机载激光雷达在工程侦察中的应用

摘 要:针对现有侦察手段侦察信息数据获取速度慢,处理过程复杂的问题,运用机载激光雷达侦察方法能够较大提高工程侦察效率。建立激光雷达数据处理的流程图,数据在采集后需要进一步处理才能成为能够应用的成果,这一过程一般分为数据前处理与数据后处理,通过数据加工处理生成常见的DEM和DOM成果,能够快速实现战场信息的数字化,在工程侦察应用中具有重要的作用。

关键词:激光扫描; 数据处理; 工程侦察; 机载雷达

中图分类号:TN95 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)11-0047-04

Application of Airborne Radar in Project Reconnaissance

WANG Wei, GAO Jie

(Engineering Institute of Engineering Corps, PLA University of Sci. &Tech., Nanjing 210007, China)

Abstract: Since the data acquisition of the reconnaissance information in the existing reconnaissance means is slow and the processing course is complex, the airborne LIDAR method which can improve the project reconnaissance efficiency is proposed. The flow chart of LIDAR data processing is presented. The common DEM and DOM accomplishment generated after the data processing can realize the digitlization of the battlefield information quickly, which has the important effect in the project reconnaissance.

Keywords: laser scanning; data processing; project reconnaissance; airborne radar

0 引 言

激光雷达扫描得到的数据作为未来侦察信息的重要来源之一,在主要军事强国得到了大量的应用。它具有侦察数据量大、战场信息数据采集快的优点。然而这些数据并不能直接为我们服务,对于如何处理这些庞大的数据,进而满足作战需求就显得尤为重要。通过激光扫描数据处理实现战场目标侦察数字化,增强战场监控能力和快速获取战场数据信息,为工程保障提供可靠战场信息有着重大的意义。本文重点介绍了机载激光扫描数据处理的一般方法,结合战场数据需求对其在工程侦察的应用进行了展望。

1 数据处理

一般来说,对于机载激光原始数据的处理过程分为数据前处理与数据后处理,具体说来,包括POS数据解算、激光脚点三维坐标计算、激光点云数据预处理、数据滤波与分类、数字高程模型DEM生成、正射影像制作、建筑物三维重建以及地物提取等过程。数据处理流程如图1所示。

2 数据前处理

机载激光扫描数据采集得到的原始数据包括:

(1) 原始激光点云数据,由激光扫描仪采集得到;

(2) 原始数码影像数据,由数码相机拍摄采集得到;

(3) 惯性导航仪(IMU)数据;

(4) 机载GPS数据;

(5) 地面基站GPS数据。

原始激光数据仅包含每个激光的发射角、测量距离、发射率等信息,原始数码影像也只是普通的数码影像,都没有坐标、姿态等空间信息。只有在经过数据前处理(也称为数据预处理)后,才完成激光和影像数据的“大地定向”,只有空间坐标和姿态等信息。

原始激光点云数据的大地定向包括数据定位和定向两大内容,需要用到机载GPS观测数据、地面基站的GPS观测数据、IMU记录的姿态数据和系统参数(IMU,激光扫描仪、相机之间的相对位置及姿态参数)等。

2.1 激光点云数据定位

机载三维激光扫描在采集数据的过程中,GPS天线同步记录的坐标信息会受到对流层延迟误差、电离层延迟误差卫星星历误差及多路径效应等误差的影响要消除或减小这些误差的影响,才能提高定位精度。

图1 机载激光雷达数据处理流程

消除上述误差通常采用的方法有两种:一种为精密单点定位;一种为双差分定位。

精密单点定位又称为绝对定位,即利用GPS卫星和用户接收机之间的为距观测值,确定测站在WGS84坐标系中的位置。使用精密单点定位方法时精密星历和钟差文件是必需的,可以直接从网站上进行免费下载。使用单点定位最大的优势是不用布设地面基站,这样就可以节省许多人力、物力,但单点定位的精度劣于差分定位精度,在精度要求不高的情况下可以使用。

DGPS双差分定位可以保证比较高的定位精度,该方法是在地面布设基准站,与机载GPS装置进行同步观测,用基准站测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响,供机载GPS装置改正其观测值或定位结果。

