CHT 8024-2011 机载激光雷达数据获取技术规范

A77机载激光雷达数据获取技术规范2011-11-15发布2012-01-01实施国家测绘地理信息局发布I前言 Ⅱ 12规范性引用文件 13术语和定义 1 2 3 67飞行实施 78数据预处理 89质量控制 910相关文件制作 11成果整理与上交 附录A(资料性附录)偏心分量测定表 附录B(资料性附录)飞行记录单 Ⅱ本标准起草规则依据GB/T1.1—2009。本标准由国家测绘地理信息局提出并归口。本标准起草单位：陕西测绘地理信息局、长安大学、武汉大学、北京东方道迩信息技术股份有限公司、南京市测绘勘察研究院有限公司、中国公路工程咨询集团有限公司。本标准主要起草人：肖平、隋立春、邓国庆、谢露蓉、马洪超、张生德、储征伟、许振辉。1机载激光雷达数据获取技术规范本标准规定了机载激光雷达数据获取阶段的基本要求以及技术准备、飞行计划与实施、数据预处理、数据质量检查、成果提交等技术要求。本标准适用于基础测绘中机载激光雷达数据获取的生产作业。其他性质的测绘工程可以参照执行。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T18314全球定位系统(GPS)测量规范GB/T24356测绘成果质量检查与验收CH/T1001测绘技术总结编写规定CH/T1004测绘技术设计规定CH/T8016全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程CH/T8021数字航摄仪检定规程CH/Z3005低空数字航空摄影规范3术语和定义下列术语和定义适用于本标准。激光雷达LIDAR发射激光束并接收回波获取目标三维信息的系统。[GB/T14950—2009,数据获取4.150]定位定姿系统PositionandOrientationSystem;POS用于确定传感器空间位置参数和姿态参数的系统，一般由GNSS接收机和惯性测量装置(IMU)集成。激光扫描仪laserscanner发射激光脉冲，通过记录激光脉冲从发射经目标物反射到接收单元的时间延迟，测定从发射点到目标物反射点之间距离的激光测距系统。机载激光雷达airborneLIDAR在航空平台上，集成激光雷达、定位定姿系统(POS)、数码相机和控制系统所构成的综合系统。以离散、不规则方式分布在三维空间中的点的集合。2通过激光雷达扫描获得的点云。单位面积上点的平均数量。激光扫描仪可以探测的距离。投射到物体上被反射的辐射能与投射到物体上的总辐射能的比率。4总则4.1点云密度要求机载激光雷达获取的点云数据密度应能满足内插数字高程模型数据的需求。具体值见表1的规定。平坦地区点云密度适当放宽，地貌破碎地区适当加严。表1点云密度要求点云密度/(占/米24.2点云数据高程精度要求点云数据高程精度应使用野外控制点数据进行检查，其高程中误差应不大于表2的要求。表2点云数据高程精度要求比例尺地形类别点云数据高程中误差山地3表2(续)比例尺地形类别点云数据高程中误差山地山地山地山地在植被覆盖密集区域、反射率较低区域(如水域、光滑表面等易形成镜面反射的区域)等特殊困难地区，点云数据高程中误差在表2基础上可放宽0.5倍。最大允许误差为表2中误差的2倍。4.3对数字影像的要求数字航摄仪获取的数字影像，飞行质量和影像质量应符合数字航空摄影相关标准的规定；非量测型数码相机获取的数字影像，飞行质量和影像质量应符合CH/Z3005的规定。5技术准备5.1资料准备资料准备一般应收集以下资料：a)飞行区域的行政区划、通信、交通和自然地理等情况；b)飞行区域及邻近地区内已有大地测量资料(如大地控制资料、高程控制资料、似大地水准面成果、像控成果、全球导航卫星系统连续运行基准站等)情况；c)飞行区域的地形类别、地面覆盖类型、植被覆盖密度等情况；d)飞行区域内数字高程模型数据、正射影像图、地形图等相关资料；e)必要时进行实地勘察获取的相关资料及信息。45.2仪器设备及检校5.2.1激光扫描仪对激光扫描仪的要求如下：a)根据作业区域的地形条件，以及成果对点云密度及数据精度的要求，选择适宜的激光扫描仪，并确定回波次数、扫描角度、扫描频率等相关参数；b)激光测距精度和扫描测角精度经过检校；c)系统零点位置经过检校。