Trimble机载LiDAR系统—Harrier技术原理及其应用

Trimble机载LiDAR系统—Harrier技术原理及其应用摘要：机载LIDAR是一种无需任何或仅需少量的地面控制点的安装在飞机上的激光探测和测距系统，用于获得高精度、高密度的三维坐标数据，并构建目标物的三维立体模型。LIDAR具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短等特点，为获取高分辨率地球空间信息，可提供一种全新的技术手段。本文详细介绍了Trimble机载LiDAR系统——Harrier的组成、工作原理、性能特点及其应用。关键词：机载LiDAR；定位定姿系统（POS）；三维建模；DEM1.引言随着空间数据应用领域的不断扩大，对获取准确可靠空间数据的要求也越来越高。传统的摄影测量因为生产周期长、费用高、效率低、高程点获取的密度低，已不适应当前信息社会的需要。而能够精确、快速地获取地面三维数据的机载激光雷达作为一种经济可靠的技术随之孕育而生。机载激光雷达（AirborneLightDetectionandRanging,简称机载LiDAR）源自1970年，美国国家航空航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem,GPS）及惯性导航系统（InertialNavigationSystem,INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国斯图加特（Stuttgart）大学在1988年到1993年间研制的空载激光雷达测量系统（Ackermann–19），该系统成功地将激光雷达技术与即时定位定姿系统结合。机载激光雷达集激光、全球定位系统和惯性导航系统三种技术于一身，它将激光扫描仪、GPS接收机、惯性导航系统、数码相机及控制元件等搭载在载体飞机上，通过主动向目标地表发射激光脉冲获取地表的三维信息，突破了传统航空摄影测量被动成像的局限性，从系统研制开发成功后即得到迅速发展，现已成为21世纪具有极大应用前景的空间信息获取技术。2.Trimble机载LiDAR系统——Harrier的组成Harrier系列机载激光雷达系统是Trimble公司自行研制的新一代航空测图系统，该系统采用模块化设计，安装拆卸简单、方便，既可以安装在直升机上，也可以安装在固定翼飞机上。该系统中的激光雷达扫描仪获取的点云数据通过计算机软件处理生成三维立体模型，加上数码航空相机系统获得的高清晰数字图像，能够快速生产高精度的正射影像图，由此能够建立各种动态的、精确的三维虚拟空间，广泛应用于数字城市建设、数字安全防范、地形地理测绘、数字水利、抗洪救灾、海洋管理与开发、数字森林、环境生态监测、地质学、农业、旅游及野外考察、考古、电力系统、公路、铁路、无线通信设施的布局设计和管理以及国防应用等领域。Trimble机载LiDAR系统——Harrier由硬件与软件两部分组成。（1）硬件激光雷达扫描仪（LiDAR）与航空数字相机全球导航卫星系统（GNSS）+惯性导航的定位定姿系统——POSAV飞行管理系统工业化计算机系统数据存储与备份系统图1机载LiDAR系统——Harrier硬件模块（2）软件数据采集控制软件：1）飞行管理系统软件：2）POS系统控制软件：POSAVController3）航空摄影测量软件包：外方位定向模块；相机校验软件（包括视准轴校验）4）点云数据预处理软件：RiAnalyze数据后期处理软件：1）定位定姿（POS）数据处理软件：POSPacMMSforAir2）激光点云数据与图像数据处理与成果数据生成软件：TrimbleTopPIT、TrimbleINPHO3.Trimble机载LiDAR系统——Harrier系统工作原理地球的表面以及覆盖其上的目标，譬如植被、建筑物等都可以对电磁波产生反射。LiDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射离散的激光脉冲，打在物体上并反射，最终被接收器所接收。