机载激光雷达技术在森林覆盖地区测绘中的应用

来源: 省测绘学会  时间:2012-03-05 14:52:42


李国明  孟宪红


(吉林省地理信息工程院,吉林 长春 130051


 


[摘要]测量中机载激光雷达激光能够穿透不太浓密的植被,到达目标表面,瞬间获得大量的采样点,采样点具有高密度、高精度的优势;全球定位系统(GPS)结合高精度高分辨率大地水准面模型可以替代传统的水准测量方法测定正常高。本文阐述了运用机载激光雷达技术结合2000似大地水准面的方法,在森林覆盖地区进行地形图测量工作的方法和过程。


[关键字]机载激光雷达系统,2000似大地水准面模型,森林覆盖地区


1.引言


吉林省地势东南高西北低,山地占全省总面积的60%,集中在东部地区。主要分布在张广才岭——龙岗山一线以东,包括长白山、老爷岭、牡丹岭、哈尔巴岭等山脉的广大地区吉林省是中国六大林区之一,长白山脉连绵千里,素有"长白林海"之称;东部地区森林覆盖率达70%以上。很多地方山高林密,地形复杂,没有居民地,可以利用的高等级控制点分布较少。在这种条件下,如果采用传统航测方法测绘大比例尺地形图,会因为基础控制点难以有效布设、像片控制点无法测量而不能作业。即使破坏植被进行作业,立体像对测图也无法满足大比例尺地形图的高程精度要求。


机载激光雷达技术配合2000似大地水准面模型能够很好的解决这种地区的大比例尺地形图测绘的控制测量问题,完成测绘工作。


本文结合敦化地区风力发电厂12000比例尺地形图测绘项目介绍机载激光雷达技术在森林覆盖地区测绘工作中的应用。


2.机载激光雷达系统简介


雷达是一种利用电磁波探测目标位置的电子设备。其功能包含搜索和发现目标;测量其距离,速度,角位置等运动参数;测量目标反射率,散射截面和形状等特征参数。


激光雷达(LiDAR)是以激光作为载波的雷达。激光光束发散角小,能量集中,探测灵敏度和分辨率高。


机载激光雷达系统是安装在飞机上的激光雷达系统,是一种集激光测距、全球定位系统(GPS)、和惯性导航系统(INS)三种技术于一体的系统,用于获得数据并生成精确的三维地形(DEM)。这三种技术的结合,可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。激光本身具有非常精确的测距能力,其测距精度可达毫米级。结合激光器的高度,激光扫描角度,从GPS得到的激光器的位置和从INS惯性导航系统得到的激光发射方向,就可以准确的计算出每一个地面光斑的XYZ


机载激光雷达系统技术具有以下优势:


快速获取数据:地面控制工作大大减少,采集的每个激光点都带有真实三维坐标信息,大大减少野外工作量,缩短工期;


植被穿透能力:由于激光探测具有多次回波特性,有效克服植被影响,可以更精确探测地面真实地形,是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的技术;


数据高密度、高精度:系统采集的激光点云数据非常密集,精度也高,通常激光点距离1~2m,平面绝对精度0.3m,高程绝对精度0.2m


数据产品丰富:机载LiDAR系统还配备高清数码相机,在采集地面激光点坐标的同时,还能同时采集同一区域高分辨率影像数据。经过加工处理后,可以得到DEMDOMDTMDSM等数据产品,在相关专业软件的支持配合下,还可以制作其他数据产品,如城市建筑物三维模型等。


3.测绘项目简述


3.1 任务概要


敦化测区12000数字地形图的测量任务,航空摄影、扫描面积400平方公里、成图面积230平方公里。测图的目的是建设风力发电厂,发展清洁能源。


测区地处吉林省东部,行政隶属敦化市、蛟河市、桦甸市。处于三市交界地带,东距敦化市25公里,西北距蛟河市40公里,大部分成图面积位于敦化市境内测区位于威虎岭分水岭及其东侧山峰之中,地势为中间高,周围低。境内山高林密,地形复杂,没有居民地。周边的乡镇和公路,距测区均在十公里以上,加之多年的封山育林,测区中几乎没有路,交通十分不便。


3.2 作业方案


通过分析控制点资料、15万地形图和110000航摄资料,测区中没有高等级的国家高程控制点,也没有高等级的GPS控制点,最近的高等级点距测区达15公里以上;同时测区地形异常复杂,林木非常的高大和密集,几乎没有露地面的地方,像片控制点没有刺点目标。航测外业控制测量中基础控制测量特别困难,像片控制测量无法作业。因此确定这个测区不能采用常规的航空摄影测量手段来完成。


这种情况下,运用机载激光雷达技术配合2000似大地水准面高程模型,一个高等级控制点的控制半径可达30公里,这样就解决了我们这个测区无法进行航外控制的困难。


4.项目实施


4.1 地面GPS基站布设


在飞行区域内,架设GPS固定基准站,用地面GPS固定基准站采集的数据与POS系统内部的双频GPS接收机采集的数据进行差分测量,经数据处理获得连续的、更精确的传感器位置。根据差分GPS技术要求,GPS基站与机载GPS距离不能大于30km。根据这一要求,在航测区域内布设3套地面GPS基站系统。


