國產(chǎn)SW—LiDAR系統(tǒng)的簡介

 引言
機載激光雷達（LiDAR， Light Detection And Ranging）系統(tǒng)主要集成了激光測距儀、慣性測量單元、GPS接收機、電子計算機和數(shù)碼相機等多種硬件，是一種用于獲取地面及地面目標(biāo)三維空間信息的主動式雷達探測系統(tǒng)[1]。該技術(shù)國外起步早，發(fā)展速度快。隨著機載LiDAR技術(shù)的不斷成熟，在機載LiDAR硬件設(shè)備方面，歐美等發(fā)達國家的研究已經(jīng)取得了大量成果并形成了商業(yè)化產(chǎn)品。國內(nèi)方面，中國科學(xué)院遙感所李樹楷教授于1996年研制出機載激光掃描測量成像系統(tǒng)，由于硬件等方面的原因，沒有進入使用階段。目前國內(nèi)機載激光雷達系統(tǒng)正處于蓬勃發(fā)展之中。由北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司牽頭，合作多家單位，經(jīng)過長期努力，成功研制了國產(chǎn)輕小型LiDAR系統(tǒng)，命名SW-LiDAR系統(tǒng)（見圖1），該系統(tǒng)具有良好的推廣價值，現(xiàn)將該系統(tǒng)情況介紹如下。
1 SW-LiDAR系統(tǒng)的簡介
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機載激光掃描測量儀、國產(chǎn)POS2010小型化位置姿態(tài)測量裝置、天寶5700GPS接收機、SWDC單鏡頭數(shù)字航測相機、主控計算機、鋰電池、過渡架等集成。該系統(tǒng)質(zhì)量共計約50kg，其中AirLidar-1000機載激光掃描測量儀質(zhì)量17.8kg、國產(chǎn)POS2010小型化位置姿態(tài)測量裝置質(zhì)量7.7kg、天寶5700GPS接收機質(zhì)量2.5kg、SWDC單鏡頭數(shù)字航測相機質(zhì)量3.3kg、主控計算機質(zhì)量7.7kg、鋰電池3kg。AirLidar-1000機載激光掃描測量儀以脈沖激光器作為主動探測光源，利用激光單色性好、方向性強、能量高、光束窄的特點進行測距掃描，通過接收目標(biāo)對激光器信號的反射及散射回波來測量目標(biāo)的方位和距離。該測量儀的主要工作原理是：由激光器發(fā)送連續(xù)脈沖信號，經(jīng)四面塔鏡旋轉(zhuǎn)形成掃描視場，再經(jīng)過一定距離范圍內(nèi)的目標(biāo)反射后被光學(xué)接收系統(tǒng)收集，記錄每個脈沖的收發(fā)時間及掃描角度從而確定目標(biāo)的空間位置，形成二維的平面點云數(shù)據(jù)。把該測量儀安裝在飛行器飛行時，形成高精度三維空間點云數(shù)據(jù)。POS2010小型化位置姿態(tài)測量裝置是慣性測量單元IMU（Inertial Measurement Unit），GPS接收機和IMU用于獲取測量平臺的位置和姿態(tài)，這兩個設(shè)備聯(lián)合起來又被稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)，又稱為位置姿態(tài)測量系統(tǒng)POS（Positioning and Orientation System）系統(tǒng)。GPS接收機實現(xiàn)時間同步的功能，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出測區(qū)和激光器開啟關(guān)閉提供判斷條件。SWDC單鏡頭數(shù)字航測相機選用哈蘇H3DⅡ相機，經(jīng)過加固處理，并通過檢校獲取相機檢校參數(shù)。有效像素數(shù)5412×7216萬，焦距35mm，旁向視場角70°，航向視場角55°。旁向視場角正好和AirLidar-1000機載激光掃描測量儀視場角匹配。
2 集成原理
機載LiDAR系統(tǒng)定位同全站儀定位方式一樣，也是通過測角測邊方式獲得目標(biāo)點的位置信息，屬于幾何定位。激光測距儀安置在飛行器上，該設(shè)備通過記錄激光脈沖從發(fā)射經(jīng)地面目標(biāo)反射到接收的時間差，可精確測定發(fā)射點到目標(biāo)點的距離；同時INS系統(tǒng)測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測定的姿態(tài)信息、GPS測定的航跡信息以及激光測距儀測得的距離，可確定每個目標(biāo)點的三維坐標(biāo)信息。此外，還必須顧及到一些系統(tǒng)安置偏差參數(shù)：激光測距光學(xué)參考中心相對于GPS天線相位中心的偏差，三個安置角誤差等。