国产LC—3500机载LIDAR系统在海岸潮间带测绘应用

欧阳志兵

摘要：近年来海洋地位和作用愈发重要，海洋也同时展示了其潜力和活力。海岸潮间带作为海岸向海洋延伸的最近近海区域，其区域的地理空间信息更新和获取显得尤为重要。海岸潮间带数据的获取方法已经成为形势下一個热点研究课题，将机载激光雷达技术运用在海岸潮间带的测绘应用中已经成为热门。本文以国产LC-3500机载LIDAR系统在山东潍坊港潮间带进行航摄作业为例。

Abstract：： In recent years， the status and role of the ocean are becoming more and more important， and the ocean has also shown its potential and vitality. The coastal intertidal zone， as the nearest coastal area extending from the coast to the ocean， is particularly important for the renewal and acquisition of geographical spatial information in its region. The data acquisition method of coastal intertidal zone has become a hot research topic in the current situation. The application of airborne lidar technology in the coastal intertidal zone has become a hot topic. In this paper， the domestic LC-3500 airborne LIDAR system is used as an example to carry out aerial photography in the intertidal zone of Weifang port in Shandong.

关键词： LC-3500；机载LIDAR；数据采集；数据预处理；潮间带

Key words： LC-3500；airborne LIDAR；data collection；data preprocessing；intertidal zone

中图分类号：P237 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）18-0153-05

0 引言

随着科学技术的进步和海洋世纪的到来，人类对海岸带区域的开发和利用程度空前高涨，然而，海岸带的开发利用、环境保护、评价预报、防灾减灾、综合管理等工作都必须有足够的、准确的海岸带监测资料、数据与信息，否则海岸带的一切活动将无法科学、合理地开展。潮间带是指大潮期的最高潮位和大潮期的最低潮位间的海岸，也就是海水涨至最高时所淹没的地方开始至潮水退到最低时露出水面的范围，通常也称为海涂。海岸潮间带作为海岸向海洋延伸的最近近海区域，其区域的地理空间信息获取现势行显得尤为重要。近年来一些学者开始研究将机载激光雷达技术运用在海岸带的测绘应用中，作为取代或补充传统的实地测量和传统航空摄影测量作业方式。

激光雷达（LIDAR）相关产业整体每年以近24%的速度增长，星载，机载，地面激光雷达不断涌现。[1]在市场对国产设备的极大呼吁下，以及国内相关研究单位的努力下，国产技术和装备研究取得突出成就，并迅速占领一定市场份额。

1 国产机载LiDAR系统（LC-3500）简介

LC-3500机载激光雷达系统集成激光技术、摄影测量技术、惯性测量单元和DGPS差分定于一体，是安装在飞机上的机载激光探测和测距系统，该系统可量测地面物体的三维坐标，其在三维空间信息实时获取方面的重大突破，为获取高时空分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段。

系统具有：关键器件国产化：售后服务及时、快捷；自研飞行管理系统，后处理软件完善：提供全面的系统解决方案和标准的数据接口；系统组件模块化：安装拆卸灵活，使用方便；系统配置可选择：按需选择不同型号的IMU和相机；作业效率高：扫描视场角70°，覆盖航带宽度大；作业方式灵活多样：设备在大飞机上可用有人操作模式，设备在小飞机上采用无人操作模式等系统优势。

1.1 LC-3500定位原理

本系统激光测距采用脉冲式测距，激光发射器发出一束激光打到物体上并反射回来，激光接收器收到这束激光，期间计时器测量得到此激光往返过程时间，由于光速为已知，从而得到激光器到物体的距离。此激光测距模式称为脉冲式测距，公式如下：

式中，ρ为激光发射点到反射点之间的几何距离；c为光速；t为激光脉冲往返时间。[2]

惯性测量单元记录飞机飞行过程中的飞机姿态及姿态变化；安装在飞机上的GPS接收机动态记录飞机位置，之后通过与地面架设的基站进行联合差分解算，求出飞机上GPS接收机天线位置，通过量取天线与激光发射器之间的杆臂值，通过转换得到激光发射器的位置坐标。联合激光测距、惯性测量单元记录的姿态信息和DGPS测算的轨迹信息，最终可以确定每个激光反射点的三维坐标信息。机载激光雷达对地定为原理如图1所示。

1.2 系统集成

由于系统集成完全自主化，LC-3500在系统集成时可以按需求搭配不同的设备模块，选配不同型号的IMU、相机和稳点平台安装于不同飞行平台，完成要求不同的数据获取项目。

莱州湾潮间带雷达数据获取项目中，集成选配AP-3500激光雷达系统、哈苏单镜头数码航摄相机和国产POS2010小型化位置姿态测量装置，配合减震平台安装于运-5飞行平台上，安装集成如图2所示。

