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一、引言 机载LiDAR测量技术发展经历了4个阶段：最早源于机载激光测距技术，于20世纪60年代开始试验研究。直到80年代末，GPS得到成功应用，才使得机载激光测距技术发展为机载激光剖面测量系统，并实现大范围应用。到了90年代，随着GPS定位技术发展，激光扫描测距技术(SLR)和惯性导航技术(INS)的突破，奠定了从空中直接、快速获取地面目标三维坐标的技术基础，由GPS、INS、SLR集成的机载激光扫描系统代替了激光剖面测量系统，形成了早期的机载LiDAR测量技术。直至90年代后期，机载激光扫描技术逐步完善，应用更加成熟，并结合摄影测量技术，加载了数码相机，同时获取航摄影像，将机载LiDAR与摄影测量完美结合，形成技术互补，大大提升了航空测量的技术能力和应用领域。 机载LiDAR测量设备在国外已经系列化发展，欧美等发达国家先后研制出多型激光雷达测量系统，主要有Optech ALTM、Leica ALS、Riegl LMS、VQ、Trimble Harrier、IGI LiteMapper系列以及HawkEye AHAB等多型实用系统。而且应用成熟，在条带区域、复杂区域和特殊区域地形测绘中广泛应用，如海岸带、高山区、丛林区、滩涂、沙漠等区域，逐步成为常规测量必备手段之一。目前机载LiDAR普遍采用近红外激光器，扫描频率在20～400Hz之间，高程测量精度优于15cm，平面定位精度优于20cm，满足海道测量规范要求。 目前，国内尚未推出高精度、应用成熟的LiDAR测量设备，但是引进机载LiDAR设备的单位很多，广泛应用于测绘、电力、交通、林业、海洋、数字城市等众多领域。与海洋测绘密切相关的应用日益丰富，2005年山西省测绘局和中科院把数字相机、激光雷达和机载POS等传感器相结合，极大地提高了地形图测绘的实时性，减少了外业测量工作强度，增强了测绘产品的多样性。2006年，908专项海洋局北海分局在烟台利用机载LiDAR结合航空摄影测量进行滩涂、海岸地形精确、快速测量和海岸带特征信息提取。2010年，927专项浙江省第二测绘院利用机载LiDAR测绘浙江省沿海1：10 000海岸地形图，证明机载LiDAR测量技术适用于海岸带、海岛礁大比例尺地形图测绘，特别针对滩涂地形图测绘优势明显。2007、2014年江苏省两次采用机载LiDAR测绘苏北浅滩1:10 000地形图，制作了DEM、DOM、DLG等标准测绘产品。国内应用证明，机载LiDAR测量技术稳定、应用成熟。 二、机载LiDAR测量理论 ⒈ 机载激光扫描测量原理 机载激光扫描系统集成了GPS、INS和SLR，利用飞机作为平台，获取地面的三维坐标，快速生成DEM产品。 当空间一个向量，其向径为S，方向为(α，ω，κ)，如能测定起点坐标(X0，Y0，Z0)，则该向量的另一端点Pi(Xi，Yi，Zi)的坐标就可以唯一确定下来，见图1。而当S，α，ω，κ，X0，Y0，Z0存在一定误差时，P点的位置也会在一个误差椭球内变化。  图1 机载激光扫描测量原理示意图 机载激光扫描系统利用激光扫描测距仪SLR，按固定间隔向地面发射激光脉冲，并获取地面采样点到投影中心的距离S；利用GPS/DGPS精确获取飞机平台位置，即投影中心的坐标(X0，Y0，Z0)；再利用高精度的姿态测量装置INS获取投影中心处主光轴姿态数据(α，ω，κ)，如果考虑激光扫描角度θ，则地面点P的坐标可以确定： 据此获取每个激光扫描点的三维坐标，生成高精度数字地面模型产品。在高速运动的飞机平台上，实现从空中直接测定地面目标三维坐标，需要解决4个难题。 ⑴精确测定飞机平台空中位置的GNSS定位技术；机载DGPS技术定位精度可以达到厘米级，北斗卫星定位系统(BDS)定位精度亦可达到分米级、厘米级，均可用于空中载体测量和定位。GNSS数据采样间隔越小越好，航空测量一般要求在2Hz以上。 ⑵测定遥感器姿态的惯性测量系统；惯性测量系统由加速度计、陀螺仪等组成，利用GNSS的位置、速度信息不断对惯性测量的漂移进行积分校正，大大提高了惯性测量精度和实用性。目前，国外INS与GPS组合测定姿态精度已达到秒级，国内也达到数十秒，但稳定性偏弱。 ⑶激光扫描测距技术；激光扫描测距技术主要受制于激光器发射频率和激光扫描技术。