這些參數(shù)都需要通過一定的檢校方法來測定[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)牛頓第一運動定律（慣性定律），利用陀螺和加速度計等慣性測量元件測量運行載體在運動過程中的線運動和角運動參數(shù)，通過在一定的坐標(biāo)系內(nèi)積分計算，最終得到運動體的相對位置、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)控部分和用戶設(shè)備部分（GPS接收機）。GPS以距離作為基本觀測量，通過對四顆（或以上）衛(wèi)星同時進行實時觀測，即可解算出接收機的位置。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、電離層和對流層延遲誤差，對同一顆衛(wèi)星的兩站觀測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，在一個或幾個已知坐標(biāo)的位置安置GPS接收機作為地面基準(zhǔn)站，與運動載體上的接收機進行同步觀測，然后，將已知點上的GPS測定的位置坐標(biāo)或其它參數(shù)與相應(yīng)的已知值求差，再通過通過通訊設(shè)備將基站的差分信息傳送給載體上的移動GPS接收機，聯(lián)合結(jié)算兩站的觀測數(shù)據(jù)。
差分GPS分為兩大類：載波相位差分和偽距差分。偽距差分是以偽距作為觀測量進行差分處理，能夠得到米級的定位精度；載波相位差分以兩個測站的載波相位觀測值為基礎(chǔ)，通過處理可以將定位精度提高到厘米級。在POS輔助航空攝影測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)像方程是指地物點在機載激光雷達測量系統(tǒng)中的坐標(biāo)與其在地面上對應(yīng)點的大地坐標(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，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到地面目標(biāo)點的大地坐標(biāo)?？梢栽O(shè)某一束激光從發(fā)射點到目標(biāo)點的距離為？籽，那么根據(jù)對瞬時激光坐標(biāo)系的定義，此時激光腳點的坐標(biāo)為（xSL，ySL，zSL）T，并有xSLySLzSL=00？籽（1）
LiDAR對地定位的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換順序可以描述為：瞬時激光坐標(biāo)系→激光掃描坐標(biāo)系→載體坐標(biāo)系→慣性平臺坐標(biāo)系→當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系→當(dāng)?shù)卮怪弊鴺?biāo)系→WGS-84系。有時用戶為了使用的方便，還需要將WGS-84系進一步轉(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是激光腳點在WGS-84系中的坐標(biāo)；
PGPS=（xGPS，yGPS，zGPS）T是天線相位中心在WGS-84系中的坐標(biāo)；
r=（0，0，？籽）T是激光腳點在瞬時激光束坐標(biāo)系中的位置向量。
3 工作流程
雖然目前LiDAR設(shè)備種類繁多，但是從工作原理，工作流程上還是大致相同的。航測進行之前，需要進行詳細(xì)而周密的準(zhǔn)備工作，包括測區(qū)規(guī)劃、空域申請、航線設(shè)計、設(shè)備調(diào)試、天氣預(yù)報查詢等工作；然后飛行獲取數(shù)據(jù)；最后對數(shù)據(jù)進行預(yù)理，處理過程中最重要的是獲取檢校參數(shù)；最后通過后期濾波分類處理后，還可以內(nèi)插成DEM以及進行三維建模等。機載LiDAR系統(tǒng)工作流程可以分為航測規(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，可以在小范圍、復(fù)雜地域、地面人員不易達到區(qū)域，充分發(fā)揮飛行高度低、數(shù)據(jù)精度高的優(yōu)勢?？蔀闉?zāi)害應(yīng)急測繪提供測繪保障，為困難地區(qū)影像獲取提供解決方案，為國土、規(guī)劃、電力、道路、水利、林業(yè)、礦產(chǎn)資源等部門提供科學(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，電力選線與巡線，水利工程與水利設(shè)施勘測、道路與交通工程測繪、農(nóng)業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。