2 LC-3500数据采集与预处理

2.1 研究区域概况

项目为山东潍坊港潮间带航摄。潍坊港于山东半岛中部，位于渤海“金项链”莱州湾南岸，现为国家一类开放口岸，区位优越，交通便利，拥有海岸线140公里。航摄区域位于潍坊港海岸线南岸，西起东营市羊口镇，东至莱州市沙河镇，北至潍坊港潮间带及附近海域，南至潍坊市。航摄区域面积225.09平方公里，海拔高度为-1～1m。处于北温带季风区，背陆面海，气候属暖温带季风型半湿润大陆型。其特点为：冬冷夏热，四季分明；春季风多雨少；夏季炎热多雨，温高湿大；秋季天高气爽，晚秋多干旱；冬季干冷，寒风频吹。年平均气温12.3℃，年平均降水量在650毫米左右。测区潮间带年平均风速6～7m/s。

2.2 数据采集与预处理

由于潮汐涨落的原因，在既保留足够的航飞时间的同时又尽可能多地获取滩涂地形数据，就成为使用LiDAR 手段进行滩涂测量的一个难题。选择飞行窗口时需重点参照海事服务网所提供的测区所属的潍坊港潮汐时间表来考虑潮汐影响，航摄时海水面应低于1985国家高程基准面0m。如图3，在最低潮左右1～1.5小时内时间内为理想航摄可航摄潮汐窗口，最后综合天气预报、空域申请、潮汐预报制定飞行计划。分析测区所在潍坊港潮汐时间，实际航摄过程中拟将测区分为两部分，第一部分为航线在潮间带部分，第二部分为航线在内陆部分，最高潮到最低潮的时间间隔约为6小时，高潮持续时间约为1小时，因此符合低潮期航摄要求的时间大致为最低潮前1小时到最低潮后2小时（参照高潮持续时间可得出低潮持续时间也大致为1小时），这3个小时是符合低潮期航摄的最佳时间。

2.2.1 数据采集

在进行航摄作业前需完成航摄准备工作，包括如图4内容。

1）测区规划以及检校场选址：将测区范围导入到Google Earth中，依测区形状、高差变化进行分区，并选择“人”字型房屋屋脊线与平直马路平行的检校场场址，这样可以减少飞行航线，提高检校效率，检校场示意图见图5。[3]

2）航线设计：在自研WinNav飞行主控管理软件（包括航线设计功能）中输入航线设计参数即可，如图6，航线设计同时应遵循安全、经济、高效和周密原则。

航线设计参数计算：

按要求，此次摄影获取的影像用于制作成图比例尺为1：10000比例尺的数字产品（DEM、DLG、DOM），要求航空影像的地面分辨率（GSD）应为50cm。设计2000m飞行参数如表1。

3）基站架设选点：为保证轨迹解算精度基站选址应在测区30km内并且遵循GPS基站布设原则；

4）空域申请、天气预报查询：空域申请按照航飞权办理流程进行，申请空域需与天气情况密切配合，申请天气较好时段进行作业，以保证影像数据质量。

数据获取与数据检查阶段包括：设备安装与测试、基站架设与配合、数据采集飞行要求以及数据检查与备份，并完成飞行记录报告。具体内容如图8。

1）将设备安装于飞行平台，连接线路，检查线路连接是否准确，量取记录杆臂值，在飞行前30分钟打开地面基站，开启POS设备静止一般5～10分钟等待POS进入状态，打开设备电源开关和控制笔记本，对设备进行仿真模拟测试（每个飞行作业架次前进行仿真模拟测试），检查设备工作是否正常，确保测试数据为正常再进行航飞作业。

2）确保空域与天气满足飞行作业，与机长沟通飞行任务和要求，和机组人员保持联系，得到飞行通知，及时进场准备，不可错过良佳作业时间。

3）飞行要求：在飞到测区上空作业高度，进入航线前，按“8”字形飞行，然后平飞5分钟，作业结束退出作业区前，再“8”字形飞行，平飞5分钟，以保证IMU精度满足要求；盘旋转弯坡度<22°，最好在15°到20°之间；航线上飞行姿态要求Roll（侧滚角）<5°、Pitch（俯仰角）<5°、Heading（航向角）<20°。[4]

4）数据检查与备份：在架次数据获取结束后，及时检查POS数据、影像数据、点云文件和基站数据是否正常，按日期与飞行架次备份数据。

5）填写飞行记录表：飞行记录是后期检查和整理数据的依据，按实际情况记录飞行记录表。

2.2.2 数据预处理

本文以AP3500+POS2010激光点云数据预处理为例，主要过程为航线轨迹解算、安置角检校与点云数据解算、点云精度验证。如图9所示。

1）轨迹解算。

运用组合导航后处理软件Inertial Explorer进行轨迹解算，后处理步骤主要有原始数据转换、GNSS解算、GPS/INS组合解算、解算平滑、输出结果。如图10所示。

