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机载激光LiDAR的运用领域及误差消除方法

作者:飞燕遥感 发布日期:2018-05-31 00:00 浏览量:461

  一、机载Lidar技术概述

  Lidar是基于激光雷达技术的基础上形成的一种新技术,也被人们广泛的称之为航空激光扫描探测技术,是一种安装在飞机上的机载激光探测设备与测距系统,可以准确的测量出地面物体的三维坐标。Lidar技术在目前的应用中主要是主动进行的,是针对地面、地形进行观测的一种测量体系,它最早出现于本世纪初期,是集激光测距技术、惯性测量单元、GPS定位技术和激光雷测绘技术为一体的现代化技术领域,该技术的应用使得实时信息获取和控制方面取得了重大突破,为高时空分辨率在地球空间信息资源中的应用提供了全新的理论技术和指导依据。其中机载Lidar设备在飞行中以每秒40万个点,侧向60°的扫描范围,在短时间内实现大范围三维地貌、地物和植被扫描,数据在水平和垂直方向上可达到厘米级精度。机载激光雷达扫描技术以其便利性、可重复性和绝对定位,以及数据的真三维性和前所未有的精度等优势,在地学及相关领域中得到日益广泛应用和快速发展。


  机载Lidar系统主要由激光扫面系统、GPS、IMU、数码相机、监控和控制系统组成,其中Lidar传感器和IMU是系统的核心部件,Lidar传感器是发射测量激光脉冲和接受激光脉冲遇到障碍物(目标)后所反射的回波,IMU为确定任一瞬间平台在空间中的姿态,GPS为Lidar系统提供精确的定时和定位数据。数码相机可以为获得高分辨率的影像数据,监控及控制系统在系统采集数据的同时为操作人员提供有效的实时监控信息。对以上数据进行处理,可以获得DOM、DEM、DSM、DLG、三维数字模型等产品。


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  二、机载Lidar技术的应用

  随着计算技术以及GPS技术的进一步发展和应用,Lidar技术经过近20年的发展,其技术已经完全成熟。在使用摄影测量方法获取地形模型有困难的森林和沙漠地区,Lidar技术提供了一种直接获取地形表面模型的有效手段。通过与影像以及信息的融合,Lidar系统不仅仅局限于获取数字高程模型数据等传统的应用领域,而且广泛应用于城市三维模型的直接获取、GIS数据获取、高压线监测、林业监测等领域Lidar利用激光传感器对地面进行扫描,同时利用惯性导航系统实时定位飞机姿态,再加上GPS观测坐标,还可以打开Lidar携带的数码相机进行航空摄影,获取相片数据。利用这些高精度的数据可以得到大范围高精度的4D产品。


  (一)基础测绘

  基础测绘主要指的是对工程项目施工场地进行的测绘工作,其工作目的在于实现工程项目的基本要求和主要施工目的。通常来说,工程测绘是一种对有关测量物体的基本信息进行搜集和整理的,因此在这一工作阶段应当是以数字影像为主要技术要求进行的。但是在工作中,因为数字影像本身存在着工作力度繁琐、施工内容复杂的特点,为此在工程项目中我们有必要针对其基本工作线路和施工技术要求来提前设置合理的程序和控制策略。经过多年的工作实践总结得出,在基础测绘工作中采用Lidar测绘技术可以有效的缓解传统测绘技术所带来的工作压力,提高工作效率和工作进度。这种技术在应用中是通过三维坐标的方式来实现对地面坐标的三维立体控制,从而达到精确坐标的要求。


  (二)电力线路设计

  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。在进行电力抢修和维护时,根据电力线路上的Lidar数据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。


  (三)公路线路等工程优化

  激光雷达技术用于高速公路线路等工程优化设计具有创新性和代表性,打破了传统设计的方式方法,从数据获取及处理、初步设计、优化设计、终勘定位、三维模拟、运营维护管理等方面建立了一体化的、三维可视化的系统性技术体系和支撑平台。(1)原始数据采集:在航飞前要制订飞行计划,安置全球定位系统接收机、激光扫描测量、惯性测量、数码相机等。(2)基础数据处理:机载激光雷达测量系统在野外采集得到的数据需要进行一定的处理才能得到需要的信息。数据处理的内容包括:确定航迹、激光扫描测量数据处理、数据分类处理、坐标匹配、影像数据的定向和镶嵌、建立三维地形模型。(3)线路优化设计:以高精度、高分辨率正射影像和激光点云数据、数字高程模型数据为基础,采用二、三维结合方式,结合架空高速公路线路设计业务需求,采用多人协同设计,实现高速公路线路路径优化设计的一体化全流程应用。


  三、机载激光雷达测量系统检校及消除系统误差的方法

  机载激光雷达测量系统是由多个部件集成在一起的测量系统。为了提高机载激光雷达对地定位的精度,在飞行作业之前,必须经过仔细的检校,以提高地面激光脚点坐标的对地定位精度。机载激光雷达测量系统的检校比较繁杂,其中包括对每个部件的检校以及确定它们之间的相互空间关系(空间配准)。本文主要讨论如何确定传确器之间的空间位置和方位关系。


  (一)内方位元素的测定

  GPS/INS组合导航定位与测姿系统为获取载体高精度的位置和姿态参数提供了有力的支持,这是机载激光雷达实现高精度对地定位的前提。为了高精度地求解每个激光脚点的位置坐标,除了要知道外方位元素(即三个姿态角)、飞机航迹以及激光扫描测距时提供的距离和扫描角外,还必须精确地知道定位定姿传感器同激光扫描系统之间的空间关系,提供正确的内方位元素,这对于激光脚点的位置计算非常关键。内方位元素主要包括:(1)激光脉冲测距参考点同GPS相位中心间的偏移量tL-tG;(2)安置偏差角。

  激光脉冲测距参考点同GPS相位中心间的偏移量通常是利用飞机在行检校技术直接从机载激光雷达测量数据中估计出来。

  INS坐标参考框架和激光扫描参考系统之间的安置角误差是机载激光雷达中最大的系统误差源。根据经验,这些安置角误差通常为0.1°-0.3°。


  (二)消除系统误差的方法

  为了提高机载激光雷达的测量精度,最大可能地降低各种系统误差的影响,一般有三种方法:一是建立误差改正模型;二是仪器检校;三是条带平差改正。如果激光光束的空间方位有误差,多条激光扫描条带覆盖同一扫描区域时(彼此重叠),不同航带测定的同一点的坐标和高程间彼此会有差异,其产生原因是INS姿态测定时会带来误差(漂移和初始化),INS和激光扫描镜安置时不能保证彼此轴系平行而产生安置角误差等。根据这些差异建立相应的参数模型,利用一定的匹配技术将不同航带的条带重叠部分联系起来,通过最小二乘平差求解这些参数。然后利用求解出的参数改正每条航带的激光脚点坐标。


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