國(guó)產(chǎn)SW—LiDAR系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

 引言
機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR， Light Detection And Ranging）系統(tǒng)主要集成了激光測(cè)距儀、慣性測(cè)量單元、GPS接收機(jī)、電子計(jì)算機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等多種硬件，是一種用于獲取地面及地面目標(biāo)三維空間信息的主動(dòng)式雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)[1]。該技術(shù)國(guó)外起步早，發(fā)展速度快。隨著機(jī)載LiDAR技術(shù)的不斷成熟，在機(jī)載LiDAR硬件設(shè)備方面，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的研究已經(jīng)取得了大量成果并形成了商業(yè)化產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)科學(xué)院遙感所李樹(shù)楷教授于1996年研制出機(jī)載激光掃描測(cè)量成像系統(tǒng)，由于硬件等方面的原因，沒(méi)有進(jìn)入使用階段。目前國(guó)內(nèi)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)正處于蓬勃發(fā)展之中。由北京四維遠(yuǎn)見(jiàn)信息技術(shù)有限公司牽頭，合作多家單位，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力，成功研制了國(guó)產(chǎn)輕小型LiDAR系統(tǒng)，命名SW-LiDAR系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），該系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值，現(xiàn)將該系統(tǒng)情況介紹如下。
1 SW-LiDAR系統(tǒng)的簡(jiǎn)介
SW-LiDAR系統(tǒng)包括硬件、主控軟件SS-Lisc、數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件SS-Lipre、組合導(dǎo)航解算軟件Inertial Explore等。硬件由AirLidar-1000機(jī)載激光掃描測(cè)量?jī)x、國(guó)產(chǎn)POS2010小型化位置姿態(tài)測(cè)量裝置、天寶5700GPS接收機(jī)、SWDC單鏡頭數(shù)字航測(cè)相機(jī)、主控計(jì)算機(jī)、鋰電池、過(guò)渡架等集成。該系統(tǒng)質(zhì)量共計(jì)約50kg，其中AirLidar-1000機(jī)載激光掃描測(cè)量?jī)x質(zhì)量17.8kg、國(guó)產(chǎn)POS2010小型化位置姿態(tài)測(cè)量裝置質(zhì)量7.7kg、天寶5700GPS接收機(jī)質(zhì)量2.5kg、SWDC單鏡頭數(shù)字航測(cè)相機(jī)質(zhì)量3.3kg、主控計(jì)算機(jī)質(zhì)量7.7kg、鋰電池3kg。AirLidar-1000機(jī)載激光掃描測(cè)量?jī)x以脈沖激光器作為主動(dòng)探測(cè)光源，利用激光單色性好、方向性強(qiáng)、能量高、光束窄的特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距掃描，通過(guò)接收目標(biāo)對(duì)激光器信號(hào)的反射及散射回波來(lái)測(cè)量目標(biāo)的方位和距離。該測(cè)量?jī)x的主要工作原理是：由激光器發(fā)送連續(xù)脈沖信號(hào)，經(jīng)四面塔鏡旋轉(zhuǎn)形成掃描視場(chǎng)，再經(jīng)過(guò)一定距離范圍內(nèi)的目標(biāo)反射后被光學(xué)接收系統(tǒng)收集，記錄每個(gè)脈沖的收發(fā)時(shí)間及掃描角度從而確定目標(biāo)的空間位置，形成二維的平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。把該測(cè)量?jī)x安裝在飛行器飛行時(shí)，形成高精度三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。POS2010小型化位置姿態(tài)測(cè)量裝置是慣性測(cè)量單元IMU（Inertial Measurement Unit），GPS接收機(jī)和IMU用于獲取測(cè)量平臺(tái)的位置和姿態(tài)，這兩個(gè)設(shè)備聯(lián)合起來(lái)又被稱(chēng)為組合導(dǎo)航系統(tǒng)，又稱(chēng)為位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)POS（Positioning and Orientation System）系統(tǒng)。GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的功能，提供飛行器位置高度信息，供飛行員參考[2]。位置和高度信息為飛行器進(jìn)出測(cè)區(qū)和激光器開(kāi)啟關(guān)閉提供判斷條件。SWDC單鏡頭數(shù)字航測(cè)相機(jī)選用哈蘇H3DⅡ相機(jī)，經(jīng)過(guò)加固處理，并通過(guò)檢校獲取相機(jī)檢校參數(shù)。有效像素?cái)?shù)5412×7216萬(wàn)，焦距35mm，旁向視場(chǎng)角70°，航向視場(chǎng)角55°。旁向視場(chǎng)角正好和AirLidar-1000機(jī)載激光掃描測(cè)量?jī)x視場(chǎng)角匹配。
2 集成原理
機(jī)載LiDAR系統(tǒng)定位同全站儀定位方式一樣，也是通過(guò)測(cè)角測(cè)邊方式獲得目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，屬于幾何定位。激光測(cè)距儀安置在飛行器上，該設(shè)備通過(guò)記錄激光脈沖從發(fā)射經(jīng)地面目標(biāo)反射到接收的時(shí)間差，可精確測(cè)定發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離；同時(shí)INS系統(tǒng)測(cè)定飛行器的空中姿態(tài)參數(shù)：側(cè)滾角、傾斜角和航向角；GPS為飛行器提供精確的位置信息。聯(lián)合INS測(cè)定的姿態(tài)信息、GPS測(cè)定的航跡信息以及激光測(cè)距儀測(cè)得的距離，可確定每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。此外，還必須顧及到一些系統(tǒng)安置偏差參數(shù)：激光測(cè)距光學(xué)參考中心相對(duì)于GPS天線(xiàn)相位中心的偏差，三個(gè)安置角誤差等。這些參數(shù)都需要通過(guò)一定的檢校方法來(lái)測(cè)定[3]。
2.1 慣性導(dǎo)航原理 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS，Inertial Navigation System）是20世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它同全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS， Global Navigation Satellite System）及地面電子測(cè)繪系統(tǒng)一起，形成現(xiàn)代三種空間定位系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式，其基本原理是根據(jù)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律（慣性定律），利用陀螺和加速度計(jì)等慣性測(cè)量元件測(cè)量運(yùn)行載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過(guò)在一定的坐標(biāo)系內(nèi)積分計(jì)算，最終得到運(yùn)動(dòng)體的相對(duì)位置、速度和姿態(tài)等參數(shù)[4]。
2.2 差分GPS定位原理 全球定位系統(tǒng)主要包括空間部分（衛(wèi)星星座）、地面監(jiān)控部分和用戶(hù)設(shè)備部分（GPS接收機(jī)）。GPS以距離作為基本觀測(cè)量，通過(guò)對(duì)四顆（或以上）衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，即可解算出接收機(jī)的位置。全球定位系統(tǒng)的定位精度受空間衛(wèi)星誤差、接收機(jī)誤差及外界條件誤差等的影響。
由于衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層和對(duì)流層延遲誤差，對(duì)同一顆衛(wèi)星的兩站觀測(cè)值的影響是相同或基本相同的，因此，可以在兩站或多站同步跟蹤相同的GPS衛(wèi)星，通過(guò)差分定位技術(shù)有效地減弱或消除以上誤差的影響，提高定位精度。
差分GPS（DGPS，Differential GPS）的基本原理是，在一個(gè)或幾個(gè)已知坐標(biāo)的位置安置GPS接收機(jī)作為地面基準(zhǔn)站，與運(yùn)動(dòng)載體上的接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，然后，將已知點(diǎn)上的GPS測(cè)定的位置坐標(biāo)或其它參數(shù)與相應(yīng)的已知值求差，再通過(guò)通過(guò)通訊設(shè)備將基站的差分信息傳送給載體上的移動(dòng)GPS接收機(jī)，聯(lián)合結(jié)算兩站的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
