引言
目前,計(jì)算機(jī)信息及其它高新技術(shù)被廣泛應(yīng)用,數(shù)字立體攝影測(cè)量已經(jīng)成熟,相應(yīng)的軟件和數(shù)字立體測(cè)量工作站在生產(chǎn)部門(mén)逐漸普及,但是攝影測(cè)量工作目前存在生產(chǎn)模式周期過(guò)長(zhǎng)的弊端,不能滿(mǎn)足信息化社會(huì)及“數(shù)字地球”對(duì)測(cè)繪的要求。
LIDAR(LightDetectionandRanging)是近幾十年來(lái)攝影測(cè)量領(lǐng)域最具革新性的技術(shù)之一。LIDAR即光探測(cè)與測(cè)距,根據(jù)載體不同,可分為機(jī)載和地面激光雷達(dá)兩種模式,原理是通過(guò)激光打在物體上的返回信號(hào)進(jìn)行三維坐標(biāo)的測(cè)量,應(yīng)用GPS(GlobalPositionSystem)、慣導(dǎo)(IMU,InertialMeasurementUnit)裝置測(cè)定飛機(jī)的飛行姿態(tài)、空間位置、時(shí)間,生成LIDAR數(shù)據(jù)。LIDAR技術(shù)是GPS、慣性導(dǎo)航、激光測(cè)距等技術(shù)的集成應(yīng)用。
LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)某些軟件(TerraSolid、LID_MAS)的數(shù)據(jù)處理后,可生成具有高精度的帶狀地形斷面圖、數(shù)字地面模型、高壓輸電線(xiàn)路三維圖(包括鐵塔位置、懸垂線(xiàn)、環(huán)境地形)、等高線(xiàn)圖、房屋三維立體模型、正射影像圖(航空飛行時(shí)要配備數(shù)字相機(jī))等,可應(yīng)用于道路設(shè)計(jì)與擴(kuò)建、輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)與管理維護(hù)、三維建模、洪水等災(zāi)害防治、農(nóng)業(yè)監(jiān)控研究等領(lǐng)域。
目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家中,在高效率空間數(shù)據(jù)信息獲取方面,該技術(shù)已成為當(dāng)下研究熱點(diǎn),其應(yīng)用領(lǐng)域囊括了經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事、林業(yè)等多個(gè)方面。而我國(guó)關(guān)于該技術(shù)的研究及應(yīng)用仍處于起步階段,因此其數(shù)據(jù)處理方法及應(yīng)用還具有很大潛力。
1、LIDAR系統(tǒng)概述
機(jī)載LIDAR系統(tǒng)主要包括:①激光測(cè)距系統(tǒng),用于測(cè)量發(fā)射點(diǎn)與地面障礙物間的距離;②姿態(tài)測(cè)量裝置(IMU),用于測(cè)量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù);③動(dòng)態(tài)差分全球定位系統(tǒng)(DGPS),用于確定掃描投影中心的空間位置;④一套成像裝置,用于獲取對(duì)應(yīng)地面的彩色數(shù)碼影像,最終用來(lái)制作正射影像。
機(jī)載LIDAR的特點(diǎn)如下:①數(shù)據(jù)精度高。利用高精密的傳感工藝自動(dòng)采集目標(biāo)的表面與立體結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù),并根據(jù)高精度定位系統(tǒng)獲得較高的定位精度;②數(shù)據(jù)密度高。地表激光點(diǎn)的采集間隔可根據(jù)具體的工程需要來(lái)調(diào)節(jié),使得LIDAR數(shù)據(jù)可達(dá)到很高的密度;③時(shí)效性強(qiáng)。LIDAR的作業(yè)周期遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)攝影測(cè)量方式,其實(shí)用性更強(qiáng);④主動(dòng)測(cè)量??梢蕴幚韨鹘y(tǒng)測(cè)量方法無(wú)法或很難進(jìn)入的危險(xiǎn)地區(qū),并且仍能獲取較高精度的數(shù)據(jù)。
2、LIDAR數(shù)據(jù)處理
