機載LIDAR技術在國土行業的應用

張天巧 趙瑞睿

（1.廣州建通測繪技術開發有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣東省鶴山國土局，廣東 鶴山 529700）

機載LIDAR技術在國土行業的應用

張天巧1趙瑞睿2

（1.廣州建通測繪技術開發有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣東省鶴山國土局，廣東 鶴山 529700）

本文介紹了機載LiDAR測量技術的主要原理與方法，并結合LiDAR產品特點和國土行業的需求，詳細闡述了該技術在國土行業中的應用。

機載LiDAR；國土行業；三維模型

機載LiDAR測量系統是一種主動航空遙感裝置，是實現地面三維坐標和影像數據同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實現地物三維實時、變化、真實形態特性再現的一種國際領先的測繪高新技術。該技術基于激光測距、GPS定位、慣導測量、及航空攝影測量原理，可以快速、低成本、高精度地獲取三維地形地貌、航空數碼影像等空間地理信息數據。

機載LiDAR技術是當前測繪行業前沿技術，該技術集成了慣性導航技術、衛星定位技術和激光測距技術，具有在大范圍內高效地獲取多種高精度數據的能力，并且具有精度高、產品多、效率高，人為影響因素小的特點。這必將在技術上和應用上根本解決現存的諸多問題，大大促進地理信息產業的發展和充分發揮空間地理信息在經濟和社會中的作用。

1 機載LiDAR測量技術

1.1 系統組成及工作原理

機載LiDAR系統主要由激光掃描系統、GPS、IMU、數碼相機、監控和控制系統組成，其中LiDAR傳感器和IMU是系統的核心部件，LiDAR傳感器是發射測量激光脈沖和接受激光脈沖遇到障礙物（目標）后所反射的回波，IMU為確定任一瞬間平臺在空間中的姿態，GPS為LiDAR系統提供精確的定時和定位數據。數碼相機可以為獲得高分辨率的影像數據，監控及控制系統在系統采集數據的同時為操作人員提供有效的實時監控信息。對以上數據進行處理，可以獲得DOM、DEM、DSM、DLG、三維數字模型等產品。

1.2 航飛計劃制定及數據采集

1.2.1 在航飛前要制訂飛行計劃。航飛計劃應包括航帶劃分，確定飛行高度、速度、激光脈沖頻率、航帶寬度、激光反射鏡轉動速度、數碼相機方位元素及定位、相機拍攝時間間隔等，并將各航帶的首尾坐標及其他導航坐標輸入導航計算機內，在飛行導航控制軟件的輔助下進行飛行作業。

1.2.2 安置GPS接收機。為保證飛機飛行各時刻的三維坐標數據的精度，需要在地面沿航線布設一定數量的GPS基準站，同時將GPS流動站安置在飛機上。

1.2.3 激光掃描測量。預先設置好掃描鏡的擺動方向和擺動角度，當飛機飛行時，紅外激光發生器向掃描鏡上不停地發射激光，通過飛機的運動和掃描鏡的運動反射，使激光束打到地面并覆蓋測區，當激光束到達地面或遇到其他障礙物時被反射回來，被一光電接收感應器接收并將其轉換成電信號。根據激光發射至接收的時間間隔即可精確測出傳感器至地面的距離。

1.2.4 慣性測量。當飛機飛行時，慣性測量裝置同時也將飛機的飛行姿態測出來，并和激光的有關數據、掃描鏡的掃描角度一起記錄在磁帶上。

1.2.5 數碼相機拍攝。利用數碼相機進行拍攝時，需要對其拍攝時間間隔和拍攝位置進行控制。通常是用GPS系統進行時間和位置控制。

1.2.6 數據傳輸。航飛數據采集結束后，將所有的激光掃描測量數據、數碼影像數據、GPS數據及慣性測量數據都傳輸到計算機中，為后續數據處理作準備。

1.3 數據處理

機載激光雷達測量系統在野外采集得到的數據需要進行一定的處理才能得到需要的信息。數據處理的內容包括：

1.3.1 確定航跡。將地面的GPS基準站和飛機上的GPS流動站的測量數據進行聯合差分解算，即可精確確定飛行軌跡。

1.3.2 激光掃描測量數據處理。利用儀器廠家提供的隨機軟件，對飛機GPS軌跡數據、飛行姿態數據、激光測量數據及激光掃描鏡的擺動角度數據進行聯合處理，最后得到各測點的（X、Y、Z）三維坐標數據。