差分GPS分為兩大類(lèi)：載波相位差分和偽距差分。偽距差分是以偽距作為觀測(cè)量進(jìn)行差分處理，能夠得到米級(jí)的定位精度；載波相位差分以?xún)蓚€(gè)測(cè)站的載波相位觀測(cè)值為基礎(chǔ)，通過(guò)處理可以將定位精度提高到厘米級(jí)。在POS輔助航空攝影測(cè)量中主要采用載波相位差分技術(shù)[5]。
2.3 構(gòu)像方程 構(gòu)像方程是指地物點(diǎn)在機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)中的坐標(biāo)與其在地面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的大地坐標(biāo)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。數(shù)學(xué)關(guān)系的建立需要借助于前面建立的各種坐標(biāo)系，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到地面目標(biāo)點(diǎn)的大地坐標(biāo)?？梢栽O(shè)某一束激光從發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離為？籽，那么根據(jù)對(duì)瞬時(shí)激光坐標(biāo)系的定義，此時(shí)激光腳點(diǎn)的坐標(biāo)為（xSL，ySL，zSL）T，并有xSLySLzSL=00？籽（1）
LiDAR對(duì)地定位的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換順序可以描述為：瞬時(shí)激光坐標(biāo)系→激光掃描坐標(biāo)系→載體坐標(biāo)系→慣性平臺(tái)坐標(biāo)系→當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系→當(dāng)?shù)卮怪弊鴺?biāo)系→WGS-84系。有時(shí)用戶(hù)為了使用的方便，還需要將WGS-84系進(jìn)一步轉(zhuǎn)化到局部坐標(biāo)系。由此可以得出LiDAR的構(gòu)像方程[3，6]。
x84y84z84=xGPSyGPSzGPS+RWRGRNRMRL00？籽+？駐x■■？駐y■■？駐z■■-？駐x■■？駐y■■？駐z■■
（2）
為了簡(jiǎn)單表示，可用向量表示為：
P=PGPS+RWRGRN（RM·RL·r+tL-tG）（3）
其中，P=（x84，y84，z84）T是激光腳點(diǎn)在WGS-84系中的坐標(biāo)；
PGPS=（xGPS，yGPS，zGPS）T是天線(xiàn)相位中心在WGS-84系中的坐標(biāo)；
r=（0，0，？籽）T是激光腳點(diǎn)在瞬時(shí)激光束坐標(biāo)系中的位置向量。
3 工作流程
雖然目前LiDAR設(shè)備種類(lèi)繁多，但是從工作原理，工作流程上還是大致相同的。航測(cè)進(jìn)行之前，需要進(jìn)行詳細(xì)而周密的準(zhǔn)備工作，包括測(cè)區(qū)規(guī)劃、空域申請(qǐng)、航線(xiàn)設(shè)計(jì)、設(shè)備調(diào)試、天氣預(yù)報(bào)查詢(xún)等工作；然后飛行獲取數(shù)據(jù)；最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)理，處理過(guò)程中最重要的是獲取檢校參數(shù)；最后通過(guò)后期濾波分類(lèi)處理后，還可以?xún)?nèi)插成DEM以及進(jìn)行三維建模等。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)工作流程可以分為航測(cè)規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)后處理四階段，流程見(jiàn)圖3。
4 總結(jié)與展望
SW-LiDAR系統(tǒng)首次研發(fā)成功，以其系統(tǒng)設(shè)備輕巧、數(shù)據(jù)獲取和處理快捷、成本低廉的特點(diǎn)，可以在小范圍、復(fù)雜地域、地面人員不易達(dá)到區(qū)域，充分發(fā)揮飛行高度低、數(shù)據(jù)精度高的優(yōu)勢(shì)。可為災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪提供測(cè)繪保障，為困難地區(qū)影像獲取提供解決方案，為國(guó)土、規(guī)劃、電力、道路、水利、林業(yè)、礦產(chǎn)資源等部門(mén)提供科學(xué)的決策依據(jù)。并可用于數(shù)字城市三維重建，數(shù)字高程模型的提取，土地資源和土地利用，構(gòu)建數(shù)字礦山，電力選線(xiàn)與巡線(xiàn)，水利工程與水利設(shè)施勘測(cè)、道路與交通工程測(cè)繪、農(nóng)業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。