接收器准确地测量激光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为激光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。这种直接距离测量方法是基于短波电子信号在一个均匀的介质层内(即空气)，以恒定的速度直线传播，并且在不同的介质分界面(地球表面)被反射回来。其一般原理可以简单描述为：C=C。／n(1)其中，C。为真空光速，n为介质，即空气折射率从激光发射器发出的激光光束到达地面并被反射后，被激光器上的接收单元接收和记录。一般把从发射到接收这段时间称为运行时间t，这个时间参数t与光束的出发点和地面之间的双倍距离R成正比，由此可以计算出此距离：R=t×c／2(2)通过DGPS（或PPP）和IMU求得航迹线上任意采样时刻激光发射中心的空间坐标和设备的空间姿态，内插后能够获取任意时刻激光光束的姿态和发射中心的空间坐标，通过激光测量激光发射中心到地面的距离R，可以求得每一个激光脚点的空间三维坐标。另外，利用DGPS/IMU可以直接获取每一张照片的外方位元素，可以快速制作DOM成果。最后将激光点云数据和数字影像进行联合处理得到高精度的正射影像和数字高程模型。图2机载LiDAR系统——Harrier工作原理示意图4.TrimbleHarrier系统性能与技术特点（1）主动测量方式，不受阴影和太阳高度角影响。LiDAR技术以主动测量方式采用激光测距方法，不依赖自然光；而因受太阳高度角、植被、山岭等影响传统航测方式无能为力的阴影地区，LiDAR在其获取数据的精度完全不受影响。（2）高便捷，人工野外作业量很少。与传统航测相比，地面控制工作大大减少，基本可以不需要实现埋设控制点进行控制测量，只需在测区附近地面已知点上安置一个或几个GPS基准站即可，可以大大提高作业速度和效率。（3）高精度，所得产品的精度很高。数据成果精度很高，根据机载LiDAR设备技术指标的差异而有所不同，机载LIDAR系统数据采集后的平面精度可达0.1～0.3米，高程精度15厘米。（4）高密集，激光点云数据采集密度很高。一般每平方米1～10个激光点，数据可达到很高的密度，高密度的点云数据能够真实反映地形地貌。（5）高效率，前期采集到后期成果快速。飞行方案的设计以及后期成果制作大多由软件自动完成，从前期数据的获取到后期数据成果的生成快速高效。（6）高分辨率。数字相机采用前移补偿技术（FMC），配备不同焦距的镜头，能快速同步获取高清晰的数字影像数据。（7）高数据成果效率，产品丰富。采集获得的数据可以获得多种成果：DSM、DTM、DEM、DOM、DLG、CIR专题图、三维模型等。（8）植被穿透能力强。激光波长短(一般在800～1600nm)，能够穿透植被叶冠到达地表。激光探测具有多次回波的特性激光脉冲在穿越植被空隙时，可返回树冠、树枝、地面等多个高程数据，有效克服植被影响，更精确探测地面真实地形。（9）可以对危险及困难地区安全地实施远距离测量、高精度三维测量。5.TrimbleHarrier系统数据处理流程Harrier系统所采集的数据有三部分：定位定姿（POS）数据、数字图像数据、激光点云数据，另外还有在地面已知点架设的基站所采集的数据。首先是将定位定姿数据与基站数据通过POSPac软件解算处理得到最佳平滑航迹线数据（即飞机飞行过程中的动态位姿信息、时间信息等），然后通过TrimbleTopPIT或INPHO等软件对激光点云数据与数字图像数据进行解算处理，等到具有实际地理坐标的图像数据与点云数据。具体的数据处理流程如下图所示。图3Harrier系统数据处理流程图6.TrimbleHarrier系统的应用6.1数字城市数字城市是21世纪以来,很多地方正在力争构建的信息化目标。空间信息作为数字城市的基础框架和平台，是构建数字城市的重要研究课题。Harrier系统可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像，提供了构建数字城市最宝贵的空间信息资源，因此Harrier系统是数字城市建设的重要技术力量。数字城市还需要构建高精度、真三维、可量测、具有真实感的城市三维模型作为管理城市的虚拟平台。