥扫描随飞行平台的运动，光斑会在地面上 形成一系列有重叠的圆；光纤扫描在地面上形成的扫描线呈平 行或“Z”字型。脉冲回波记录模式：对脉冲模式而言，有两种记录方式。 其一，记录回波中一或多个离散信号；其二，记录反射信号 的波形(waveform)。前者记录回波中(几个)特定的数据，如首 末次回波信号。这种数据记录模式被现有的绝大多数商用系统 所采用。记录整个波形时通过对回波信号采样、正数据处理中 重建实现的。一般，采样间隔很短，如RIGEL MS-560系统为 lnm。采用这种工作方式的有：INIS SLICE、RIGEL MS-560。 回波信号波形中包含大量的信息，通过对波形的分析可以获取 更丰富的信息，并更加详细的描述对象的细节变化。另一方面， 人们可以根据实际应用对数据进行二次处理，提取某些特定信 息。这种灵活性对科研下作将有显着帮助。23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。目前CCD面阵传感器还难以满足构建高分 辨率宽角航空相机的要求。Leica ALS50采用4Kx 5K大面阵彩色CCD数码相机，焦 距为40mm，可实现连续曝光，设定参数或者自动测光拍摄， 并能自动传输数字航片至存储控制计算机。该相机为航空摄影 专用量测型相机，具有严格的几何检校模型和参数，配备有多 种航摄附属仪器设备标准接口，可以通过航线设计软件实现定 点摄影，并具备快门动作瞬间输出信号功能，供汁算机记录， 以便和IMU配合。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。3激光数据的处理机载LiDAR代表了对地观测领域的一个新的发展方向，就 数据获取方式来讲更象大地测量系统(通过测边、测角进行定 位)，就数据后处理方式来讲却更象摄影测量系统，包括地物 的提取、建筑物的三维重建等。31确定航迹首先通过地面CPS的基准站和机载GPS的测量数据的联合 差分结算，即可精确确定飞机飞行轨迹。32激光点三维空间坐标的计算利用仪器厂家提供的随机商用软件，对飞机GPS轨迹数 据、飞机姿态数据、激光测距数据及激光扫描镜的摆动角度数 据进行联合处理，最后得到各测点的(X, Y, Z)三维坐标数据。这样得到的是大量悬浮在空中没有属性的离散的点阵数据，形 象地称之为“点云”。图3为激光扫描计算模刑（李清泉2003）。在此模型中任 一个向量，其模为s,方向为（e,3,K,e）,根据摄影测 量的基本原理（王之卓1979）,若能测出起点Os的坐标（Xos, Yos, Zos）,则向量的另一端点T（X, Y, Z）可以唯一确定。外 方位元素（Xs, Ys, Zs）由动态差分CPS确定，角元素（e,3, k,9）由IMU求出。对于线性激光扫描器，地表面至扫描中 心的距离S由激光扫描器测定，扫描方向与z轴夹角0由激 光编码器按固定的激光脉冲间隔给出。3.3激光数据的噪声和异常值剔除由于水体对激光的吸收以及其它原因，使有些激光测距点 无明显的回波信号，那些具有镜面反射的地面也没有回波测距 值，此外，由于电路等原因，也会使数据中产生异常距离值， 为此在处理激光测距原始数据时必须剔除异常点（指测距远大 于飞行高度的奇异点或测距值特别小的无效数据，如飞行高度 为1000m时，对于大于1500m和小于200m的点都认为是异常点）。图3激光点三维空间坐标的计算模型34激光数据滤波目前用于机载激光扫描数据滤波的方法绝大部分都是基 于激光数据脚点的高程突变等信息进行的，概括来讲大致可分 为形态学滤波法、移动窗口法、迭代线性最小二乘内插法、基 于地形坡度滤波等几种。激光数据滤波的基本原理（尤红建2003）是基于邻近激光 脚点间的高程突变（局部不连续）,一般不是由地形的陡然起伏 所引起，更为可能的是较高点位于某些地物，即使高程突变是 由地形引起的。就一个区域来讲，具表现形态也不会相同，陡 坎只会引起某个方向的高程突变，而房屋所引起的高程突变在 四个方向都会形成阶跃边界。在同一区域，一定范围大小内地 形表面激光脚点的高程和邻近地物（房屋、树木、电线杆等） 激光脚点高程变化显着，在房屋边界处更为明显。局部高程不 连续的外围轮廓就反映了房屋的形状。当激光扫描到枝叶繁茂 的参天大树时，激光脚点间的高程也会出现局部不连续的情 况，但其表现形态却与前者有显着差异。两邻近点间的距离越近，两点间高差越大，较高点位于地 形表面的可能性就越小，因此，判断某点是否位于地形表面时, 要顾及该点到参考地形地面点的距离，随着两点间距离的增 加，判断的阀值也应放宽，主要是为了同时考虑地形起伏的高 程变化。