机载激光雷达测绘技术浅析

周万坚

【摘 要】机载激光雷达技术通过将全球定位、惯性导航、激光、光学技术这四类先进技术集于一体运用于观测系统之中，此技术不仅成本投入低，而且使用效率极高。本文简单介绍了机载激光雷达测绘技术的理论概念及其系统构成的功能与原理，针对激光雷达测绘技术的数据处理特点展开分析，就其具体应用现状阐述了雷达测绘技术在目前的主要应用领域，展望激光雷达技术的发展趋势。

【关键词】机载激光雷达；测绘技术；全球定位；激光扫描；空间数据

1.机载激光雷达测绘技术

1.1机载激光雷达测绘技术简介

机载激光雷达技术一般是将机载激光系统安装于飞机之上，主要用于探测地面的三维坐标来生产相应的激光雷达数据影像，通过数据处理及相应软件处理生成相应地面的DEM模型、等值线图及DOM正射影像图。其中，机载激光雷达测绘技术主要是将激光、全球定位、惯性导航、光学技术集于一体运用光学遥感技术进行波段探测，从而可以有效的获取地面物体所反射能量的大小与物体反射波谱的幅度、频率与相位，针对所获取的数据进行及时的处理与定位，进而针对目标物体进行准确的测速与识别。

目前，我国主要将机载激光雷达测绘技术应用于数字城市规划、工程建筑测量、电力设计勘测选线和线路监测、灾害监测与环境监测、林业种植与规划等领域，为我国的社会发展作出了巨大贡献。

1.2机载激光雷达系统

1.2.1机载激光雷达系统的构成

机载激光雷达系统的构成部件主要包括：惯性导航系统、全球定位系统、激光扫描测距和数码成像系统等组成。

1.2.2机载激光雷达系统的功能及原理

（1）惯性导航系统，用于测量扫描装置主光轴的空间姿态参数（ω、?、κ）。

（2）基于动态相位差分技术的全球定位系统，用于确定扫描投影中心的空间位置参数（X0，Y0，Z0）。

（3）激光扫描测距系统，用于测量传感器到被探测目标的距离D；在激光雷达系统中，由发射机发出的无线电波射到空中后，一部分经物体或空气反射后，由雷达的接收系统接收，这部分反射波称为雷达信号，反映从反射无线电波的物体到雷达的距离。

（4）数码成像系统，主要用于获取目标的彩色或红外影像信息。

2.数据处理

2.1确定航迹

地面GPS基站和机载GPS的测量数据联合平差来确定飞机的飞行轨迹。

2.2激光点三维空间坐标的计算

利用随机的商用软件，对机载GPS数据、飞机姿态数据、激光测距数据进行联合平差，得到各测点的三维坐标数据，称之为“激光点云”。

2.3激光数据的噪声和异常值剔除

由于水体对激光的吸收及其他原因，使有些激光测距点无明显的回波信号以及因电路等原因产生的异常距离值，在处理激光测距的原始数据时必须先剔除噪声和异常值。

2.4激光数据滤波

目前用于机载激光扫描数据滤波的方法大部分是基于激光数据脚点的高程突变等信息进行的，主要分为形态学滤波法、移动窗口法、迭代线型最小二乘法、基于地形的坡度滤波等。

2.5激光数据拼接

在机载激光雷达系统作业时，可利用同步获得的影像信息，根据重叠区域的影像可确定航带间的系统误差。此外，为了保证DTM拼接正确，通常采用变系数加权平均法消除航带间出现的随机误差。

2.6激光数据分类输出

数据分类处理完毕后，一些不必要的数据被剔除，数据量将减小，可以以ASCII或二进制形式输出。

2.7坐标转换

利用POS动态定位所提供的定位结果属于WGS-84坐标系，而我们所需要的空三加密结果应属于国家规定的另一套坐标系或地方坐标系，因此必须解决动态定位结果的坐标转换问题，利用地面基站坐标和坐标系间的转换参数进行转换，一般采用GPS基线向量网的约束平差。GPS所提供的是以椭球面为基准的大地高程，必须转换为以大地水准面为基准的正常高，可通过测区内若干已知正常高的控制点拟合建立高程异常模型进行。

