第３６卷第８期 ２０１３年８月 测绘与空间地理信息 ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬ ｔＮＦｏＲＭＡＴＩｏＮ ＴＥＣＨＮｏｂ０ＧＹ Ｖｏ１．３６．Ｎｏ．８ Ａｕｇ．，２０１３ 浅谈机载ＬｉＤＡＲ数据特点及处理方法 路家一 （吉林省第二测绘院。吉林长春１３００６２） 摘要：对各类遥感数据进行解译与建模，为最终用户提供有用的表达与格式一直都是摄影测量领域的重要研 究课题。近年来，随着传感技术的发展，基于激光扫描仪、全球定位系统和惯性导航系统集成的机载ＬｉＤＡＲ系统 由于能够快速、准确地获取激光所达到地面及地面上对象表面的信息，因而已成为人们快速获取高精度、大规模 ３Ｄ地貌信息的重￣ｅ＿ｖ－具。对ＬｉＤＡＲ数据的解译与建模也成为热门的研究课题之一。 关键词：ＬｉＤＡＲ：数据：处理 中图分类号：Ｐ２２８．４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—５８６７（２０１３）０８—０１７７—０３ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｄａｔａ Ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ａｉｒｂｏｒｎｅ ＬｉＤＡＲ ＬＵ Ｊｉａ—ｙｉ （Ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００６２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄａｔａ ｈａｓ ａｌｗａｙｓ ｂｅｅｎ ｔｈｅ ｈｏｔ ｔｏｐｉｃ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｉｒｂｏｒｎｅ ＬｉＤＡＲ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ３ Ｄ ｇｒｏｕｎｄ ｆｅａ— ｔｕｒｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｐｒｅｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ＬｉＤＡＲ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｈｏｔ ｔｏｐｉｃ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬｉＤＡＲ；ｄａｔａ；ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ０ 引 言 ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）也称作激光测距 仪（Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇｉｎｇ）、激光测高仪（ＬａｓｅｒＡｈｉｍｅｔｒｙ）、激光扫 描仪（ＬａｓｅｒＳｃａｎｎｅｒ）以及ＬＡＤＡＲ（Ｌａｓｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎ． 描系统，以及移动扫描系统，如日本东京大学开发的车载 激光扫描系统ＶＬＭＳ样车。我国８６３计划先后支持了机 载ＬｉＤＡＲ技术和车载ＬｉＤＡＲ技术的研究。 与传统的航空摄影测量技术相比，机载ＬｉＤＡＲ技术 具有以下优势。ＬｉＤＡＲ是一种主传感器，不受光照和阴 影的影响，因为可以全天候工作。对于用摄影测量方法 难以获取或分析的区域或对象，比如稠密的城区、森林地 区、沿海岸地区、湿地、沙漠以及冰面，机载ＬｉＤＡＲ系统却 能很好地对其进行测量与分析。