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摘 要：机载激光雷达系统（Light Detection And Ranging，简称LIDAR） 集成了激光扫描仪、全球定位系统（GPS）、高精度惯导系统（IMU）、数码相机，具有同时采集三维地形数据和数字影像的能力。本文以北京市密云县1∶500比例尺地形测量为例，详细介绍了LIDAR的基本原理、地面三维数据的获取和处理方法，以及数据成果的检测。
关键词：LIDAR POS GPS IMU DTM DSM
中图分类号：P237 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（b）-0030-02
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10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。本文以北京市密云县1：500比例尺地形测量为例，主要介绍机载LIDAR基本原理、地面三维数据的获取和处理方法，以及数据的应用。
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。（如图1）
2 IDAR数据的获取和处理
2.1 LIDAR设备选择
在北京市密云县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。所以密云测区的航摄时间选择在2010年10月至2011年1月间，并且增加了夜航。
2.3 LIDAR数据的获取
密云1∶500地形测量项目共涉及飞行11个架次，其中1个架次为检较校场飞行，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 km，飞行高度800 m，有效飞行时间为29 h30 min。激光扫描仪脉冲频率100 kHz，扫描频率43 Hz，扫描角度21度，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
（1）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；
（2）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；
（3）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
（1）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；
（2）POS处理说明：处理基站时，使用陕西省的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。
（3）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。 密云测区为平原地貌，地势低平，绝大部分地区海拔不足5 m，最大相对高度不足8 m，海拔高程一般在2～3 m。根据地形情况，首先剔除噪声点，包括云，折射等造成的高程异常点；然后设定适合的参数，采用TerraScan软件（芬兰Terrasoild公司出品）自动分类提取地面点。TerraScan软件是依据移动窗口法来分类提取地面点的。
2.4.4 坐标转换
利用POS动态定位计算出来的激光点坐标属于WGS84坐标体系，而密云测区采用的是80坐标系，因此需要通过坐标转换，获得最终成果。坐标转换包括两个方面：平面坐标体系转换和正常高转换。平面坐标转换可以利用陕西省C级网坐标转换成果，七参数法转换得到。正常高转换是利用密云测区高程控制点拟合的似大地水准面计算得到。
2.4.5 高程数据成果
经过分类和坐标转换后，LIDAR数据就可以用于测绘成果的生产了。密云1∶500地形测量项目主要是获取DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）、等高线、高程注记点等。由于LIDAR数据的高密度和高精度，使得由分类后的地表点生成的TIN（Triangulated Irregular Network，不规则三角网）的精度较传统数字摄影测量方法有了质的提高，能够满足大比例尺地形测量的需求。
2.4.6 高程精度检测
密云1∶500地形测量高程成果采用实地水准测量和差分GPS测量方法进行检测，检测结果见表1。
其中Δ为检测误差值，M=0.15（m）为标准中误差。
两种检测方法结果表明，大部分成果精度很高，1倍标准中误差以内的检测点数达到85%以上，大于2倍标准中误差的检测点数小于5%，检测中误差小于0.15 m，满足设计书的要求，证明用LIDAR测高获取地形高程的方法可行。
3 结语
从密云县1∶500地形测量项目可以看出，机载LIDAR技术为获取高分辨率的地球空间信息提供了全新的技术手段，使人们从传统的单点数据获取变为连续自动数据获取，提高了观测的精度和速度，能快速的获取精确的数字高程模型及地物的三维坐标，同时配合地物影像，增强对地物的认知和识别能力，在摄影测量与遥感及测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求，因此开展机载LIDAR技术的应用研究以及数据处理的方法研究具有重要的理论价值和现实意义。
参考文献
[1] 舒宁.激光成像[M].武汉大学出版社，2005（8）.
[2] 李英成，文沃根，王伟.快速获取地面三维数据的LIDAR技术系统[J].测绘科学，2002，27（4）.
[3] 刘经南，张晓红.激光扫描测高技术的发展与现状[J].武汉大学学报：信息科学版，2003，23（2）.
关键词：LIDAR POS GPS IMU DTM DSM
中图分类号：P237 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（b）-0030-02
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10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。本文以北京市密云县1：500比例尺地形测量为例，主要介绍机载LIDAR基本原理、地面三维数据的获取和处理方法，以及数据的应用。
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。（如图1）
2 IDAR数据的获取和处理
2.1 LIDAR设备选择
在北京市密云县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。所以密云测区的航摄时间选择在2010年10月至2011年1月间，并且增加了夜航。
2.3 LIDAR数据的获取
密云1∶500地形测量项目共涉及飞行11个架次，其中1个架次为检较校场飞行，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 km，飞行高度800 m，有效飞行时间为29 h30 min。激光扫描仪脉冲频率100 kHz，扫描频率43 Hz，扫描角度21度，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
（1）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；
（2）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；
（3）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
（1）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；
（2）POS处理说明：处理基站时，使用陕西省的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。
（3）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。 密云测区为平原地貌，地势低平，绝大部分地区海拔不足5 m，最大相对高度不足8 m，海拔高程一般在2～3 m。根据地形情况，首先剔除噪声点，包括云，折射等造成的高程异常点；然后设定适合的参数，采用TerraScan软件（芬兰Terrasoild公司出品）自动分类提取地面点。TerraScan软件是依据移动窗口法来分类提取地面点的。
2.4.4 坐标转换
利用POS动态定位计算出来的激光点坐标属于WGS84坐标体系，而密云测区采用的是80坐标系，因此需要通过坐标转换，获得最终成果。坐标转换包括两个方面：平面坐标体系转换和正常高转换。平面坐标转换可以利用陕西省C级网坐标转换成果，七参数法转换得到。正常高转换是利用密云测区高程控制点拟合的似大地水准面计算得到。
2.4.5 高程数据成果
经过分类和坐标转换后，LIDAR数据就可以用于测绘成果的生产了。密云1∶500地形测量项目主要是获取DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）、等高线、高程注记点等。由于LIDAR数据的高密度和高精度，使得由分类后的地表点生成的TIN（Triangulated Irregular Network，不规则三角网）的精度较传统数字摄影测量方法有了质的提高，能够满足大比例尺地形测量的需求。
2.4.6 高程精度检测
密云1∶500地形测量高程成果采用实地水准测量和差分GPS测量方法进行检测，检测结果见表1。
其中Δ为检测误差值，M=0.15（m）为标准中误差。
两种检测方法结果表明，大部分成果精度很高，1倍标准中误差以内的检测点数达到85%以上，大于2倍标准中误差的检测点数小于5%，检测中误差小于0.15 m，满足设计书的要求，证明用LIDAR测高获取地形高程的方法可行。
3 结语
从密云县1∶500地形测量项目可以看出，机载LIDAR技术为获取高分辨率的地球空间信息提供了全新的技术手段，使人们从传统的单点数据获取变为连续自动数据获取，提高了观测的精度和速度，能快速的获取精确的数字高程模型及地物的三维坐标，同时配合地物影像，增强对地物的认知和识别能力，在摄影测量与遥感及测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求，因此开展机载LIDAR技术的应用研究以及数据处理的方法研究具有重要的理论价值和现实意义。
参考文献
[1] 舒宁.激光成像[M].武汉大学出版社，2005（8）.
[2] 李英成，文沃根，王伟.快速获取地面三维数据的LIDAR技术系统[J].测绘科学，2002，27（4）.
[3] 刘经南，张晓红.激光扫描测高技术的发展与现状[J].武汉大学学报：信息科学版，2003，23（2）.