目前，激光器发射频率从几十千赫，发展到几百千赫；扫描方式主要分为直线扫描和圆锥扫描，目前以圆锥扫描为主。 ⑷GPS、INS和SRL集成技术。GPS、INS和SRL分别担负着三类数据源获取职责，即相互联系、密不可分，又各自独立、互不干扰。由公式⑴可知，除了三型设备各自的测量精度以外，相互间精确的位置关系及其稳定性决定了整个系统的测量精度。由于GPS接收外部同步信号的时间间隔不能小于0.5s[1]，姿态测量装置的测量速度(64Hz)也低于激光扫描速度，使得GPS、INS和SRL三者不能严格同步。一般一个扫描行采集一次姿态测量数据，多个扫描行采集一次定位测量数据。但是，定位、测姿和测距数据的同步性或匹配精度需要达到100ns。 ⒉ 机载LiDAR测量数据处理 机载LiDAR测量系统一般是在机载激光扫描系统基础上，同时加载了数码相机。机载LiDAR测量数据包括：GNSS数据、姿态数据、点云数据、影像数据等。在航测作业完成以后，首先需要进行数据分解、匹配、检查和评估，这一步很重要，因为关系到飞行数据是否合格，要不要重飞，影响到作业成本和时间。主要工作包括以下几个方面。 ⑴结合GNSS定位数据进行飞行航迹检查。飞行轨迹与计划航线的偏差不能超过设计航线的5%，航迹应覆盖整个测区。 ⑵姿态数据检查。主要检查姿态数据的完整性，航线俯仰角、侧翻角一般不大于2°，航向弯曲度不大于3%；剔除个别跳点，修正漏记或误记数据。 ⑶点云数据检查。分析点云数据特点和无回波原因，剔除异常值，检查条带拼接偏差、统计每条航带点云数据丢失率。 ⑷图像数据质量检查。检查图像重叠度、图像清晰度和图像姿态变化幅度等。 完成航测数据检查和评估以后，开展机载LiDAR测量数据预处理，主要工作包括以下几个方面。 ⑴GPS数据差分处理。利用地面GPS基准站和机载GPS数据进行载波相位差分处理，获取高精度定位数据。 ⑵激光扫描与定位定姿数据同步解算。激光扫描频率远远高于GPS定位和INS定姿频率，通常需要将后者拟合内插实现三种数据的匹配。 ⑶坐标基准转换和坐标投影变换。将GPS的WGS84坐标系转换为CGCS2000坐标系。根据朱华统1990年提出的公式，将GPS的大地坐标变换为高斯平面坐标[1]，换算精度为0.001m。 ⑷高程基准转换。由GPS的椭球高Hg(又称大地高)，转换为1985国家高程系统的海拔高Hr(又称正常高)，两者之间存在高程异常(ε)，即： Hr＝Hg－ε ⑵ 干出滩的高程基准以理论最低潮面作为基准面Hd，与85高程基准面(Hr)存在一个差值h，通常不同区域的h值不同。 Hd＝Hr－h ⑶ ⑸偏心矢量改正。测定GPS天线相位中心与传感器投影中心之间的偏心矢量，改正定位定姿数据与激光点云数据的系统偏差。常用方法为检校场改正法和自检测改正法。 ⑹激光采样点位置解算。通过GPS、INS和SRL三类数据同步及匹配处理，根据公式⑴计算每个激光脚点的三维坐标。 由于机载LiDAR测量数据预处理需要大量外业工作支持，而且是外业数据获取成果检查和评价的基础，所以数据预处理一般在外业数据采集任务中完成。在预处理基础上，进行机载LiDAR测量数据的后处理。主要工作包括以下几个方面。 ⑴点云数据滤波分类。主要区别点云的地面点或非地面点问题，一般根据滤波分类的准则，采用数学形态学滤波法、渐次加密法、表面滤波法和分割滤波法等滤除非地物点和移动地物点。基于反射强度、回波次数、地物形状等算法，对点云数据进行自动分类。点云数据分类一般为：水系、居民地、交通、管线、植被、其他等。 ⑵地形编辑和DEM制作。结合影像数据，采用人工编辑方法对点云数据进行检核，改正分类结果，然后采用多项式拟合、样条拟合、曲面拟合等方法生成DEM产品。 ⑶正射影像制作。针对获取的图像数据，利用点云数据作为控制点进行空三加密，并利用DEM成果进行投影改正，制作正射影像。 机载LiDAR测量数据处理的自动化程度较高，特别是在激光采样点位置解算、DEM制作、正射影像制作等技术环节基本实现了自动处理。但是在点云数据滤波分类编辑时需要大量人工干预工作。 ⒊ 机载LiDAR测量技术特点 ⑴机载LiDAR测量与摄影测量技术比较。摄影测量是通过获取地面二维图像，经过后期复杂处理，采用立体测图的原理获取目标三维信息，达到目标定位目的。机载LiDAR完全不同于摄影测量对地定位理论，是真正意义上的目标定位测量。