ＬｉＤＡＲ所获取的数据与 终端产品如数字地面／表面模型的形式比较接近，且激光 具有部分穿透植被覆盖到达地面的能力，因此机载Ｌｉ— ＤＡＲ适用于高效地生产ＤＴＭ／ＤＳＭ。目前，机载ＬｉＤＡＲ ｇｉｎｇ）。它与雷达相似，能将激光脉冲射向目标并记录脉 冲返回传感器接收装置所花费的时间。ＬｉＤＡＲ技术是于 ２０世纪６０年代末期才发展起来的。１９９３年出现了第一 台将ＬｉＤＡＲ传感器、ＧＰＳ以及ＩＭＵ集成用于地形制图的 商用ＬｉＤＡＲ制图系统。１９９４年，联邦德国的测量与制图 委员会首次发起了关于将激光扫描作为生产数字地面模 型的新方法的讨论。１９９６年以后，越来越多的公司着手 开发商用ＬｉＤＡＲ系统，并提供各种ＬｉＤＡＲ制图服务。近 十年来，随着市场对该项技术需求的不断增长，ＬｉＤＡＲ技 术正快速地发展起来。 根据ＬｉＤＡＲ安装平台的不同，可以将ＬｉＤＡＲ系统分 为机／空载ＬｉＤＡＲ系统和地面ＬｉＤＡＲ系统。机载ＬｉＤＡＲ 技术主要应用于地形制图，３Ｄ城市的建模以及像灾害评 估等需快速响应的应用。地面ＬｉＤＡＲ系统可用于对近距 离的建筑物、道路、数木等进行建模，还可以应用于大到 大型雕塑的建模，比如Ｓｔａｎｄｆｏｒｄ大学计算机图形实验室 系统是一个多传感器集成的复杂系统，目前国际上主要 的应用系统包括：瑞士Ｓａａｂ公司开发的ＴｏｐＥｙｅ，加拿大 Ｏｐｔｅｃｈ公司的ＡＬＴＭＳ，美国Ｃｙｂｅｒｗａｒｅ公司生产的系列扫 收稿日期：２０１３—０４—２８ 的数字Ｍｉｃｈｅｌａｎｇｅｌｏ计划，小到工业零件、３Ｄ艺术品的数 字档案库的建立等应用。 目前，有研究人员正在研究将机载ＬｉＤＡＲ与地面Ｌｉ－ ＤＡＲ结合起来应用于虚拟城市的建模。机载ＬｉＤＡＲ系统 作者简介：路家一（１９６３一），男，吉林四平人，工程师，主要从事地形测量和航测外业工作。 ｌ７８ 测绘与空间地理信息 ２０１３卑 可以获取城市中各类对象的顶部信息，而地面ＬＤＡＲ可 以获取对象的正面信息，若将两者结合起来，则可获得对 象的完整信息，从而更逼真地实现城市的建模。 １ 机载ＬｉＤＡＲ系统的基本工作原理 机载ＬｉＤＡＲ系统是以飞机为平台，主要由激光扫描 仪、ＧＰＳ以及ＩＭＵ ３个基本的数据收集装置构成。激光扫 描仪安装在飞机的下端，用于向地面发射激光脉冲，并采 集信号从发出到返回所用的时间、信号返回时的强度信 息以及扫描的角度信息。由于光速是已知的，由ＧＰＳ可 以测得平台的坐标位置，再加上由ＩＭＵ所获得的飞机的 姿态信息，因此可以很容易地计算得出激光所达到的地 面与激光发出点间的距离。ＧＰＳ和ＩＭＵ用于确定飞机飞 行时的位置和姿态，从而定义了距离测量值的原点，经过 坐标变换等计算，可以较精确地获得激光所到达地球表 面的３维坐标信息。机载Ｌｉｄｏｒ系统工作示意图如图１所 示。 Ｚ 图１机载ＬｉＤＡＲ系统工作示意图 Ｆｉｇ．１ ＷｏｒＭｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ￣ｒｂｏｒｎｅ ＬｉＤＡＲ ２机载ＬｉＤＡＲ数据特点 尽管各公司提供的机载 ＤＡＲ系统的工作方式以及 设备参数均不相同，但各系统获取的所勘测表面的信息 最终都将转换成世界坐标系中的３Ｄ坐标点信息以便后 续的进一步处理。在设计算法对这些３Ｄ坐标点数据进 行处理之前，需充分考虑该类数据的特点，包括密度、精 度、分布以及噪声等情况。 １）数据的密度 ＬＤＡＲ点云数据的密度依赖于飞机飞行的高度、大 气折射对光速的影响以及与ＬＤＡＲ系统自身有关的某些 参数如激光脉冲的发射频率、扫描的角度等。点的密度 可以根据应用来进行调整。比如对于３Ｄ城市建模或电 力线勘测应用，点的密度就要求密一些，而对于生成如５ ～１０ ｍ大网格数字高程模型的应用，采用较稀疏的点云 数据就可以了。目前，机载“ＤＡＲ系统可以获取非常稠 密的点云数据，它在提供更丰富的地面细节信息的同时， 也造成了大量的数据冗余，给数据处理带来困难。 ２）数据的精度 在ｌｋｍ的飞行高度下，机载ＬｉＤＡＲ所获取的点云数 据的垂直精度可以达到ｌ５～２０ Ｃｍ，平面控制精度可以达 到３０～１００ ｃｍ。