对POS系统的选择和要求如下：a)应采用双频航空型GPS接收机，具备高动态、高准确度双频数据接收能力，具有精确定义和稳定的相位中心，采样频率不低于2Hz;b)IMU测角精度要求：侧滚角和俯仰角不大于0.005°,航偏角不大于0.02°;c)IMU记录频率一般不低于64Hz;d)具有信号示标输入器(eventmarker)接口，能够将数码相机快门开启脉冲通过接口准确写入GPS数据流，脉冲延迟一般不大于1ms,特殊情况下可适当放宽；e)电源系统应满足长时间无间断作业要求；f)机内移动存储器应满足长时间记录和存储所有数据的容量；g)GPS接收机的检定应符合CH/T8016的规定，IMU的检定应符合相关标准的规定；h)系统具有良好的抗加速能力。对地面GPS接收机的要求如下：a)应与机载GPS接收机性能匹配；b)类型应为双频GPS接收机，满足高频采样率要求，采样频率不低于2Hz;c)具有带抑径板或抑径圈的GPS接收天线，并具有良好的抗干扰能力；d)电源应能满足长时间不间断工作；e)配备能满足满架次飞行作业所需地面观测数据存储要求的存储器；f)GPS接收机的检定应符合CH/T8016的规定。5.2.4数码相机数字航摄仪应符合数字航空摄影相关标准的规定，其检定应符合CH/T8021的规定；非量测型数码相机及其检校应符合CH/Z3005的规定。5.2.5系统综合检校系统综合检校的要求如下：a)组成机载激光雷达系统的激光扫描仪、POS系统、数码相机等设备必须处于良好的工作状态，具有仪器设备检验合格证书，且检验合格证书应在有效期内；b)POS系统与激光扫描仪、数码相机之间的位置和角度关系，在每个项目实施前均需进行系统综合检校，偏心分量值可参见附录A填写测量结果。5.2.6机载激光雷达检校场及检校飞行方案5.2.6.1机载激光雷达检校场的要求如下：5a)检校场用于对机载激光雷达设备的整体检校；b)检校场包含平坦裸露地形，有用于检校的建筑物或明显凸出地物；c)检校场内目标应具有较高的反射率，存在明显地物点(如道路拐角点等)。5.2.6.2可以采用如下检校飞行方案：线(旁向50%重叠度)。飞行示意图见图1。b)飞行航线为3×3,旁向重叠度大于50%,单向飞行。飞行示意图见图2。根据实际情况和不同的机载激光雷达设备，选择以上a)方案或b)方案或其他检校飞行方案。 5.2.6.3检校场地面控制点的布设及测量要求如下：平面或一条直线，可按数据高程模型格网间距的5倍进行布设。b)用于高程精度检校的控制点应布设在裸露的平坦地面上；平面精度检校的控制点需要时可布设为三维地面标志点。c)地面控制点平面位置精度应不低于GB/T18314中E级GPS点的精度要求，高程精度应不低于等外水准的精度要求。a)系统各个部分检校的内容和结果；5.3技术设计a)技术设计时应依据项目总体要求、资料分析结果等编写设计书，并根据项目具体情况与数据后处理合并编写或独立编写。b)技术设计应包含以下主要内容：64)数据预处理，如对原始数据的整理、POS数据处理、点云数据解算、航带拼接提出要求；5)数据质量检查，如检查范围、检查项目、补飞和重飞的具体要求等；6)成果提交，如成果数据的提交方法、提交内容等。c)技术设计应满足本标准规定的各项技术要求，特殊情况不能达到时应明确说明原因，并通过项目组织管理部门的审核批准。d)技术设计的编写要求及主要内容应符合CH/T1004的规定。6飞行计划6.1飞行计划制定飞行计划应根据任务的需要拟定，由数据处理单位和飞行执行单位共同商定有关具体事项，应明确下列主要技术内容：a)对于机载激光雷达点云数据获取应明确：1)飞机、机场、飞行区域和飞行面积(飞行范围应以经纬度和图幅号略图表明);2)需要提供的飞行资料的名称和数量；3)执行飞行任务的季节和期限；4)GPS信号和有效卫星数要求；5)机载激光雷达点云数据密度要求；6)航线敷设、航线重叠度；7)机载激光雷达设备类型、技术参数和附属仪器参数；8)需提供的航摄成果的名称和数量；9)点云数据高程精度的要求；10)点云数据精度检测要求；11)其他相关的技术要求等。