通过GPS、INS定位、测姿，SRL测距，直接获取目标三维信息，其测量精度更高。但是机载LiDAR数据的目标识别能力相对较弱。尽管配备了数码相机，由于像幅小，模型覆盖实地面积也较小，造成航测内业采集线划图的工作量增大。 ⑵机载LiDAR测量与卫星遥感技术比较。尽管商业卫星遥感影像分辨率已经达到0.5m，但分辨率依然偏低，大比例尺测图能力较弱，主要是宏观应用；卫星图像处理中需要地面控制点，数据处理复杂、周期长，且卫星遥感受卫星轨道周期和天气等影响，时效性较弱。机载LiDAR测量机动、灵活，不需要地面控制测量支撑，数据处理速度快、自动化程度高，但是无法解决境外、特殊岛礁等特殊区域的海岸地形测量需求。 ⑶机载LiDAR测量技术的主要特点。机载LiDAR测量定位精度高，无需地面控制点，受天气、太阳高度角和阴影的影响小，同时具备摄影测量能力，点云数据密度高，数据处理自动化程度高，适合生产大比例尺DEM和精细地貌产品，能克服山地地形及植被覆盖影响，保证DEM、DOM制作精度和效率，产品种类多样化，可直接与其他类型要素或图像数据融合，生产各种专题产品，特别是对滩涂、沙漠、矿区等地面景物纹理贫乏区域，以及地面工作极度困难的无人区、地面控制点严重缺乏区、远离大陆的岛礁等，机载LiDAR具有特殊地位和作用。 三、海岸地形测量应用 海岸地形测量是海洋测绘的重要组成部分，主要包括三部分内容：海岸线；海岸线以上一定范围内的航行方位物、道路、河流、沟渠、居民地、植被、土质等；海岸线以下干出滩、明礁、岛屿以及码头、海堤、灯塔、渔堰等重要地物。由于海道测量规范对海岸线、干出滩性质与高程、航行方位物等要素信息的测量精度要求较高[3]，所以，传统海岸地形测量主要采用数字全站仪和GPS RTK等人工实地精确测量方法。随着机载LiDAR技术及其应用的快速发展，使海岸地形测量的技术创新成为可能。 ⒈ 海岸线机载LiDAR测量 按照《海道测量规范》要求，海岸线应实测，即根据海岸的植物边线、土壤和植被的颜色、湿度、硬度以及流木、水草、贝壳等冲积物人工实地测定，并按性质分为岩石岸、磊石岸、砾质岸、沙质岸、陡岸、岩石陡岸、加固岸、垄岸，详细测注高程，高程测量中误差不大于0.2m，陡岸、堤岸均须注记比高等。 20世纪90年代受测量技术水平的限制，《海道测量规范》要求海岸线实测。但是目前基于航空摄影测量和激光雷达扫描测量的地形图测绘技术发展很快，测图比例尺普遍达到1:2 000，影像分辨率高于0.2m，最高可达0.05m，通过影像解译提取海岸线已成为现实，加之高精度、高密度的激光点云数据，准确勾画出海岸线等高特征，确保海岸线识别定位信息准确可靠，同时机载LiDAR提供了海岸线高程注记和地物比高信息，再结合外业调绘，实现海岸线精细分类。单一摄影测量无法满足海岸线高程测量精度和精细分类要求，而机载LiDAR测量包含摄影测量和激光点云测量两部分功能，再结合外业调绘技术，使机载LiDAR成为海岸线测量的有效手段。 ⒉ 滩涂机载LiDAR测量 滩涂测量包括海岸线以下干出滩、明礁、岛屿等，以及码头、海堤、灯塔、渔堰等重要地物，要求高程测量中误差不大于0.2m。常规测量模式为：以半潮线为界，分别采用人工实地测量和船载声纳测量方式，实施干出滩地形测量和滩涂水深测量，然后将两种测量成果拼接。 由于滩涂介于水陆交互地带，水深测量和地形测量两种成熟技术均受到制约，使滩涂测量成为海洋测绘难度最大、技术能力最薄弱的环节。机载LiDAR测量技术可以解决干出滩地形测量的难题，提高作业效率。机载LiDAR高程测量精度可以达到0.15m，生成高精度、高分辨率的干出滩DEM数据，同时对明礁、岛屿以及码头、海堤、灯塔、渔堰等地物的测量精度亦满足海道测量规范要求，国内多家单位进行了成功应用。机载LiDAR测量技术将发挥其技术优势，成为解决干出滩测量的最佳手段。 ⒊ 重要海图要素机载LiDAR测量 航行方位物指海岸线以上一定范围内具有航行指示意义的地物目标，其他重要海图要素包括道路、河流、沟渠、居民地、植被等。常规测量方法为人工实地测量，效率低、工作量大。机载LiDAR测量包含了摄影测量和激光点云测量两项功能，在常规摄影测量基础上，增强了高程测量能力，克服了摄影测量应用于海洋测绘的主要问题，为海洋测绘航行方位物测量及海岸地形测量提供了新的有效手段。 ⒋ 海岸地形测量应用 江苏省2014年组织了海岸带机载LiDAR测量任务，获取了整个苏北浅滩1:10 000比例尺成图测量数据。结合江苏省金威遥感数据工程有限公司完成的“江苏省沿海滩涂机载激光雷达与航空摄影成果质量自检报告”和机载LiDAR测量数据，应用分析见表2。 海岸线、干出滩和航行目标的平面精度通常高于大比例尺测图指标要求，主要问题是高程测量精度略低于《海道测量规范》要求的0.2m，但是满足1:10 000地形图要求。造成滩涂高程测量误差偏大而且规律性差的主要原因，还有待进一步分析，需要特别考虑的是苏北浅滩随海流和潮流变化大的特点。地物识别分类主要依据遥感影像和点云数据进行人工解译，海岸线和航行目标特征明显，解译准确率较高；干出滩由于地貌破碎、水洼广布，人工识别和编辑的工作量很大，解译准确率较低。海岸线、干出滩和航行目标的精细分类和属性信息获取需要外业调绘。所以，机载LiDAR测量技术是海岸地形测量技术的加强和补充，与常规测量技术结合，能大幅度提高海岸地形测量效率和能力。 表2 机载LiDAR海岸地形测量应用分析
四、结束语 通过应用分析，证明机载LiDAR海岸地形测量精度满足海道测量规范要求，滩涂高程测量精度受制于环境和地形动态变化特点，中误差偏大，但是满足大比例尺地形图测量规范要求。海岸地形测量一直是海洋测绘的技术瓶颈，迫切需要引进可靠、高效的新技术。目前，地形图测绘以摄影测量技术为主，海岸地形测绘以人工实地测量为主，而机载LiDAR测量技术从某种意义上讲，集成了这两种常规测量技术的优点，同时具备摄影测量的效率和人工实地测量的精度。另一方面，机载LiDAR测量技术广泛应用于数字城市建设、公路铁路及电力选线巡线、林业监测、海岛和滩涂测绘等领域，印证了其技术和设备的成熟性，满足高强度高密度的工程作业要求，而且能大大提高作业效率和生产效益。在3D技术如火如荼发展的今天，快速提取地表三维数据，构建精确的地表模型，无疑将成为今后测量领域发展的新方向。机载LiDAR测量技术是一种新的、先进的技术手段，相比航空摄影测量和常规海岸地形测量技术具有独特的优势和特点，三种技术的结合应用是海岸地形测量技术的发展方向，也是今后研究的重点。 参考文献： [1]尤建红.激光三维遥感数据处理及建筑物重建[M].北京:测绘出版社,2006.1. [2]滕惠忠,王瑞,翟京生,等.海岸地形测量的现状与发展[C]//天津:第十七届海洋测绘综合性学术研讨会(论文集),2007. [3]江苏省金威遥感数据工程有限公司.'江苏省沿海滩涂机载激光雷达与航空摄影成果质量自检报告'[R]. 2014. [4]程玉书,张冉,焦学军,等.机载LiDAR在河南省重要成矿区带1:5000地形图测绘中的应用[J].测绘与空间地理信息,2016(5):83-85. [5]张荣华,林 昀.基于机载激光雷达的滩涂测量关键技术研究[J].测绘工程,2015(1):33-35. [6]葛婷婷.机载LiDAR技术在滩涂地形图生产中的应用[J].数字技术与应用,2014(2):47-49. [7]史照良,曹敏.基于LiDAR技术的海岛礁、滩涂测绘研究[J].测绘通报,2007(5):49-51. [8]赖祖龙,张汉德,万幼川,等.激光雷达在滩涂海岸地形测量中的应用[J].海洋测绘,2008(3):37-39. [9]郭清风,张峰,范巍.关于LiDAR数据的滩涂、海岸带主要地物提取方法[J].地理空间信息,2011(4): 25-27. [10]盛志鹏,吴迪,楼燕敏,等.机载LiDAR技术在浙江省滩涂测高实验中的应用研究[C]//第十四届华东六省一市测绘学会学术交流会,2011.4.25-27. [11]裘国富,吴伟如.滩涂地形测量方案[J].科技纵横,2012(6):119-120. [12]史永忠,胡峰涛.浅谈无人机航摄结合验潮获取滩涂高程的技术[J].浙江水利科技,2013(7):188-189.  ■第一作者孙雪洁，1980出生，男，山西应县人，高级工程师，硕士，主要从事海洋测量与数据处理研究；本文来自《海洋测绘》（2017年第3期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。 |
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