2）安置角误差改正。

机载LiDAR系统由多个部件集成而成，在系统集成过程中，由于激光坐标系与IMU本体坐标系三轴不可能实现绝对平行，三轴之间个存在一个微小的夹角（横滚角（Roll）、俯仰角（Pitch）和航向角（Heading）），且两个坐标轴中心之间存在一定的偏移，称为偏心量（X、Y、Z），偏心角于偏心距的存在将引入系统误差。对于系统误差检校，采用基于特征地物分离安置角误差的分步几何检校方法，这些特征地物包括尖顶房与平直公路。[5]

检校方法如下所示：

首先检校横滚安置角。如图11所示，利用两条与平直公路垂直的往返航线CD和DC，将往返点云导入到TerraScan里，沿道路方向取點云的剖面。由于横滚安置角的存在，会得到两条相交的直线，其夹角的一半即为横滚安置角。将激光脚点坐标加入此横滚安置角改正，再取剖面，若两直线不相交，则继续迭代求解横滚安置角，直至两直线重合为止。[6]

将最终的横滚安置角引入到激光脚点坐标后，可以进行俯仰安置角检校。同样利用往返航线CD和DC，保证这两条航线经过尖顶房正上方，并且与尖顶房的屋脊线垂直。将点云导入到TerraScan里，沿垂直于屋脊线方向在屋脊中间处切一断面，可以看到两个屋脊线的顶点在水平方向上存在明显的位移，由此便可求解俯仰安置角△p=D/（2H），其中D为位移量，H为相对航高。同样利用迭代法得到最终的俯仰安置角，并引入到激光脚点坐标。[7]（图12）

最后检校航向安置角。航向安置角的检校也是利用尖顶房，但要借助垂直于屋脊线且沿相同方向飞行的两条航线AB和DC。同样在点云中沿垂直于屋脊线方向在屋脊中间处切一断面，也可以看到两条航线中的房顶有偏移。航向安置角△H=D/S，其中D为偏移量，S为AB与DC的航线间距，迭代求解，对激光脚点坐标加以改正。[8]

3）测区点云数据解算。

在安置角检校完成后，将得到的三个角度运用到UI-AP点云解算软件中，将初始数据“IMP”文件转换成“.las”点云数据格式。点云数据解算即将点云数据进行坐标转换，主要工作为导航数据与点云数据融合，坐标转换顺序是：瞬时激光束坐标系→激光扫描参考坐标系→载体坐标系→惯性平台参考坐标系→当地水平参考坐标系→当地垂直参考坐标系→WGS-84坐标系→目标坐標系。此转换过程在UI-AP点云解算软件下进行。

将解算所得点云数据稀疏10倍加载到TerraScan软件中，效果如图13。

3 点云精度分析

在得到机载LiDAR点云数据后，最关心的是点云数据精度是否符合项目要求又能否满足后期的数据应用和数据分析。为此需要对点云精度进行评价，点云数据高程精度应使用野外控制点数据进行检查，其高程中误差应不大于表2的要求。

在植被覆盖密集区域、反射率较低区域（如水域、光滑表面等易形成镜面反射的区域）等特殊困难地区，点云数据高程中误差在表2基础上可放宽0.5倍。

获取激光点云数据高程精度的方法是在测区布设一系列GPS测量点，将实测GPS点与激光点云在TerraScan软件中进行比较，操作步骤为“tool”→“Output control report”→选择测区实测GPS数据（如图14），得到实测GPS点与激光点云的高程误差结果（如图15）。对得到点云数据高程方向的均方根误差Root mean square=0.094m。点云数据高程中误差满足1：10000比例尺点云数据高程精度要求。

4 结束语

本文以国产LC-3500机载LIDAR系统在山东潍坊港潮间带进行航摄作业为例。对系统数据采集与数据预处理方法做出研究和总结，并且激光点云在TerraScan软件中与实测GPS点进行精度验证，得到点云高程精度满足项目要求。

参考文献：

[1]李德仁.第四届激光雷达大会.[R].武汉，2017.

[2]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉大学出版社，2007.

[3]左建章，关艳玲，李军杰.高精度轻小型航空遥感系统集成与实现[M].测绘出版社，2014.

[4]李志杰，李军杰，关艳玲，等.国产机载LiDAR系统SW-LiDAR的研制[J].测绘科学，2014，39（4）：110-114.

[5]索效荣，王丽英.机载LiDAR系统定位方程、误差分析与精度评定[J].测绘科学，2011，36（4）：114-117.

[6]谢劭峰，刘田龙.国产机载LiDAR系统安置角误差检校方案研究[J].测绘与空间地理信息，2016，39（6）：50-55.

[7]刘田龙，谢劭峰，常虹，等.国产SW-LiDAR系统集成误差检校方法研究[J].地理信息世界，2015（1）：82-85.

[8]梁作前，马浩，关艳玲，等.机载LiDAR系统安置角误差的检校方法[J].测绘科学，2013，38（4）：125-127.