两地面点的距离越远，自然高差就会越大。3.5激光数据拼接机载LiDAR作业时，由于航高和扫描视场角的限制，要完 成一定的作业面积就必须飞行多条航线，而且这些航线还必须 保持一定的重叠度（10%-20%）。但是，由于各种误差的存在 和影响，使得两条航带的DTM拼接中会存在系统误差和随机误 差。由于机载LiDAR能同时扶取地面的图像，根据重叠区域的 影响可以确定航带间的系统误差，从而消除航带间的系统误 差。为了使测区DTM拼接正确，还必须消除航带间出现的随机 误差，可以采用一种变系数的加权平均法。H & =-H HH ?Rr为当前DTM点到重叠去最右侧的距离，Rl为到重叠区 最左侧的距离，Hr为重叠区右侧DTM值，Hl为重叠区左侧DTM 值。这样考虑是因为，根据理论分析知道对于采用线扫描形式 的系统来说，随着扫描角的增加，系统的定位精度下降（刘少 创1999）。由于飞行的复杂性，两条航线间每行扫描数据的重 叠都是不一样的，所以权系数是随每行而变化的，每行中的每 个像素也是变化的，这样保证了重叠区到非重叠区的平稳过 渡，真正做到无缝拼接。3.6激光数据分类输出数据分类处理完毕后，一些不必要的数据被剔除，数据量 将减小，数据文件也将减小，当表面相对平滑（如地面、电力 线或建筑物等）则减小幅度较大，而象植被等则减少较小。分 类后的数据可以以ASCII或二进制形式输出。3.7坐标转换利用POS动态定位所提供的定位结果属于WGS-84坐标系, 而我们所需空中三角测量加密结果属于某一国家坐标系或地 方坐标系，因而必须解决定位结果的坐标转换问题。在精确已 知地面基准站在WGS-84坐标系，且已知WGS-84坐标系至国家 坐标系之间转换参数时，则可将动态定位结果转换为国家坐标 系坐标，一般是采用GPS基线向量网的约束平差。另一个问题是高程基准问题。GPS定位问题所提供的是以 椭球面为基准大地高程，而实际所需要的是以大地水准面为基 准的正常高程，高程基准的转换通过测区内若干已知正常高程 的控制点拟合建立高程异常模型（当测区地形变化较大时应加 地形改正）进行。3.8影像数据的定向和镶嵌数字影像先进行解压处理，然后结合航片的内外方元素进 行空中三角测量，然后结合激光扫描测量的DTM数据进行定向 镶嵌，形成正射影像图(DOM)。4激光数据处理软件由于LiDAB产生的数据量非常巨大，现有的测量软件很难 适应处理如此大量的数据，因此，需要特殊的专业软件来处理。目前处理此类数据主要是在微软的 Windows2000TM和 Microstation SE / JTM平台下用芬兰Terrasolid公司小品的， TerraModelerTM、TerraScanTM 和 TerraPhotoTM 软件进行处 理三维坐标数据和影像数据。TerraScan软件能装载和处理大量的激光扫描测距数据， 它的主要功能是根据点的坐标、光强、同一激光的首末反射值 等信息将大量激光扫描测量数据进行分类。它可以根据一定的 分类标准程序对所有的点进行批处理。另外它还可以象 AuloCAD那样很方便地利用鼠标编辑图形，从不同角度观察图 形。TerraModeler软件是用来生成和处理各种表面的，可用 来计算体积、面积，生成等高线、轮廓线，洪水淹没计算。TerraPhoto软件是用来处理原始数码影像的。将飞机的 飞行数据文件(包括飞机位置、姿态、拍摄时间、影像排列等 数据)、影像数据文件及地面数字模型文件输入系统，必要时 还可以将外控数据输入系统，该软件将根据这些数据进行全自 动空三平差、镶嵌，形成彩色正射影像图(DOM)。5结束机载LiDAR技术的发展为获取高时空分辨率的地球空间 信息提供了全新的技术手段，使人们从传统的单点数据扶取变 为连续自动数据获取，提高了观测的精度和速度，能够快速地 扶取精确的高分辨率的数字地面模型以及地面物体的三维坐 标，进而获取地表物体的垂直结构形态，同时配合地物的影像 或红外成像结果，增强对地物的认识和识别能力，在摄影测量 与遥感及测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求。鉴于机载LiDAR技术在许多领域的广泛应用前景，而我国 在机载LiDAR技术方面的应用研究同同际发达国家相比相对 落后，为了使该项技术能有效地服务于我国的国民经济建设, 开展机载LiDAR技术的应用研究以及数据处理的方法研究具 有非常重要的理论价值和现实意义。