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平原地貌地区城市工程测量中LIDAR数据应用

发布日期:2018-06-22 00:00 浏览量:1355

  机载激光雷达系统(Light Detection And Ranging,简称LIDAR),也叫机载激光雷达,是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统,它集成了激光扫描仪、差分GPS系统、IMU(Inertial Measurement Unit,惯性量测单元,用以量测飞机平台的飞行姿态)、数码相机。在动态载波相位差分GPS系统和IMU的支持下,激光扫描系统通过激光扫描器和距离传感器,经由微计算机对测量资料进行内部处理,显示或存储、输出距离和角度等资料,并与距离传感器获取的数据相匹配,经过相应软件进行一系列处理来获取被测目标的表面形态和三维坐标数据,从而进行各种量算或建立立体模型。

  在过去十年,机载LIDAR作为精确、快速的获取地面三维数据的工具已经得到广泛的认同。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。加拿大Optech公司生产的ALTM和SHOALS、美国Leica公司的ALS50、瑞典的TopoEye AB公司生产的TopEye、德国IGI公司的LiteMapper、法国Toposys公司的FalconⅡ等是当前较成熟的商业系统。


  1 LIDAR数据获取 的基本原理

  当机载LIDAR航摄飞行时,激光扫描仪发射、接收激光束,对地面进行线状扫描,与此同时,动态GPS系统确定传感器的空间位置(经纬度),IMU测量飞机的实时姿态数据,即滚动、仰俯和航偏角。由于系统的几个部分同步工作并集成于一体,GPS 和IMU的数据融合极为方便,所以经后期地面数据处理后,即可获取地面的三维数据。


  2 LIDAR数据的获取和处理

  2.1 LIDAR设备选择

  在某市1∶500比例尺地形测量项目中,高程精度的要求优于0.15 m,我们选择了加拿大Optech公司的ALTM3100。基于30年的LIDAR生产经验,新一代的ALTM-3100采样频率高达100 kHz,1200 m航高以下高程精度达到0.15 m,平面精度可以达到航高的1/3000,能够满足设计需求。


  2.2 航摄高度和飞行时间的选择

  LIDAR数据的精度与航摄高度有关,本摄区航摄的目的是为1∶500基础测绘数字产品提供高程数据,为确保测绘成果的质量,根据现行相关技术标准的规定和ALTM-3100的性能规格,以及飞机性能和摄区对航高的约束条件,设计飞行高度为800 m。

  LIDAR系统是一个先进的主动传感系统,它不依赖太阳光照,所以在获取地面三维信息时可以考虑夜航。飞行作业中,需根据测区内实际星历数据情况,选择避开GPS信号较弱时段。为了避免植被,尤其是农作物对真实地面的干扰,建议选择秋冬季节进行航飞。所以测区的航摄时间选择在当年10月至次年1月间,并且增加了夜航。


  2.3 LIDAR数据的获取

  该1∶500地形测量项目共涉及飞行11个架次,其中1个架次为检校场飞行,用于ALTM-3100系统检校,其他10个架次为测区航摄飞行。全测区面积810 km2,航线总计81条,总长2613.5 km2,飞行高度800 m,有效飞行时间为29小时30分。激光扫描仪脉冲频率100 kHz,扫描频率43 Hz,扫描角度21°,旁向重叠率30%,激光点地面点间距0.52 m。


  2.4 LIDAR数据的处理

  LIDAR航摄飞行结束后,要尽快对航飞数据进行有效性评价,决定是否需要补飞或重飞,进而解算激光点数据,并进行分类处理。


  2.4.1 LIDAR数据处理流程

  原始数据解码:原始采集的激光数据与POS数据(定位定向数据,包括DGPS数据和IMU数据)需要进行解码,从而获得GPS文件,IMU文件,激光点文件等;POS数据处理:机载POS与地面基站GPS进行差分和融合,获得精确坐标;激光数据处理:处理后的POS数据与激光点数据融合,获得地面坐标;输出激光点文件。


  2.4.2 LIDAR数据处理说明

  解算原则,方法:实际解算,采用多边形范围输出,以单条航线存储为一个激光点文件;坐标系统,采用WGS84椭球,UTM投影坐标系;POS处理说明:处理基站时,使用某市所在省份的GPS控制网,并同时保证机场附近架设一个基站,由观测手簿获得基站坐标及天线高;使用基站时,尽可能多的使用离测区范围最近的所有基站。航带重叠处理:航线与航线之间重叠的部分,根据航线,将重叠部分的数据划分出去,减小数据量。


  2.4.3 LIDAR数据分类处理

  LIDAR数据包括很多类型,例如房屋建筑、植被、水体、地表、管线等,如果要提取DTM(Digital Terrain Model,数字地形模型),就必须将非地表类型点和地表点分离开,也就是要进行数据分类。目前基于LIDAR数据点滤波的方法绝大部分都是基于三维激光数据脚点的高程突变等信息进行的,概括来讲主要有移动窗口法,迭代线性最小二乘内插法,基于地形坡度滤波和移动曲面拟合法等几种。


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