机载LiDAR技术在城市3D数字产品中的应用

　　引言

　　机载激光雷达 (AirborneLightDetectionAnd Ranging，简记为LiDAR)，是集激光扫描、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一体的空间测量技术，能够快速、精确地获取地表信息。与传统航测相比，机载LiDAR具有速度快、精度高、能提供丰富的三维信息等优点。机载激光雷达系统与数字航摄仪、机载GPS及惯性导航系统相结合，使用大容量高速计算机，经过专用软件处理，可快速完成数字高程模型(DEM)、数字正射影像图(DOM)及数字表面模型（DSM）的大规模生产。LiDAR数据的平面精度可以达到0.2m，高程精度可达到0.1m。

　　近10年以来，LiDAR硬件设备已经成熟和稳定，并且性能越来越优化；针对LiDAR数据的处理软件已基本成熟；并已投入商业应用。LiDAR的应用领域在不断的扩展和深化，已经成功的应用于大比例尺DEM、DSM、DOM制图、电力和公路选线、城市规划、森林调查、灾害灾情监测、三维数字城市建设等行业领域。

　　1.LiDAR系统构成、定位原理及应用

　　1.1 LiDAR系统构成

　　LiDAR系统主要如下几部分构成：

　　⑴GPS：根据地面基站及机载GPS快速确定空中飞机的三维坐标；

　　⑵INS：惯性测量系统，用于确定飞机的空中姿态；

　　⑶激光扫描测距系统：测量空中点至地面的距离

　　⑷成像装置（CCD数码相机）：获取所经地面的影像，用于制作地面正射数字影像；

　　⑸工作平台：可携带上述装置的飞行器。

　　1.2 LiDAR定位原理

　　机载LiDAR定位原理：设空间有一向量S，其模为S，方向为（φ，ω，κ），若能测出该向量起点Os的坐标（Xs，Ys，Zs），则此向量的另一端点Ps的坐标（Xs，Ys，Zs）便可唯一确定。对机载系统而言，起点Os为遥感器光学系统的投影中心，其坐标可利用动态差分GPS求出，向量S的模S是由激光测距系统测定的机载激光测距仪测理投影中心到地面激光脚点之间的距离，姿态参数（φ，ω，κ）可以利用高精度的姿态测量装置进测量获取。其中一些系统参数，主要包括激光测距光学投影中心相对于天线相位中心的偏差；激光扫描器的安装角，即倾斜角、仰俯角和航偏角；IMU（惯性测量单元）相对于GPS的位置偏差及IMU机体同载体坐标轴系之间的不平行等项参数，需要通过一定的检校方法确定。

　　2．LiDAR系统的数据处理

　　利用系统自带的随机软件，可以对飞机GPS轨迹、飞行姿态、测光测距等相关数据进行处理，得到各测点的三维无属性的空间坐标数据，即所谓的“点云数据”。LiDAR系统的数据处理即是对上述的“点云数据”进行分类处理，根据不同的需要，按一定的分类原则，提取相关的信息，形成用途各异的数字产品。

　　TerraSolid是用于对点云数据进行分析处理的专用软件。该软件具有可显示3维点数据，可任意定义点的类型，可手动或自动分类点，进行点位抽稀，提取关键点，在激光点上数字化特征地物，并能与摄影测量影象数据融合，可输出分类后的激光点和高程模型等功能。

　　在3D城市数字化产品制作中，TerraSolid主要用于构建地面高程数据（DEM）和数字表面模型（DSM），并结合影象数据生成数字正射图（DOM）

　　3．3D数据数字产品制作

　　现以某滨海城市为例介绍3D数据数字产品制作过程。利用机载Lidar设备飞行采集的原始点云、数码航片、航迹信息等数据通过影像调色、数据预处理、点云分类、空三加密、拼接线修改、图幅裁切等一系列处理，生产出符合相应比例尺国家标准的DEM、DSM、DOM成果及建筑物体框模型。

　　3.1 DSM和DEM制作流程:

　　3.1.1对激光点三维数据进行地表和地面激光点的分类处理。

　　3.1.2生成粗imagelist，直接利用未空三加密的imagelist文件快速生成粗数字正射影像。

　　3.1.3参考粗数字正射影像，对分类后的激光点三维数据进行检查，纠正前期分类错误的激光点。

　　3.1.4对地面激光点构建三角网模型，按2.5和0.8米的格网间距分别内插为1：2000比例尺数字高程模型；对地面和建筑物、树木、桥梁地上构建物等对应的所有激光点构建三角网模型，按2.5和0.8米的格网间距内插为1：2000比例尺数字表面模型。

　　3.2 DOM制作流程

　　3.2.1原始航片调色、匀色。

　　3.2.2 POS辅助空三加密，添加连接点。集成后的大区域空三加密时，平原地区要求公共点较差中误差在0.1米以内、最大误差0.2米。山地要求公共点较差中误差在0.13米以内、最大误差0.26米以内；还未集成的小区域空三加密时，平原和山地的公共点较差可在以上基础上放宽一倍。

　　3.2.3 通过生成的连接点文件，对原始影像的三个角度外方位元素进行优化调整。

　　3.2.4 对正射纠正的影像进行拼接线修改和优化，使不同航片在接边处不穿过建筑物、树木等非地面地物，保证地物影像的完整、自然。

　　3.2.5 在拼接线处对影像进行色调修改和平衡，使整幅正射影像色调自然、均匀。

　　3.2.6对专用软件生成的数字正射影像进行架空桥梁等地物出现的拉花、错位、变形等情况的修正，并提交最后数字正射影像成果。

　　4. 结语

　　机载雷达（LiDAR）系统以其方便、快捷和高效的3维数据获取技术，具有十分广泛的应用前景。该系统在城市3D数字产品的制作中，可快速获取符合相关规范标准的DEM、DSM、DOM产品。与传统的生产流程相比，采用该技术具有处理区域范围大、成图周期短、成图精度高和生产成本相对较低等特点，具有相当广泛的应用前景。随着LiDAR技术硬件系统的进一步的发展和分类技术研究的不断推进，该技术将在我国城市信息化建设中，发挥重要的作用。

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