b)对于数字影像获取应明确：1)数码相机类型、技术参数和附属仪器参数；2)影像分辨率的要求；3)影像航向、旁向重叠度的要求；4)摄影质量的要求；5)其他相关的技术要求等。6.2飞行季节和飞行时间选择飞行季节和飞行时间的选择要求如下：a)应选择气象条件最有利的飞行季节；选择地面无积雪、地面植被稀疏和树木落叶的季节，同时应b)应根据机载激光雷达所采用的激光扫描仪的波长选择合适的飞行时间，同时考虑GPS信号强度和卫星数量的要求等因素；如果同时需要获取数字影像，还应选择有利于影像获取的航摄飞行时间。6.3航线设计与分区航线设计与分区的具体要求如下：7a)航线敷设和划分分区时，应根据IMU误差积累的指标确定每条航线的直线飞行时间。b)飞行高度的确定应综合考虑点云密度和精度要求、激光有效距离及飞行安全的要求，同时应考虑激光对人眼的安全性要求。c)分区应基于激光有效距离及地形起伏等情况进行设计，应考虑基站布设情况以及测区跨带等问题。d)航线旁向重叠设计应达到20%,最少为13%,应保证飞行倾斜姿态变化较大情况下不产生数据覆盖漏洞，在丘陵山地地区，设计时应适当加大航线旁向重叠度；航向起始和结束应超出半幅图幅范围，旁向应超出半幅图幅范围，超出部分不小于500m,且不大于2000m。e)在满足成果数据的技术要求和精度要求的前提下，在同一分区内各航线可以采用不同的相对航高。f)航线一般应按照东西或者南北直线飞行，特殊任务情况下，则应按照公路、河流、海岸线、境界等走向飞行，项目执行时可以按照飞行区域的面积、形状，并考虑到安全和经济性等实际情况选择飞行方向。g)每个测区应至少设计一条构架航线，航高保持一致。h)如需基础地理信息数据数字正射影像图的生产制作，在满足点云数据精度要求的前提下，还应符合数字航空摄影相关标准的规定。6.4基站布设与测量基站的布设和测量应符合IMU/GPS辅助航空摄影相关标准的规定。7飞行实施7.1飞行准备飞行准备的要求如下：a)飞机停机位四周视野开阔，视场内障碍物的高度角应不大于20°,避免GPS信号接收失锁。b)机载设备在起飞前进行加电检测，在起飞前5min开机，落地后滑行到停机坪后5min关机。c)所有基站应在飞行前进入观测状态，完成电源、存储系统等的检查，做好观测准备；所有基站在测量过程中应连续测量。d)准备好第二套飞行方案，以备由于客观原因导致飞行困难。7.2检校飞行检校飞行的要求如下：a)机载激光雷达设备每次拆卸安装，或设备各部件相对关系发生改变后，均应重新进行检校飞行；b)多架次飞行后，可以根据数据质量情况进行重新检校；c)检校飞行应满足卫星数量大于10颗，高度角大于15°,并应选择好的观测时段，位置精度衰减因d)每个项目起始段和结束段均宜通过检校场。7.3航高保持航高保持的要求如下：a)在一条航线内航高变化不应超过相对航高的5%～10%;8b)实际航高变化不应超过设计航高的5%～10%。7.4飞行速度飞行速度的要求如下：a)飞行速度应根据机载激光雷达在不同航高和不同激光光线强度等情况下的标称精度要求、项目对精度要求、地形起伏情况、激光频率、系统的最大瞬时视场角(IFOV),以及载体的性能等参数确定；b)整个作业区域内，飞行速度应尽可能保持一致；c)在一条航线内，飞机上升、下降速率不大于10m/s。7.5飞行过程中姿态飞行过程中姿态的要求如下：a)航线俯仰角、侧翻角一般不大于2°,最大不超过4°;b)飞机转弯时，坡度不大于15°,最大不超过22°;c)航线弯曲度不大于3%;d)需要时，为避免IMU误差积累，每次进入测区前，飞机应先平飞3～5min,再做个“8”字形飞行；当次飞行结束后，飞机应先做“8”字形飞行后平飞3～5min。7.6补飞与重飞出现下列问题时，需要进行补飞和重飞：a)POS系统局部数据记录缺失；b)根据各个设备评价指标检查是否满足要求决定；c)原始数据质量存在局部缺陷而影响点云的精度或密度。补飞或重飞航线的两端一般应超出补飞范围外半幅图，超出部分不小于500m,且不大于2000m,并应满足与原航线的旁向与航向重叠要求。7.7其他注意事项飞行时其他注意事项如下：a)为确保设备安全，应待飞机发动机启动，电压稳定后，方可通电使用相关设备。