机载ＬｉＤＡＲ的垂直测量精度除受到系统 误差的影响外，还会受到地面坡度、粗糙度、飞行高度以 及扫描角度等多个因素的影响。飞行高度越高，垂直误 差越大。 ３）数据的分布 ＬＤＡＲ点云数据的水平分布常常呈现出不均匀的特 点。由于点云数据是由若干个扫描带拼接而成的，为了 避免在拼接区域出现空洞，往往要求扫描带之间有部分 重叠。因此，在扫描带重叠区域，点云数据会有较高的数 据密度，点的间距缩小。ＬＤＡＲ系统对地面的扫描路径 往往呈“之”字形分布，一组线性分布的局里测量值往往 称作一个扫描。一个扫描内常以５ｋＨｚ的频率进行距离 测量，目前有的系统甚至可以达到１００ｋＨｚ。这样就会造 成在一个扫描内点的间距很小，而扫描线之间点的间距 却较大。另外，系统所采用的采样方式，比如在平坦地 区，提高飞行速度或降低激光发射频率采集较少的地面 点，而在地形变化剧烈的山区或拥有密集建筑物的城区， 降低飞行速度或提高激光发射频率采集较多的地面点， 也会造成最终的点云数据分布不均匀。 ４）噪声 由于受到激光扫描器件自身的，机载ＬｉＤＡＲ系 统所获取的数据会存在系统误差。为了提高数据测量的 精度，可采用对系统误差进行建模的方法加以处理。除 了系统误差，ＬＤＡＲ点云数据中还可能包含局外点的空 洞。局外点或者是由于激光脉冲向飞鸟或低空飞机的飞 机上造成的，这些局外点往往明显高于其周围的环境，或 者由于发射的激光脉冲经过了地面的多次反射才返回接 收装置造成的，这些局外点往往表现为显著低于裸露地 面。空洞及采样不足区域则是由于遮挡、扫描路线的制 约以及传感器分辨率的所造成的。比如，建筑物的 墙面以及裸露地面上的垂直断裂处对机载ＬｉＤＡＲ系统来 说是不可见的，因而在点云数据中往往以空洞的形式 出现。 除了获得地貌表面的３Ｄ坐标点外，许多机载ＵＤＡＲ 系统还可以收集返回脉冲信号的强度信息、每个脉冲的 多重回波信号并同时提供由数码相机所获得的影像信 息。由于不同的地面及对象材质对红外激光的反射率不 同，在返回脉冲强度信息所构成的低分辨率地貌影像中， 植被区域呈现出较明亮的颜色，地面及沥青路面呈现出 深色，而深的水域由于将光线完全吸收从而呈现出黑色。 因此，强度信息可用于辅助点云数据的分类。由于激光 具有部分穿透植被的特点，因此在植被覆盖区域可以收 集到多重回波信息。这一特性可用于辅助区分植被点与 地面点，还可用与森林体积测定等应用。有的ＬｉＤＡＲ系 统可以同时获取所测量地区的影像信息，因此，点云数据 中的每个点还可以同时获得对应的ＲＢＧ颜色分量信息， 这也为数据的滤波与分类提供了参考。 第８期 路家一：浅谈机载ＬｉＤＡＲ数据特点及处理方法 １７９ ３ 机载ＬｉＤＡＲ数据处理方法 ＬｉＤＡＲ系统所提供的数据是激光所达到的地貌表面 的３Ｄ坐标信息，有的ＬｉＤＡＲ系统还可以同时记录激光的 究为地形地貌表面的表示、处理和绘制提供了一种新的 解决思路。以点为基元来表示和绘制地形地貌表面意味 着原始的ＬｉＤＡＲ点云无需事先的网格化预处理，直接可 用于各类对象的分类与建模，并可直接在２Ｄ屏幕上进行 绘制。这样ＬｉＤＡＲ系统对大规模３Ｄ地貌的快速建模能 力也将进一步得到加强。 反射强度信息以及重回波信息。这些回波信息中不仅包 括自裸露地面的信息，还包括反射自建筑物、植被等非地 面对象的信息，ＬｉＤＡＲ数据的解译就意味着要根据３Ｄ坐 标点的空间位置关系判断点的类别。判断为裸露地面的 点将用于生产数字地面模型，从而为地形制图、工程测 量、环境规划等提供基础数据，这也是目前对ＬｉＤＡＲ数据 最重要的基础应用之一。分类为建筑物的点则可用于３Ｄ 城市建模、城市规划或ＧＩＳ数据库中的建筑物模型重建。 目前，研究人员对ＬｉＤＡＲ点云数据的处理通常基于 以下两种方法。第一种是将原始的不均匀分布的点云数 ４结束语 由机载ＬｉＤＡＲ系统获取的相当稠密的３Ｄ点云数据 中包含了丰富的地貌信息。