基站选址原则:站点周围交通方便,视野开阔,没有遮挡,易于保存;没有高压电线等强辐射干扰、无大面积水域;电源供应可靠。


如果基站站点坐标未知,应采用静态作业方法精确解算基站基站WGS84坐标系和1980西安坐标系两套坐标。


4.2 航空摄影


使用ALS50-II型机载激光雷达,徕卡RCD105型高分辨率数码相机进行航空扫描及摄影。


基站设备采集时间:飞机滑行前1小时开始采集数据,飞行落地不动后1小时停止观测。


观测数据当天导出备份。


    项目航线总数45条,像元6.8μm,激光点密度1 /m2 ,影像分辨率 0.20m                              


4.3 机载激光雷达数据处理


机载激光雷达数据处理流程见下图:


 



 


航飞结束后,将原始数据进行一系列处理,生产出合格的数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)。数据处理包括以下内容:


1)数据预处理:包括GPS数据差分、点云解算、影像解算。


2)数据后处理:包括点云航带检校、点云滤波分类处理、将机载激光雷达原始数据进行系统误差改正、坐标系统改正;对数据进行分幅裁切,所有航线是否完全覆盖整个测区无漏洞,所有数据分布均匀合理;DEM DOM制作等。


4.4 坐标转换方案


机载激光雷达直接得到的原始坐标为WGS84坐标系坐标,而生产项目一般都是平面直角坐标系坐标。这样就要求必须进行坐标系转换,而转换结果直接决定了生产成果的精度和可靠性。


1)平面坐标转换


    本项目成果要求为80坐标系统,而机载雷达通过GPS技术获取的原始坐标为WGS84坐标,需要通过3个以上公共控制点进行坐标转换。


坐标转换模型:布尔莎七参数坐标转换公式


  X80=X84+ KX84+Δx+Y84ξZ-Z84ξY


  Y80=Y84+ KY84+ΔY-X84ξZ+Z84ξX/ρ


  Z80=Z84+ KZ84+ΔZ+X84ξY-Z84ξX/ρ


转换点选取:在机载获取的点云数据成果中(84 坐标),均匀选择部分地形条件理想的点作为转换控制点。


坐标转换:利用已有坐标转换成果参数,计算出转换控制点的80 坐标。


参数反算:根据选择的转换点两套坐标,建立布尔莎七参数坐标转换公式,反算出坐标转换参数。


2)高程拟合方案


本项目成果要求为85高程基准,而机载激光雷达通过GPS技术获取三维坐标中的高程为大地高,起算点为椭球面。两者基准存在高程异常,不能直接应用。利用激光雷达技术测绘符合国标的测绘产品,必须要进行坐标转换。


已有大地水准面成果:测区已有精化的大地水准面成果,可以直接利用。成果精度为:平原地区极限误差为0.4米,高山地区极限误差为0.7米。


拟合模型:二次曲面模型在GPS高程转换过程中为较优的模型,可以达到三四等水准的要求精度。针对项目测区面状分布情况,选择二次曲面为拟合转换模型,提高整体拟合精度。


最小二乘拟合参数反算:


  1)转换点选取:在机载获取的点云数据成果中(84 坐标),选择部分地形条件理想的点作为转换控制点。


2)坐标转换:利用已有大地水准面成果,计算出转换控制点的另外一套坐标(80 坐标、85 高程)。


3)参数反算:根据选择的转换点两套坐标,建立二次曲面最小二乘拟合公式,反算出测区拟合转换参数。


4.5 地形图成图


利用DOM进行野外调绘,利用DEMDOM进行地物、地貌采集,最后编辑成图,完成地形图测图工作。


5.结束语


采用机载激光雷达技术配合2000似大地水准面模型,顺利完成了项目的测绘工作,并形成了DEMDOMGLG等一系列产品。项目已通过验收,风力发电厂正在建设中。本项目是吉林省利用机载雷达进行的森林覆盖地区的地形图测绘工作的第一次应用,开创了在这种地区测绘的新途径,并为今后的测绘工作积累了宝贵的经验。


机载激光雷达技术配合2000似大地水准面模型,可以解决如大面积森林覆盖地区、沙漠、沼泽、草原等控制测量困难地区及其他无法到达或危险区域的测绘工作。随着似大地水准面的精化,连续运行卫星定位服务系统的进一步建设,机载激光雷达技术配合似大地水准面模型的测测绘工作将会得到更为广泛的应用。


   


参考文献


[1]    徐祖建,王滋政,阳锋. 机载激光雷达测量技术及工程应用实践[M].武汉:武汉大学出版社,2009.52-31.


[2]    戴永江.激光雷达原理[M].北京:国防工业出版社,2002.


[3]     张小红,机载激光雷达测量技术理论与方法[M].系统工程,武汉:武汉大学出版社,2007.9.


打印推荐给朋友】 【 关闭
【相关链接】
主办:吉林省测绘地理信息学会 网站管理:吉林省测绘局管理信息中心
地址:吉林省吉林省长春市新发路716号 联系电话:0431-82708895 82727917
技术支持:国家测绘地理信息局管理信息中心