基站布设的多少和位置根据测区大小、地形及数据精度要求等具体确定,不同的要求需对应布设不同个数的地面基站。一般情况下,为保证仪器工作的同步性及初始化精度,机场需布设一个基站,若测区面积较小且距离机场较近,在机场布设一个基站基本可以满足生产需要。但有些项目,例如电力巡线或选线项目中,作业区域为条带状,且地形多为山地,一般情况下离机场较远,此时需在测区增设一个或多个地面基站。由于地势崎岖,地面基站布设难度较大,所以在考虑保证数据精度的同时也要考虑尽量减少外业工作量。

DGPS双差分定位方法也可以联合精密星历和钟差文件,定位精度较高。实际生产中一般使用这种定位方法。

2.2 激光点云数据定向

无论通过单点定位还是双差分定位得到的都是GPS接收装置处的坐标信息,而最终需要的是激光扫描仪处的坐标信息,所以还需要根据GPS天线的偏心分量和扫描仪的偏心分量计算激光扫描仪的坐标信息。一般情况下,只要重新安装设备,GPS天线的偏心分量都会有变化,每次都需要重新测量。而扫描仪的偏心分量比较固定,检测期内,使用厂家提供的检测值即可。

IMU与激光扫描仪的相对位置参数由厂家提供,联合定位信息可以得到激光扫描仪的航迹文件,包含激光扫描仪在各个GPS采样时间的位置信息、姿态信息及速度。

根据激光扫描仪的航迹文件,为每个激光点在WGS84坐标系下赋坐标值,即激光数据的大地定向。大地定向后的激光数据,可以通过专业软件打开浏览,因每个激光点都已有坐标属性,以高程显示的激光数据已能比较清晰地看出地面起伏及地物情况。

2.3 激光点云数据的检校

在航飞过程中,IMU和激光扫描仪的相对姿态可能会发生微小的变化,从而对激光数据产生影响,为消除这种影响,通常要对大地定向后的激光数据进行检查。若数据质量较好,则可以直接进行数据加工;若数据存在问题,则需对数据进行检校。

数据检校参数通常是指偏心角分量:侧滚角(Roll)俯仰角(Pitch)和航偏角(Heading)的偏心角分量。

由于大量数据同时运行速度较慢,实际生产中,为较快地得到较好的检校参数,通常的做法是,首先在检校场数据中选择一块典型地形的数据进行检校,得到理想的检校参数后运用在整个检校场,若还有问题,经过微调即可以得到一组检校参数,将该组检校参数运用在整个测区,即可以实现对测区激光数据的检校。经过检校的激光数据,不同航带、不同架次的数据都能很好地匹配,由此便可以进行进一步的数据处理。

2.4 激光点云数据坐标转换

检校后的激光点云数据为WGS84坐标系,国内客户要求的成果坐标一般为工程坐标系,工程平面坐标系通常指北京54坐标系、西安80坐标系或当地独立坐标系,高程系统则指1956黄海高程系统、1985国家高程系统或地方独立高程系统。

完成两个坐标系统的转换,首先需要具有控制点在两套坐标系统中的坐标(例如WGS84坐标及北京54坐标),求出转换参数,然后将转换参数应用于激光数据,完成激光数据的坐标转换,转换后的激光数据即为工程坐标系,基于此而生产的数字高程模型(DEM)、数字表面模型(DSM)等数字产品也在工程坐标系下。

平面坐标转换通常使用的是布尔莎七参数法,平面坐标转换流程图如图2、图3所示。高程系统的转换比较简单,根据控制点在两套坐标系统的高程,求得高程异常,应用于激光数据便可以实现激光数据的高程系统转换。

激光数据的坐标转换可以在检校后进行,也可以在激光数据分类后进行或不对激光数据进行坐标转换而直接转换至成果的坐标系统,这些都是可行的。目前比较成熟的做法为:激光数据检校后进行坐标转换,将激光数据直接转换至成果要求的工程坐标系下,再进行数字产品生产,这样基于激光数据生产的所有产品都是工程坐标系,避免了其他转换方法中可能需要进行多次转换的麻烦。

图2 平面坐标转换流程(一)

图3 平面坐标转换流程(二)

2.5 确定影像外方位元素

相机与激光扫描仪的相对位置参数由厂家提供,联合定位信息可以得到相机的航迹文件,包含相机在各个GPS采样时间的位置信息、姿态信息及速度。初始航迹文件在WG584坐标系下,可以根据生产需要将航迹文件转换至相应工程坐标系,转换方法与激光数据坐标转换方法相同。