1.3.3 數據分類處理?？梢愿鶕叱龅孛娴母叨葘Ψ堑孛纥c數據進行分類，如可以對不同的植被進行分類。然后把輸出分類的數據。

1.3.4 航帶拼接和坐標轉換。將每條航帶點云數據和參考面數據進行比較，對點云進行平面和高程檢查和校正，小于限差后，再進行航帶拼接。平面坐標轉換應采用布爾莎七參數法，高程坐標轉換應采用多項式曲面擬合法進行數據轉換。

1.3.5 影像數據的定向和鑲嵌。數字影像先進行解壓處理，再結合航片的內外方位元素進行空中三角測量，然后結合激光掃描測量的DTM數據進行定向鑲嵌，形成正射影像圖。

1.3.6 在以上數據基礎上制作DLG圖和建立三維模型。

2 機載LiDAR測量的產品

2.1 三維激光點云數據

激光點云數據不僅僅包含X、Y、Z坐標信息，還包括如反射強度等其他多種信息。根據具體需求，激光點云數據密度可達到100點／平方米以上，高密度的激光點云數據能精確反映地形地貌細節。

2.2 數字高程模型（DEM）

基于激光點云數據能夠快速高質地生成高精度DEM成果，DEM高程可達到優于10厘米精度。

2.3 數字表面模型（DSM）

DSM是用含有首次回波信息的激光數據擬合生成的地表模型，DSM模型對地表的房屋和樹木有很好的表現。

2.4 數字正射影像（DOM）

DSM是用含有首次回波信息的激光數據擬合生成的地表模型，DSM模型對地表的房屋和樹木有很好的表現。

2.5 大比例尺地形圖（DLG）

利用激光點云和DOM影像可快速生產大比例尺（1：500至1：2000）DLG產品。

2.6 三維模型

在三維建模軟件支持下，以對應的數碼影像數據為參考，采用人工繪制的方式可以比較精確地對城市建筑物進行三維建模。

3 機載LiDAR技術在國土行業的應用

機載LiDAR技術不僅可以得到常規的DOM、地形圖等數據，還可以得到三維點云、DEM、DSM和三維模型等數據，利用以上數據或者以上數據合成數據，實現對國土資源“批、供、用、補、查”全程的監管。

3.1 三維量測和計算

利用點云數據和DOM數據可以對建筑物進行高度、寬度、直線距離、傾斜距離、投影面積、表面積、土方量等進行量測和計算。（見圖1）

圖1 三維面積量測

3.2 土地利用規劃分析和評價

利用地形圖制作入庫數據得到土地資源數據庫，結合上輪規劃實施評價、土地利用現狀與布局、本輪規劃目標等，輔助編制土地利用規劃。（見圖2）

圖2 用地規劃分析

3.3 用地報批和無紙化審批

基礎地理數據（DOM和DEM）和土地專題數據，實現在三維可視化場景中完成地類核查與分析等整個用地報批流程?？梢詫崿F以地查圖也可以以圖查地。（見圖3）

3.4 三維地籍管理

三維地籍管理，利用（DOM和DEM）和地籍數據，可實現宗地平面與空間三維可視化立體管理，在二維系統的基礎上，進一步實現地表、地上、地下土地使用權的有效管理，更可直觀反映宗地用途、建筑容積率。（見圖4）

3.5 土地利用動態監測和執法監察

利用兩期高清晰的影像數據結合點云數據，可以快速自動對地面建筑物的變化做出監測，及時發出預警，可以直接將結果反饋到移動終端，輔助執法部門現場執法。（見圖5、6）

圖3 用地報批

圖4 三維地籍

圖 5 土地利用動態監測

圖6 現場執法監察

3.6 土地確權和高標準農田建設

基于高分辨率影像數據，以易于理解的影像地圖方式進行土地確權，1：2000線劃圖可以滿足高標準農田建設的規劃設計要求。

4 結束語

激光雷達技術作為近年來航空遙感技術發展的一個重要里程碑，無疑代表著航空遙感技術未來的發展方向。而機載激光雷達優化選線技術自身的優勢以及未來國土建設、智慧城市以及運營維護等對三維空間信息的需求，都將使其成為未來國土行業的發展趨勢，其在電國土行業中必將具有很好的應用前景。

[1]張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M].武漢：武漢大學出版社.

[2]徐祖艦.機載激光雷達測量技術及工程應用實踐[M].武漢：武漢大學出版社，2009.5.

[3]劉殿輝.機載LiDAR技術在城市3D數字產品中的應用[J].城市建設理論研究，2013.

[4]王玲玲.機載激光雷達測量技術在山區高速公路勘測設計中的應用[J].公路交通科技，2010.

P231

A

1671-0037（2014）05-28-2

張天巧（1983-），男，副總工程師、注冊測繪師，研究方向：機載LiDAR技術實踐與應用。