无人机载激光LiDAR在植被覆盖区大比例尺地形测绘中的应用分析

2019-04-22郝长春安徽省水利水电勘测设计院勘测分院安徽蚌埠233000

安徽建筑 2019年3期

郝长春（安徽省水利水电勘测设计院勘测分院，安徽蚌埠 233000）

1 引言

机载激光雷达测绘系统(airborne laser mapping,简称ALM)是20世纪70年代发展起来的一种新兴的测绘技术，是继摄影测量之后遥感领域一场新的技术革命。几十年来该方法作为快速、高密度、高精度地获取地表三维空间信息的测量手段[1]，已经广泛应用在基础测绘、水利工程、林业、铁路、电力、城市三维建模等领域。本文着重从技术应用的角度论述该系统的原理、组成、特点，并从实际应用的角度对该方法在大比例尺测绘中的可行性进行分析。

2 机载激光雷达测量测量系统

激光雷达测量系统作为一种新兴的测绘手段，具有传统摄影测量无法比拟的优势。该系统能够全天候作业，不需要大量的地面控制点，不受阴影和植被覆盖的影响，单位面积上能获得大量的空间三维地表信息[1]，还可以同步获取地面的数字影像和摄影中心的三维坐标，非常适合植被茂密地区、沙漠、戈壁、污染地区及人类无法到达的地区。

2.1 激光雷达测量的原理

激光是物质在受到激发的状态下产生的一种辐射波，具有很好的直线性、单色性、定向性、相干性和不易散射等特点，激光雷达 (Light Detection And Ranging,简称LiDAR)就是基于激光的这些特性而研制的一种测量手段。激光雷达是由发射端、接收端、数据信号处理端以及配套的软件组成，按照工作方式的不同分为脉冲式和连续波式[2]，其中脉冲式是机载激光雷达测量系统中常用的方式。在测量的过程中，首先由发射端向目标发射激光束，然后由接收端接收目标反射的激光束，数据信号处理端记录激光束由被发射到被接收的总时间T。假设激光雷达发射端到被测目标的距离为D，激光在空气中的传播速度为一定值C，则激光雷达发射端到目标的距离可用下式表示：

再结合GPS提供的激光器的位置、惯性导航INS提供的姿态参数、激光的扫描角度以及激光器的高度，便可以精确的计算出地面上每个激光点的坐标。

2.2 机载激光雷达测量系统的组成

机载激光雷达测量系统主要由3D激光扫描仪(Scanner)、全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(INS)、高分辨率的数码相机及扫描控制装置等组成[3]。通过获得的地表点云数据和数码影像可以制作DEM、DOM、DSM、DLG产品[4]以及地表的真三维影像。

3D激光扫描仪(Scanner)作为机载激光雷达测量系统的核心构成，主要用于测量激光发射器到目标之间的距离，采用主动模式获取地面的三维点云数据并且无需合作标志。目前机载激光雷达大多采用的是大功率、高频率的脉冲激光，其测距的精度达到厘米级，甚至毫米级。

全球定位系统(GPS)主要用于获取激光雷达测量系统任意时刻在测量坐标系中精确的空间位置（X、Y、Z）。目前采用的主要定位模式是GPS动态差分模式，即GPS-RTK，该模式定位速度快、定位精度高，在CORS系统的支持下还可以摆脱单机站在距离上的限制，大大提高了作业效率。

惯性导航系统(INS)主要用来确定激光雷达测量系统在空中的瞬时姿态。主要包括飞机的航向角、侧滚角和仰俯角，这些参数主要用于计算激光点在目标上的三维坐标。

数码相机或者CCD相机主要用来同步获取目标物体高分辨率的地面真彩或红外数字影像。通过影像的纠正、镶嵌生产彩色的正射影像，同时还可以作为三维景观制作的纹理数据，或辅助目标进行分类识别，为数据的后续处理提供参考等。

扫描控制装置主要是通过改变激光传播的路径实现激光雷达由单点测量转换为线型测量或面域测量，以实现将激光雷达测量技术真正地应用到实际作业中。目前在实际应用中主要有4种装置，分别是旋转多棱镜式、钟摆式、光纤扫描式和章动式，其中多棱镜式和钟摆式是机载激光雷达测量系统在低空测绘中应用较多的。

2.3 激光雷达测量系统的特点[5]

①该系统是一种主动式直接测量系统；

②穿透能力强，能穿透植被的叶冠，到达地面；

③在作业过程中基本不需要地面控制点，基本不需要现场采集像控点；

④该系统能保证24h全天候作业；

⑤地面坐标的绝对精度高，优于0.3m；

⑥测量的点阵数据密集，每平方米达30个点；

⑦能够快速的采集地面点的坐标和高程数据；

⑧该系统不仅能测量地面点而且还可以测量一定深度的水下地形点。

但是，激光在特定天气条件下会受到一定的影响。在大雨、大雾、浓烟等环境条件下激光的衰减较快，传播距离受限[6]。

3 激光雷达测量技术在地形测绘中的应用与分析

3.1 工程简介

根据工程的需要，对某水生态园进行1∶500地形测绘。该测区地形复杂，有池塘、沟渠、道路、房屋、水田、旱地及山地，植被茂密。采用传统测量方式费时费力，效率低；因植被覆盖率高，使得无人航空摄影测量无计可施。为了满足工程要求，拟采用中测瑞格的HawkScan600无人机机载激光雷达测绘系统，该系统为无人机机载高精度低空测绘系统，采用的是RIGEL VUX-1UAV激光扫描仪，激光的最大发射频率为550kHZ。在地表反射率不低于60%的情况下，测距可达920m以上，测距的精度达到15mm；最大视场角330°，每平方米点的数量可达30个。

3.2 数据采集流程[5]

①设备安装。包括无人机、激光雷达、地面站及GPS基站的安装与架设。

②航线规划。在测区范围、地形地貌、续航时间、测区面积等条件下，为了更好的发挥设备的工作效率，需要对飞行高度、飞行速度、激光的发射频率等参数进行设置，并布置合理的航线和飞行架次，选择合适的起降点。

③数据采集。

④数据后处理。

数据后处理就是把外业采集的激光原始数据、GNSS原始数据、地面站数据及IMU数据融合在一起，生成坐标系统和高程基准都满足工程要求的点云数据。

⑤数据分类

生成的点云数据成果数量庞大、几乎包含所有的地形地物信息。为了从中获取所需要的地表信息，需要对点云数据做进一步的处理，即分类处理。根据这些海量点之间的相互关系，通过算法将他们有序的分离开，形成不同的点类集群，经过层层筛选，最终获取测区的地表点类。

3.3 精度分析

对该生态园进行激光扫描测量后，采用Terrasolid三维点云处理软件进行处理，共获取了529万个点。由于点云的位置精度主要依赖于GPS测量系统的精度，而GPS系统在测绘中获取的位置精度是非常可靠的，在这里仅对点云数据的高程精度与GPS差分定位的高程(本文作为地形点的理论高程值)进行对比分析，如表1。

高程误差分析及点位密度表2

由表2可知，在所有检核点中最大的高程误差为0.22m，平均误差小于0.1m，且均方差很小，表明被检核的点云数据误差相对稳定，没有出现分类异常的点。密林地区的点位误差相对疏林地区略大，但总体上平均高程误差都在0.1m以下。另外，裸露地表平均每平方米逾20个地表点，在疏林地区有近4个地表点，即使在植被覆盖繁密的林地，平均每平方米也有2.5个以上较为精确的地表点。由此可知，无论是激光点的数量还是地表点的高程，在平原地区和密林的山区，都能够满足1∶500测图精度的要求。