根据仪器记录的曝光点信息及原始影像的编号可以得到每幅原始影像的曝光时间,以GPS时间表示。由此相机航迹文件与原始影像的曝光时间文件相结合便可以得到每幅原始影像的外方位元素[1]。

3 数据后处理

在数据前处理上作得到成果,包括经大地定向后的激光数据和经计算得到的影像外方位元素基础上,即可以正式进行常见的DEM和DOM成果数据的加工生产,这一过程称为数据后处理。

3.1 激光数据分类及DEM制作

经过预处理的激光地表数据及激光地物数据都在同一层。需要提取出纯地表数据方能生成DEM。经过分类,将建筑物、植被等非地表数据放在其他层里面,纯地表数据就被分离出来。经过分类的纯激光地表数据是具有三维坐标值的离散点,构TIN后即可以按规定格网生成DEM。

正常情况下解作生成的DEM成果只包含纯地表数据,但由于激光扫描数据分类及生成DEM的方式方便快捷,所以也可以根据客户的应用需求,将感兴趣的地物与地表数据一起生成DEM,以达到特殊应用的目的。激光数据的可视性强,因而可以将不同的地物分类在不同的层里,按层显示时能清楚地看到地物构成情况;经过精细分类的激光数据,去除噪点后,可以保留所有要素生成数字地表模型(DSM)。

3.2 影像数据处理及DOM制作

通过对原始影像进行预处理,已经得到了每幅原始影像的外方位元素。激光扫描测量系统中影像的内方位元素已知,由此便可以完成影像的相对定向和绝对定向,从而生成正射影像。

然而由预处理后得到的外方位元素精度可能达不到生产要求,需要进行进一步的纠正,一般通过找影像连接点的方式进行。

根据与影像对应的纯地表激光数据找连接点,所谓的连接点为两幅有重叠影像上的同名点,一般每两幅有重叠的影像需保证至少4个连接点,而实际生产中为保证产品质量,通常需保证至少8个连接点,所有连接点都必须是地面点且分布均匀,根据影像连接点重新计算影像外方位元素,使用理想的外方位元素进行正射影像的生产。

4 在工程侦察中的应用

利用机载激光扫描产生的DEM,可以快速地生成战场三维数字地图。典型的一套机载激光扫描系统可以在4 h内用一架固定翼飞机完成长30 km、宽10 km区域的勘测。其垂直精度可达15 cm,平均点距为1.5 m,合计记录了15 300 000个反映详细地形和地物的数据点\。

4.1 生成的DEM,DSM数据类型功能

(1) 所选位置坐标查询:实时显示鼠标选中点的地理坐标和高程;

(2) 最佳渡场开设位置:对河流区域进行扫描,系统对扫描点云数据进行处理,分析出适合开辟渡场位置,计算出最短路径,确定最佳点;

(3) 距离、面积量算:地图上两点的距离包括水平距离、直线距离、高差和地表距离;面积包括图上面积和地表面积;

(4) 空间分析及应用:目标性质、种类、具置和特点等;

(5) 地理信息数据库\:建立了完备的战场信息数据库,以备指挥员决策使用。

4.2 工程侦察专题功能

机载激光扫描法相比于传统的电子速测法,作业半径更广、更深,速度更快,效率也更高。传统工程兵道路、桥梁、筑城、地雷、爆破、渡河、伪装、给水等作业任务都需要战场高分辨率的战场三维景观信息的支撑,机载激光扫描正是适应的这一需要。

(1) 工程实体目标建模功能:工程实体目标是指工程兵部(分)队工程作业的对象。工程实体信息模型是指满足工程保障作业战术计算所需要的工程实体目标情报信息的集合。基于机载激光扫描的DEM,DSM能够生成相应的工程实体目标三维建模功能。

(2) 辅助分析功能:扫描生成工程作业区域的三维实物景观;采集工程作业实体目标信息,并进行各种分析、评估等,之后确定改进、改造、调整、规划、再设计抢修的方案及对策。

(3) 工程作业规划与配置功能:将建立的工程实体三维模型在扫描生成工程作业区域的三维实物景观中进行规划和配置,可以对工程作业情况进行仿真和演示。

(4) 空中侦察与地面侦察相协调。大区域范围的工程作业区域的三维实物景观则由机载空中激光扫描生成,小面积的工程作业区域的三维实物景观可以由地面扫描生成,两者相互补充,能满足快速性、高分辨率等特殊需要。

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