LIDAR數(shù)據(jù)一般以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ),有三維坐標(biāo)和強(qiáng)度信息。數(shù)據(jù)處理時(shí)是以三維的形式交互顯示,這與全數(shù)字數(shù)據(jù)采集、航空攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)處理方式不同,是一種全新的數(shù)據(jù)處理方式,但對(duì)作業(yè)員的要求不高。LIDAR數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量巨大,例如:2.79km2有700多萬(wàn)三維點(diǎn),裸地的地面點(diǎn)間隔約0.7m,有樹(shù)遮擋地面點(diǎn)間隔約1.4m,這樣的點(diǎn)密度是目前其它獲取手段所不能達(dá)到的,尤其在有大喬木遮蓋的林區(qū)更具有優(yōu)勢(shì)。另外,高精度的LIDAR數(shù)據(jù)采集方式,可以直接采集電力輸電線(xiàn)的數(shù)據(jù),可以直接生成高壓輸電線(xiàn)的懸鏈線(xiàn)空間三維圖,美國(guó)多用于對(duì)電力線(xiàn)的維護(hù)工作。
關(guān)于LIDAR技術(shù)國(guó)內(nèi)外一直在研究,直到精度能達(dá)到一定的水平才真正有它的使用價(jià)值。質(zhì)量較好的1∶500DLG圖中誤差在實(shí)地0.5m以?xún)?nèi);GPS的RTK技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速單點(diǎn)厘米級(jí)的定位精度;全數(shù)字攝影測(cè)量一般可以實(shí)現(xiàn)20cm矢量圖形的測(cè)繪工作;而目前的LIDAR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)只有極少控制點(diǎn)的大面積測(cè)量,精度可以達(dá)到實(shí)地15cm,可以直接獲取真三維的地球表面信息。
機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)處理的一般流程包括:①航飛采集激光掃描數(shù)據(jù)以及數(shù)碼影像和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,即確定航跡;②激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)處理,得到點(diǎn)云數(shù)據(jù);③對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)并分類(lèi)處理,經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、激光點(diǎn)濾波后,建立DEM,④進(jìn)行DOM制作。
2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)
三維激光掃描儀在很早之前就在醫(yī)學(xué)、文物保護(hù)、機(jī)械制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,數(shù)據(jù)處理使用的主要是點(diǎn)云處理技術(shù)。由于LIDAR技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)有范圍大的特點(diǎn),應(yīng)用點(diǎn)云技術(shù)處理數(shù)據(jù)與其它領(lǐng)域應(yīng)用有所不同。用LIDAR技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)有3種點(diǎn)云:①地表上的人工對(duì)象:主要有建筑物、電力設(shè)施等;②植被:主要有大的喬木和低矮灌木;③地表。
?。?)地表。可以生成三維地表模型,有如下3個(gè)特點(diǎn):①有高精度、高密度的地表特征點(diǎn),超越目前任何其它生成手段;②可以直接建模,具有任意精度,靈活多變;③可輸出文本,作為其它數(shù)據(jù)的基礎(chǔ),具有開(kāi)放性。
?。?)建筑物(房屋)??梢宰詣?dòng)生成房屋的頂部模型和紋理,生成粗三維模型。
?。?)高壓輸電線(xiàn)。對(duì)于高壓輸電線(xiàn),利用LIDAR技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)很有特點(diǎn),是目前其它設(shè)備難以獲得的。LIDAR數(shù)據(jù)可以表現(xiàn)出鐵塔的外形輪廓,能夠繪出鐵塔的位置和高壓線(xiàn)的懸垂線(xiàn)。在美國(guó)的生產(chǎn)實(shí)踐證明,高壓輸電線(xiàn)在夏天和荷載增加時(shí),高壓線(xiàn)與地面距離會(huì)變近,這不利于電線(xiàn)的安全。