但是采用传统技术,进行城市三维建模是精雕细琢的工艺，工作量很大，效率非常低，而且效果并不好，影响了数字城市服务面的宽度和深度。利用机载LiDAR技术对地面建筑物进行空中激光扫描或地面多角度激光扫描，可以快速获取目标高密度高精度的三维点坐标，在软件支持下对点云数据进行模型构建和纹理映射，很方便地构建大面积的城市三维模型。并可以实施快速动态更新，为数字城市建设基础数据源的持续性、历史性提供了确实的保障。图4城市数字表面模型（DSM）图5城市主体三维场景与精细三维场景6.2交通在公路、铁路勘察设计过程中，基于激光数据和正射影像图制作生成1：500、1：1000、1：2000等各种比例尺的数字线划图，为工程方案的选比和公路、铁路测设提供必要的基础数据，满足施工图、桥隧工点图等专题图的需要。通过激光点云数据也可以生成数字高程模型（DEM），自动提取任意区域的纵横断面数据，大大提高设计的效率，缩短设计工期。图6公路数字高程模型（DEM）图7数字高程模型（DEM）叠加正射影像的三维景观图图8数字高程模型（DEM）断面显示6.3电力行业Harrier系统在电力行业的应用主要在以下两个方面：1.电力选线设计传统的电力选线设计是在在传统的设计方法中是以中、小比例尺地形图为基础进行粗选，在粗选的基础上利用现势的航空像片进行摄影测量处理来达到细化、优化方案的目的。但成图时间较早的地形图缺乏现势性，不能反映设计时的地面现状，而且不直观，图幅的大小有限，使得设计人员只能在沿线路约30km宽的范围内寻找最优线路。而通过Harrier系统获取的成果数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素情况。在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。对线路路径设计、杆塔设计等多方面的严格控制和优化。从数据获取及处理、初步设计、优化设计、终勘定位、三维模拟、运营维护管理等方面能建立一体化的、三维可视化的系统性技术体系和支撑平台。图9电力选线区域剔除植被前（左图）与植被剔除后（右图）的数字高程模型（DEM）2.电力巡线传统的电力巡线主要是采用直升机巡检和人工目视判读的方法及时发现超高压电力线路潜在的危险，从而为超高压电力线的维护和安全运行提供保障。人工方法巡线人员劳动强度大、效率低，在高压线路检查时存在危险，并且对于穿越荒山野岭、深沟峡谷的线路无能为力。而采用直升机巡线提高了效率，突破了复杂地形对巡线的局限性，但是空间定位精度不高，很难确定线路与走廊地物的空间关系。采用Harrier系统巡线具有很多优势：(1)空间定位精度高，能精确探测电力线的位置；(2)能清晰看到线路走廊内地物与线路的空间关系；(3)能够精确测量线路间、线路与地面、线路与邻近植被的距离；(4)数据获取速度快、精度高。图10超高压电力线激光点云数据图11电力线距地面、植被的空间距离量测6.4石油行业机载LiDAR系统用于石油勘探开发与油气管线监测，已经取得了明显的效果，尤其对森林和山区等高程难以通过GPS和常规测量获取的地区，利用LIDAR技术可以避免大规模砍伐森林，节约勘探成本，减少对环境的破坏。同时LIDAR利用多次回波可测量植被高度，获得真实的数字地面模型。LIDAR数字地面模型用于石油勘探和油田的开发建设，已成为物探公司和油气公司接受并获益的手段，有着广泛的应用前景。另外机载LiDAR系统对于既有油气管线的测绘以及油气泄漏对周边环境影响的动态监测都能发挥重要的作用。图12加拿大石油管线植被滤波前后的DEM6.5森林资源调查与植被分析根据机载LiDAR系统—Harrier获取的数据，分析森林树木的覆盖率和覆盖面积，了解树木的疏密程度，年长树木的覆盖面积和年幼树木覆盖面积。便于人们在茂盛森林中适当砍伐树木，在林木稀疏或无植被区域进行树木种植。另外，通过机载LiDAR数据可以概算出森林占地面积和树木的平均高度，及木材量的多少，便于相关部门进行宏观调控。图13不同模型下树高显示及3D影像图6.6水利项目机载LiDAR技术对于河流监控与治理有着极其重要的意义。机载LiDAR数据构成的三角网高程值可以用某