b)飞行过程中应及时观察系统工作情况，根据实际情况及时处理出现的问题，重点观察下列现象：1)POS系统信号状况；2)回波接收状况；3)数据质量状况；4)实时天气状况。c)飞机降落滑行至飞机停机位停稳后，应等候5min,保证IMU与GPS数据记录完整，待机载激光雷达设备电源关闭后，方可关闭飞机电源。d)飞行记录格式参见附录B。8数据预处理8.1预处理的内容对原始数据进行解码，获取GPS数据、IMU数据和激光测距数据等。将同一架次的GPS数据、IMU数据、地面基站观测数据、飞行记录数据、基站控制点数据和激光测距数据等进行整理，生成满足要求的9点云数据。8.2POS数据处理POS数据处理的要求如下：a)在飞行区域内有全球导航卫星系统连续运行基准站，并且其采样频率符合要求，收集这类基站的观测数据，联合机载GPS观测数据，按照后处理精密动态测量模式进行处理，获取飞行过程中各时刻GPS天线的基准坐标；b)如果在飞行区域布设地面GPS基站，可采用国家已知GPS坐标点联测方式得到基准站坐标，或收集基准站周围全球导航卫星系统连续运行基准站(如IGS站)观测数据、IGS站精密星历和精密钟差等相关数据，解算获取GPS基准站坐标，联合机载GPS观测数据，按照后处理精密动态测量模式进行处理，获取飞行过程中各时刻GPS天线的基准坐标；c)选择该架次距离摄区最近的基站数据进行解算或采用多基站数据联合解算，确保采用最优解算结果；d)剔除姿态不佳的编号卫星数据，保证最终差分数据质量；e)基于差分GPS结果与IMU数据进行POS数据联合处理，并顾及系统检校已量测的偏心分量值；f)若GPS数据采用精密单点定位后处理模块进行处理，按照精密单点定位数据处理流程解算飞行过程中各个时刻飞机的准确位置；g)通过双向解算差值、GPS定位精度(差分GPS解算结果)和数据质量因子等指标进行综合评定；h)导出航迹文件成果；i)参照IMU/GPS辅助航空摄影相关标准填写POS数据处理结果分析表。8.3检校数据的应用系统各个部件的检校场或室内检校数据主要用于改正飞行过程的系统误差、航带偏移等。将系统部件之间的偏心角、偏心分量数据，通过整体平差的方法解算出定向定位参数，改正航带平面和高程漂移系统误差，解算影像外方位元素。8.4点云数据解算点云数据解算的要求如下：a)联合POS数据和激光测距数据，附加系统检校数据，进行点云数据解算，生成三维点云；b)点云数据可采用LAS格式、ASCIⅡ码格式或其他格式存储。8.5航带拼接和系统误差改正航带拼接时，不同航带间(含同架次和不同架次)点云数据同名点的平面位置中误差应小于平均点云间距，高程中误差应小于表2规定中误差。如果中误差超限且存在系统误差，应采取布设地面控制点的方式进行系统误差改正，小于限差后，再进行航带拼接。8.6精度检查预处理完成后，应采用控制点检查的方式检查点云数据的精度，编写点云数据精度检查报告。9质量控制9.1质量控制内容9.1.1数据文件数据文件质量控制的内容如下：a)地面基站原始数据检查和备份。检查各地面基站记录的原始数据是否存在异常，分析该数据是b)POS数据检查和备份。下载POS原始数据并存储，检查、分析数据记录编号的完整性。c)点云数据检查和备份。下载点云原始数据并存储，检查文件记录编号的完整性。d)影像数据检查和备份。下载影像原始数据并存储，检查影像文件编号记录完整性和影像质量。9.1.2POS数据POS数据质量控制的内容如下：a)偏心分量测定精度是否满足要求；b)GPS信号有无失锁，卫星数量是否满足要求；c)时间信号有无重复或者丢失；d)IMU数据是否正常和连续；e)POS系统数据处理精度是否满足要求。地面GPS基站数据质量控制的内容如下：a)采用预报星历，并应保证95%以上的有效观测的高度角大于10°;载波L1的多路径影响MP1和载波L2的多路径影响MP2小于0.5m;钟的日频稳定性不低于10-⁸;b)采集时段与飞行时段吻合，并且采集频率满足要求。9.1.4点云数据点云数据质量控制的内容如下：a)航带重叠满足要求，无绝对漏洞；b)点云数据覆盖范围满足要求；c)同架次航带间和不同架次航带间的接边误差满足要求；d)点云噪声情况；e)点云密度满足要求；f)点云数据精度满足要求。9