?。?)高速公路。我國(guó)高速公路建設(shè)速度很快,在道路設(shè)計(jì)中LIDAR技術(shù)可以發(fā)揮作用。因?yàn)長(zhǎng)IDAR技術(shù)可以生成很密的三維數(shù)據(jù)點(diǎn),可以用來(lái)計(jì)算土石方量、破壞樹(shù)木植被量,并能清楚地摸清道路兩旁的環(huán)境。對(duì)于修路,在起伏比較大的地方較能顯示出LIDAR技術(shù)的優(yōu)勢(shì),因?yàn)檫@樣的成本相對(duì)較低。
2.2DEM建立
作為4D產(chǎn)品之一,DEM制作方法如下:①利用航空相片,使用全數(shù)字攝影測(cè)量的方法制作,優(yōu)點(diǎn)是直觀、速度較快,缺點(diǎn)是精度較差、有死角;②利用高程點(diǎn)和等高線(xiàn)等矢量地圖,通過(guò)軟件自動(dòng)生成,優(yōu)點(diǎn)是速度很快,缺點(diǎn)是受數(shù)據(jù)源精度的嚴(yán)重影響,往往需要人工干預(yù)和再處理;③利用儀器設(shè)備到野外實(shí)地采集,優(yōu)點(diǎn)是精度很高,但效率低下,不適合大面積作業(yè),只有在計(jì)算土方量時(shí)才使用;④利用LIDAR技術(shù)獲取離散點(diǎn)制作DEM。
LIDAR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):面積大、速度快、精度高;缺點(diǎn):?jiǎn)未稳蝿?wù)啟動(dòng)費(fèi)用大,且需要有空中飛行許可。
(1)面積大。激光掃描儀以每秒10萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的速度向地面發(fā)送信號(hào),飛機(jī)的航高不同,地面的掃描走廊也不同,一般幾十米到幾百米,是行高在400m時(shí),直升飛機(jī)的掃描走廊。說(shuō)明航向與飛行方向垂直,激光掃描儀的掃描軌跡以“之”字形前進(jìn)。
(2)速度快。通常采用固定翼飛機(jī)和直升飛機(jī)進(jìn)行LIDAR數(shù)據(jù)的飛行任務(wù),其數(shù)據(jù)采集的速度與普通的航飛相當(dāng)。但是,由于是主動(dòng)式的遙感,不需要等天氣,甚至可以夜間飛行,因而相對(duì)于常規(guī)的航飛任務(wù)而言,可以大大提高飛行效率,一般幾百平方公里的任務(wù),幾天就可以完成。數(shù)據(jù)的后期處理也非常迅速,在美國(guó),一個(gè)熟練的作業(yè)員,每平方公里的數(shù)據(jù)處理只要1個(gè)星期。
(3)精度高。由于是直接對(duì)地面進(jìn)行測(cè)量,只要不被正上空的物體遮擋,激光點(diǎn)都能直接打到地表,這樣激光點(diǎn)在地表的密度就非常大。特別是對(duì)于有樹(shù)木遮蓋的林區(qū),由于樹(shù)蔭和樹(shù)葉,用全數(shù)字航測(cè)的立體影像方法很難切準(zhǔn)地面或者根本不能看到地面,這種情況用LIDAR采集數(shù)據(jù)就特別有優(yōu)勢(shì)。前文提到,精度可以控制在15cm以?xún)?nèi),而且所有的點(diǎn)都可以參加構(gòu)成TIN。
一次飛行的啟動(dòng)費(fèi)用為航空攝影測(cè)量的缺點(diǎn),也正是該缺點(diǎn),使得將來(lái)的空間數(shù)據(jù)采集向兩個(gè)極端發(fā)展:一是大范圍、高自動(dòng)化的空中采集;二是小范圍、高精度的地面人工采集。在對(duì)城市的測(cè)量中,一般會(huì)兩種方式結(jié)合采用,以滿(mǎn)足宏觀和微觀的需要。
2.3DOM制作
用LIDAR技術(shù)獲得空間三維離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的同時(shí),如果安裝了數(shù)碼相機(jī),也能獲得數(shù)字影像,這種數(shù)字影像與DMC相機(jī)的影像在格式上完全相同,只是像幅較小。由于飛行時(shí)相機(jī)的快門(mén)與GPS的實(shí)時(shí)測(cè)量同時(shí)開(kāi)啟,因而獲得影像的重疊度比較大,有的地方可以達(dá)到90%以上的四度重疊。常規(guī)航空攝影用的膠片,如果是1∶8000的航片,0.021mm掃描,實(shí)地分辨率約為15cm,采用DMC數(shù)碼相機(jī),同樣是1∶8000,實(shí)地分辨率有7.2cm。由此可以看出,隨著航空攝影高度的降低和攝影比例尺的增大,獲得的影像圖的分辨率在不斷增加。對(duì)于伴隨LIDAR技術(shù)三維數(shù)據(jù)的影像,一般分辨率在10cm之內(nèi)。