2.8影像数据的定向和镶嵌

数字影像先进行解压处理，结合激光扫描测量的DTM数据进行定向镶嵌，形成数字正射影像图。

3.机载激光雷达技术的应用现状

3.1数字城市应用

随着科技技术的快速发展，我国的城市化推进工作不断加快，其中尤以数字化城市建设为重。在进行数字化城市规划的过程中，必然需要通过运用相应的规划软件与技术来有效开展规划工作。二维规划技术已无法满足当前数字化城市的规划需求，而机载激光雷达测绘技术可以有效的实现三维城市形象规划。

其中，机载激光雷达测绘技术主要通过将获取的三维空间数据进行快速的数据处理，对城市进行系统化、全面化、形象化的规划与模拟，进而可以有效避免由于航高、阴影遮挡等限制因素而导致城市规划处理出现误差。由此可见，通过运用机载激光雷达测绘技术进行数字城市规划，不仅可以有效、快速、准确的采集相应的三维空间数据来生成影像，而且可以进行大比例尺地形图规划，以高精度、高自动化水平、高效率方式进行必要的数据获取与测量工作，确保其纹理映射自动化水平以及高效率的房屋建模工作，推进数字化城市的规划工作。

3.2工程建筑测量

如文中所述，机载激光雷达测绘技术具备高精确度，可以为建筑工程项目提供高精确度、高实效性的工程测量数据，确保工程项目按期按质完成。其中，将机载激光雷达测绘技术应用于建筑工程项目施工领域之中，主要是通过应用DEM结合GIS及CAD软件进行影像与数据搜集，以便及时筛选最优化的施工方案。由激光雷达系统对各方案中的施工组织设计及施工线路、施工位置进行测量，从而为工程项目，例如道路施工工程提供大量有效、准确的地形数据，提供工程施工方案设计的有效性。

3.3电力设计勘测选线和线路监测应用

机载激光雷达测绘技术的应用领域还包括电力企业中的相关工程项目之中，包括电力设计过程中的勘测选线与电力线路的实时监控，结合激光雷达测绘技术，可以对电力线路的设计区域中的地形与物体要素进行数据采集，以供线路监测与选线之需，提高电力企业施工的效率与质量水平。

3.4灾害监测与环境监测

根据机载激光雷达测绘技术，它可以生成DEM系统，从而可以针对我国社区进行必要的灾害控制、监测与环境监测。

水文学家可以通过采用激光雷达测绘技术，对我国社区的重大自然灾害进行监测与防治，包括地震、洪灾、泥石流滑坡、风害等，还可以对我国的环境进行实时监控。例如，在降水量大的季节进行洪水范围预测，以便应急消防救助小组根据灾害范围及灾害情况提前设计、组织灾害防治方案与救援组织方案，以便将灾害的损伤降到最低。其中，在一架固定翼飞机上安装一台机载激光雷达系统，可以实现在长30公里的区域之内进行维持四小时的实地勘测，为灾害监测及环境监测提供了重要的数据资料。

3.5林业应用

机载激光雷达系统在我国林业种植与发展方面（下转第22页）（上接第20页）也具有很大贡献。通过运用激光雷达系统，可以提供准确的森林及树冠下面的信息数据。通过数据的后期处理，独立的激光返回值可分为植被返回值和地面返回值，根据激光雷达数据，针对森林中的林木覆盖率与覆盖面积数据进行分析，以便林业管理者掌握树木的疏密程度，年长树木的覆盖面积和年幼树木的覆盖面积，从而促进森林管理工作的规范化与高效化，便于管理者针对森林进行宏观调控与管理，提高其管理水平与管理质量。

4.小结

结合上文中所述，随着科学信息技术的不断发展、改进与成熟，机载激光雷达测绘技术也将随之发展，其应用的领域与深度也将逐渐拓宽、加深。根据当前机载激光雷达市场来看，我国在今后的技术研讨工作中，将主要集中于开发、利用新的激光辐射源、多传感器系统集成和数据融合，通过不断探索机载激光雷达的新体制，力求为我国的社会经济发展作出更大贡献。 [科]

【参考文献】

[1]刘经南，张小红.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（06）：144-145.

[2]李德仁.摄影测量与遥感的现状与发展趋势[J].武汉测绘科技大学学报，2000，25（01）：55-58.

[3]王惠南.GPS导航原理与应[M].北京：科学出版社，2003.

[4]陈利，贾友，张尔严.激光雷达技术及应用[N].河南理工大学学报，2009-10-11.

[5]张启峰.激光雷达技术在超高压送电线路工程中的应用研究[J].2009（09）：222-223.

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