关键词：LiDAR；DEM；原理；方法
１LiDAR技术工作原理
机载LiDAR技术是全三维测量模式以飞机为载体、集成激光扫描系统、GPS和惯性测量单元3个基本的数据采集工具及控制单元系统等其他设备于一体，从而获取地面的三维空间信息。其中，激光扫描系统以脉冲激光测距作为主要技术手段，以激光束扫描的工作方式测量从传感器到地物对象的激光照射点间的距离，即通过测量地面采样点激光回波脉冲相对于发射激光主波之间的时间延迟得到传感器到地面采样点之间的距离。同时还可以获得反射率、激光脉冲回波次数等信息，GPS接收机用于确定激光发射点的空间位置，IMU测量激光发射瞬间激光的空间姿态参数，机载LiDAR系统通过激光扫描系统获得激光点的距离信息，结合由惯性导航系统输出的激光发射点空间位置和姿态信息，可以解算出激光脚点在当地水平坐标系下的三维坐标，即一系列离散的、空间分布不规则的三维点云数据。具体流程如图１所示，
2关键技术
2.1条带平差
条带平差是通过相邻条带重叠区的偏差改正，消除系统检校后仍残存在LiDAR数据中的残余系统差。平差方法是以相邻航带重叠区的数据为检验对象，采样进行统计分析，确定条带间相对偏移量，建立含有系统误差变量的方程组，然后通过最小二乘解出各扫描条带的纠正值，再利用纠正值消除数据中的残余系统误差。
2.2坐标转换
基于机载LiDAR技术获取的点云数据是WGS84坐标，高程基准是大地高。在生产应用中，需要根据生产要求进行平面坐标和高程坐标的转换。平面坐标转换通常采用七参数转换。利用已知的2套坐标系中3个或3个以上的公共控制点坐标，计算2套坐标系的转换参数，实现点云平面坐标的转换。
高程坐标转换通常采用拟合的似大地水准面计算得到，即利用已知的6个或6个以上控制点的2套高程数据，采用二次多项式拟合法实现大地高到正常高的转换。当测区地形变化较大时，还应加入地形改正。对于山区等复杂区域，应考虑使用高精度的大地水准面模型进行高程转换，得到较高精度的高程拟合结果。
2.3激光点云滤波与分类
（1）按照激光回波次数分类，由于机载激光具有穿透性，导致在扫描过程中不同的地物有着不同的回波次数和强度信息，当激光脉冲照射到建筑物顶部或裸露的地表时只产生一次回波，而激光脉冲照射到植被时，由于激光信号可以穿透植被从而形成多次回波。因此，可对多次回波中的最后一次回波数据和仅一次回波的激光数据进行提取，从而滤除大量非地面点。
（2）地面点自动分类：通过反复建立地表三角网模型的方式分离出地表点，并反复加入新的激光点扩展模型，确保每个加入的激光点使得模型更加贴近地表，从而最终得到一个近似的地表面。?具体分类方法为:首先设定测区内的最大房屋尺寸?选择少许局部激光低点，确保该局部激光低点间的距离不小于最大房屋尺寸，其次基于上述低点构建初始三角网。假定该三角网的最高顶点贴合地面，并通过不断迭代将该初始三角网上方的点加入以构建新模型，从而得到一个近似的地表面。
（3）人机交互分类：自动分类后的数据可以获得概略地形地貌，但存在一些错分或误分激光点云数据，同时一些小的地形不连续部分也会被平滑或去掉，因此需要通过人机交互方式分类。人机交互分类方法是指参照高分辨率影像，通过人工判断的方式对自动分类的结果进行修正或对特定地物类别进行分类，可通过建立不规则三角网模型(TIN格网)，对区域内的整体点云进行分类，剔除坑点或突出点，细部可再根据横截面修正。由于建筑物规模和形态变化较为复杂，需以人机交互分类为主，水系一般无激光回波，但也存在浑浊水体稀疏回波现象，需要结合影像和周围地形进行判断。
2.4构建DEM
DEM主要基于不规则三角网(TIN)构建。只要地形结构线上有足够密集的点，在去除了“平三角”的三角形上进行线性内插，基于TIN的内插效果最为理想。
3试验验证
试验数据由徕卡公司ALS70－HP机载LiDAR系统航飞获取，设计精度满足1∶10000比例尺，点云密度3m，点云高程精度5cm。试验区域为山区，地形较为复杂，地物比较丰富，有密集居民区、大型建筑物、道路、河流等，山上林灌茂密，但地形坡度相对较缓。DEM成果坐标系采用CGCS2000和正常高系统。收集到覆盖试验区域的控制点7个，用于坐标转换。
3.1DEM制作
利用Terrasolid软件，对LiDAR点云数据进行处理，制作1∶10000DEM，格网间距为5m。分类时，首先分离低点、空中点，剔除噪声;然后进行地面点分类，其中Maxbuildingsize(最长建筑物长度)根据实际量取，设为60m;Terrainangle(地面最大坡度)设为89°;Iterationangle(迭代角度)，在山地设为6°，平地设为3°;Iterationdistance(迭代垂距)设为2。
3.2精度分析
（1）模型目视检查
成果DEM通过透视及晕渲显示，可以目视检查DEM的可靠性，对模型不连续、不光滑处重新核实地面点的分类精度并进行修改。本次试验获取的DEM晕渲图效果见图2。
（2）高程精度检测
根据规范要求，在山地区域，1∶10000DEM高程中误差要求小于2.5m。利用检测点对输出的成果DEM进行高程精度检测，从精度检测结果可以看出，本次试验生产的DEM高程中误差1.95m，其中，高程最大较差4.04m，最小较差－0．007m，满足1∶10000DEM成果的精度要求。
结果表明，基于LiDAR点云数据生产的DEM数学精度高，表现效果好，相比其他传统DEM生产方式更可靠、快捷。
4结语
机载激光扫描测高涉及的实际应用很多,是一个典型的3S集成系统,随着机载激光扫描测高技术的不断成熟和数据处理算法的不断完善,机载激光扫描测高技术的应用领域会越来越广,特别是对于机载激光扫描测高技术。目前的发展趋势表现在以下几个方面,利用机载激光扫描测高数据建立大范围高精度数字地面模型;利用机载激光扫描测高数据建立3D城市模型;紧急如滑坡测绘等灾害事件的快速反应及变化监测;进行森林资源的管理和评估;海岸地带测绘等。
参考文献
[1]基于DEM的山区机载LIDAR航线设计[J].童鹏,简骁,赵英俊,伊丕源.铁道勘察.2015(01)
[2]周晓明.机载激光雷达点云数据滤波算法的研究与应用[Ｄ].郑州:信息工程大学2011.
论文作者:张俊,王睿,贾占永
论文发表刊物:《防护工程》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/5
标签：激光论文; 高程论文; 回波论文; 数据论文; 系统论文; 坐标论文; 模型论文; 《防护工程》2018年第3期论文;