机载LiDAR技术在城市3D数字产品中的应用

1、机载LiDAR技术在城市3D数字产品中的应用摘要：本文介绍了机载LiDAR测地技术的主要原理与方法，并结合某地城市3D数字产品的制作过程，详细阐述了该技术在3D产品生产中的运用及主要特点。关键词机载雷达；3D产品；数字城市中图分类号：D912.4文献标识码：A文章编号：引言机载激光雷达.(AirborneLightDetectionAndRanging，简记为LiDAR)，是集激光扫描、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一体的空间测量技术，能够快速、精确地获取地表信息。与传统航测相比，机载LiDAR具有速度快、精度高、能提供丰富的三维信息等优点。机载激光雷达系统与数字航摄

2、仪、机载GPS及惯性导航系统相结合，使用大容量高速计算机，经过专用软件处理，可快速完成数字高程模型(DEM)、数字正射影像图(DOM)及数字表面模型（DSM）的大规模生产。LiDAR数据的平面精度可以达到0.2m，高程精度可达到0.1m。近10年以来，LiDAR硬件设备已经成熟和稳定，并且性能越来越优化；针对LiDAR数据的处理软件已基本成熟；并已投入商业应用。LiDAR的应用领域在不断的扩展和深化，已经成功的应用于大比例尺DEM、DSM、DOM制图、电力和公路选线、城市规划、森林调查、灾害灾情监测、三维数字城市建设等行业领域。1.LiDAR系统构成、定位原理及应用1.1LiDAR系统构成Li

3、DAR系统主要如下几部分构成：GPS：根据地面基站及机载GPS快速确定空中飞机的三维坐标；INS：惯性测量系统，用于确定飞机的空中姿态；激光扫描测距系统：测量空中点至地面的距离成像装置（CCD数码相机）：获取所经地面的影像，用于制作地面正射数字影像；工作平台：可携带上述装置的飞行器。1.2LiDAR定位原理机载LiDAR定位原理：设空间有一向量S，其模为S，方向为（，），若能测出该向量起点Os的坐标（Xs，Ys，Zs），则此向量的另一端点Ps的坐标（Xs，Ys，Zs）便可唯一确定。对机载系统而言，起点Os为遥感器光学系统的投影中心，其坐标可利用动态差分GPS求出，向量S的模S是由激光测距系统测

4、定的机载激光测距仪测理投影中心到地面激光脚点之间的距离，姿态参数（，）可以利用高精度的姿态测量装置进测量获取。其中一些系统参数，主要包括激光测距光学投影中心相对于天线相位中心的偏差；激光扫描器的安装角，即倾斜角、仰俯角和航偏角；IMU（惯性测量单元）相对于GPS的位置偏差及IMU机体同载体坐标轴系之间的不平行等项参数，需要通过一定的检校方法确定。2LiDAR系统的数据处理利用系统自带的随机软件，可以对飞机GPS轨迹、飞行姿态、测光测距等相关数据进行处理，得到各测点的3维无属性的空间坐标数据，即所谓的“点云数据”。LiDAR系统的数据处理即是对上述的“点云数据”进行分类处理，根据不同的需要，按一

5、定的分类原则，提取相关的信息，形成用途各异的数字产品。TerraSolid是用于对点云数据进行分析处理的专用软件。该软件具有可显示3维点数据，可任意定义点的类型，可手动或自动分类点，进行点位抽稀，提取关键点，在激光点上数字化特征地物，并能与摄影测量影象数据融合，可输出分类后的激光点和高程模型等功能。在3D城市数字化产品制作中，TerraSolid主要用于构建地面高程数据（DEM）和数字表面模型（DSM），并结合影象数据生成数字正射图（DOM）33D数据数字产品制作现以某滨海城市为例介绍3D数据数字产品制作过程。利用机载Lidar设备飞行采集的原始点云、数码航片、航迹信息等数据通过影像调色、数据

6、预处理、点云分类、空三加密、拼接线修改、图幅裁切等一系列处理，生产出符合相应比例尺国家标准的DEM、DSM、DOM成果及建筑物体框模型。3.1DSM和DEM制作流程:3.1.1对激光点三维数据进行地表和地面激光点的分类处理。3.1.2生成粗imagelist，直接利用未空三加密的imagelist文件快速生成粗数字正射影像。3.1.3参考粗数字正射影像，对分类后的激光点三维数据进行检查，纠正前期分类错误的激光点。3.1.4对地面激光点构建三角网模型，按2.5和0.8米的格网间距分别内插为1：2000比例尺数字高程模型；对地面和建筑物、树木、桥梁地上构建物等对应的所有激光点构建三角网模型，按2.

7、5和0.8米的格网间距内插为1：2000比例尺数字表面模型。3.2DOM制作流程3.2.1原始航片调色、匀色。3.2.2POS辅助空三加密，添加连接点。集成后的大区域空三加密时，平原地区要求公共点较差中误差在0.1米以内、最大误差0.2米。山地要求公共点较差中误差在0.13米以内、最大误差0.26米以内；还未集成的小区域空三加密时，平原和山地的公共点较差可在以上基础上放宽一倍。3.2.3通过生成的连接点文件，对原始影像的三个角度外方位元素进行优化调整。3.2.4对正射纠正的影像进行拼接线修改和优化，使不同航片在接边处不穿过建筑物、树木等非地面地物，保证地物影像的完整、自然。3.2.5在拼接线处对影像进行色调修改和平衡，使整幅正射影像色调自然、均匀。3.2.6对专用软件生成的数字正射影像进行架空桥梁等地物出现的拉花、错位、变形等情况的修正，并提交最后数字正射影像成果。4.结语机载雷达（LiDAR）系统以其方便、快捷和高效的3维数据获取技术，具有十分广泛的应用前景。该系统在城市3D数字产品的制作中，可快速获取符合相关规范标准的DEM、DSM、DOM产品。与传统的生产流程相比，采用该技术具有处理区域范围大、成图周期短、成图精度高和生产成本相对较低等特点，具有相当广泛的应用前景。随着LiDAR技术