人眼可以很容易地从点云数 据以及强度影像中区分出自然对象如裸露地面、树和水 域，以及人造对象如道路、建筑物、桥梁和过道。然而，计 算机却不能像人眼那样准确地区分这些特征，目前，商用 ＬｉＤＡＲ系统常随机附带许多处理ＬｉＤＡＲ数据的软件工具 包，然而在实际应用中，仍然需要耗费大量的手工操作来 据插值为规则的矩形网格表示，并将插值后的数据看作 距离图像，利用经典的图像处理算法对其进行处理。该 方法的优点在于有许多成熟的图像处理算法可以借鉴， 而缺点就是由于插值会带来误差。此外，由于地貌中各 类对象间的关系十分复杂，尤其是在稠密的城市区域，目 完成ＬｉＤＡＲ点云数据的分类与建模。其中，手工分类和 质量控制甚至消耗了整个处理时间的６０％～８０％。由机 载ＬｉＤＡＲ系统获取的数据常常包含了上百万个点，因此， 开发健壮的算法使得计算机能自动准确地从ＬｉＤＡＲ数据 中提取各类特征对ＬｉＤＡＲ系统的推广和应用至关重要。 前的图像处理算法往往很难对其进行正确的解译。第二 种方式是将原始点云转换成不规则的三角网格表示，根 据三角网提供的点间邻接关系对点云进行解译。该方法 需要构造点与点之间全局一致的拓扑关系，而这种一致 的拓扑关系，无论是在数据的处理还是在数据的绘制中 参考文献： ［１］ 吴华意，宋爱红，李新科．机载激光雷达系统的应用与数 据后处理技术［Ｊ］．测绘与空间地理信息，２００６，２９（３）： ５８—６３． 都必须保持和维护。随着激光扫描器件的发展，ＬｉＤＡＲ 系统在获取高精度数据的同时，也产生大量密集的数据， 给数据的处理、存储、传输和绘制带来困难。不规则三角 ［２］ 国家测绘地理信息局．ＣＨ／Ｔ８０２３—２０１ １机激光雷达数 据处理技术规范［Ｓ］．北京：测绘出版社，２０１１． 网格虽然可以保留原始点云数据中的陡峭特征，但由于 不规则三角网格是用显示的方式来描述点间的邻接关 系，因此更进一步加剧了这种负担。近年来，在计算机图 形领域兴起的用采样点作为表示和绘制曲面的基元的研 （上接第１７６页） 表２ ＧＰＳ网空间坐标精度统计表 Ｔａｂ．２ Ａｃｃｕｒａｃｙ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＧＳＰ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ［３］ 申勇智，刘伟．机载激光雷达测量技术在城市测绘中的 应用研究［Ｊ］．中国科技博览，２０１２（３０）：３００． ［编辑：胡雪］ 形测量提供了便捷的方法，不需要采用多台ＧＰＳ接收机 进行同步观测联测国家已知控制点，来传递坐标系的方 法进行控制测量工作，节省人力、物力，极大地提高了作 业效率、缩短了作业周期。同时，探索了在大范围测区无 国家高等级控制点时基础控制测量的作业方法，也解决 了大范围测区无国家高等级水准点时，高程获取及检查 验证的手段，可以进行推广使用。 最小值（ｍｍ） ２．２ ３．５ ２．６ １．２ ２．２ ４．２ 最大值（ｍｍ） ２．８ ６．２ ４．５ １．６ ２．６ ７．６ 王望笪 竺竺２ ：堑 兰： ：兰 ：兰 ：兰 ： 参考文献： ［１］ 李征航．卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法 ［Ｍ］．武汉：武汉大学出版社，２００９． ［２］ 刘涛．应用精密单点定位技术进行１：１０ ０００基础测绘像 控点测量的可行性分析［Ｊ］．测绘与空间地理信息， ２００７，３０（４）：１１６—１２０。 由表２可知，ＧＰＳ网空间直角坐标 方向的精度优于 ±２．８ ｍｍ，Ｙ方向的精度优于±６．２ ｍｍ，Ｚ方向的精度优 于±４．５ ｍｍ。ＧＰＳ网南北方向的精度优于±１．６ ｍｍ，东 西方向的精度优于±２．６ ｍｍ，高程方向的精度优 于±７．６ ｍｍ。 ５结束语 基于ＧＰＳ连续运行站测量技术为困难地区控制、地 ［３］徐铝铨，张华海，杨志强，等．ＧＰＳ测量原理及应用［Ｍ］． 武汉：武汉在大学出版社，２００１． ［编辑：胡雪］