用機(jī)載三維掃描儀的數(shù)據(jù)制作正射影像有以下幾個(gè)特點(diǎn):①生成速度快,可以生成真正射。通??梢宰詣?dòng)或半自動(dòng)選擇影像的連接點(diǎn),然后全自動(dòng)生成正射影像,通過(guò)人為引入建筑物的矢量數(shù)據(jù),直接生成真正射,這對(duì)制作三維大場(chǎng)景十分重要;②分辨率高,5cm/象元。在用LIDAR技術(shù)獲取數(shù)據(jù)時(shí),一般航飛的高度低于1000m,這樣拍攝的影像分辨率很大,可以控制在10cm之內(nèi),用分辨率為5cm的影像作三維場(chǎng)景的地表,基本上能夠滿(mǎn)足人們視覺(jué)上的需要;③絕對(duì)精度好。因?yàn)?a href='http://www.vcwshop.com/article/374.html' target='_blank' title='DEM'>DEM的精度好,所以DOM的精度也隨之提高,在技術(shù)層面上,所采用的方法與現(xiàn)在流行的糾正算法相同;④影像拼接較差,色彩過(guò)渡不好。
這是自動(dòng)制作DOM不可避免的缺點(diǎn)。雖然數(shù)據(jù)處理軟件可以自動(dòng)校正色差、亮度,但如果測(cè)區(qū)過(guò)大,并不能達(dá)到令人滿(mǎn)意的效果。若是在城區(qū),房屋影像的拼接也是一個(gè)問(wèn)題。
3、LIDAR技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用
LIDAR技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中,如林業(yè)、水利電力設(shè)計(jì)、交通設(shè)計(jì)規(guī)劃、城市規(guī)劃以及軍事等各大領(lǐng)域可得到廣泛應(yīng)用。
軍事應(yīng)用上,機(jī)載LIDAR在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、大氣探測(cè)、跟蹤及火控、水下探測(cè)、武器鑒定、指揮引導(dǎo)、障礙回避等多方面都可得到廣泛應(yīng)用。
林業(yè)管理上,可根據(jù)LIDAR數(shù)據(jù),分析森林植被的覆蓋率和覆蓋面積,掌握植被疏密程度、年長(zhǎng)樹(shù)木及年幼樹(shù)木各自覆蓋率,估算出森林總占地面積、樹(shù)木均高及木材量。這對(duì)人們的伐木及植樹(shù)事業(yè)具有一定的科學(xué)指導(dǎo)性意義,且便于相關(guān)部門(mén)進(jìn)行調(diào)控。
電力輸送上,可有效助力電網(wǎng)的布設(shè)與維護(hù)管理工作。在進(jìn)行電力線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí),通過(guò)LIDAR數(shù)據(jù)可以了解整個(gè)線(xiàn)路設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素情況。尤其是在樹(shù)木密集處,可以估算出需要砍伐樹(shù)木的面積和木材量。在進(jìn)行電力線(xiàn)搶修和維護(hù)時(shí),根據(jù)電力線(xiàn)路上的LIDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)和相應(yīng)的地面裸露點(diǎn)的高程可以測(cè)算出任意一處線(xiàn)路距離地面的高度,這樣便于搶修和維護(hù)。
交通管線(xiàn)設(shè)計(jì)上,LIDAR技術(shù)為公路、鐵路設(shè)計(jì)提供了高精度的地面高程模型DEM,以方便線(xiàn)路設(shè)計(jì)和施工土方量的精確計(jì)算。同樣,其在進(jìn)行通訊網(wǎng)絡(luò)、油管、氣管線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
數(shù)字城市項(xiàng)目上,將高精度的LIDAR數(shù)字地面模型DEM與GIS系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合,可以建立并完善“數(shù)字城市”系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。
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