基于机载激光雷达的某电力线路工程测量实施思路研究
摘要:本文基于笔者参与的某电力线路工程测量经验,以LIDAR技术在该工程测量中的应用为研究对象,分析了机载激光雷达线路工程测量的模式,结合工程实例探讨了具体的实施思路,详细探讨了数据处理的方式,相信对同行有所裨益。
关键词:LIDAR 电力线路 优化 DEM
1 引言
机载激光雷达系统(Light Detection And Ranging,简称LIDAR),也叫机载激光雷达,是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统,它集成了激光扫描仪、差分GPS系统、IMU(Inertial Measurement Unit,惯性量测单元,用以量测飞机平台的飞行姿态)、数码相机。在动态载波相位差分GPS系统和IMU的支持下,激光扫描系统通过激光扫描器和距离传感器,经由微计算机对测量资料进行内部处理,显示或存储、输出距离和角度等资料,并与距离传感器获取的数据相匹配,经过相应软件进行一系列处理来获取被测目标的表面形态和三维坐标数据,从而进行各种量算或建立立体模型。
2 LIDAR数据获取的基本原理
当机载LIDAR航摄飞行时,激光扫描仪发射、接收激光束,对地面进行线状扫描,与此同时,动态GPS系统确定传感器的空间位置(经纬度),IMU测量飞机的实时姿态数据,即滚动、仰俯和航偏角。由于系统的几个部分同步工作并集成于一体,GPS和IMU的数据融合极为方便,所以经后期地面数据处理后,即可获取地面的三维数据(图1)。
3 机载激光雷达线路工程测量模式分析
三维激光雷达技术应用于输电线路优化设计包括数据获取、数据处理、优化设计等工作内容。
(1)原始数据采集:在航飞前要制订飞行计划,安置全球定位系统接收机、激光扫描测量、惯性测量、数码相机等。(2)基础数据处理:机载激光雷达测量系统在野外采集得到的数据需要进行一定的处理才能得到需要的信息。数据处理的内容包括:确定航迹、激光扫描测量数据处理、数据分类处理、坐标匹配、影像数据的定向和镶嵌、建立三维地形模型。(3)线路工程测量:以高精度、高分辨率正射影像和激光点云数据、数字高程模型数据为基础,采用二、三维结合方式,结合架空送电线路设计业务需求,采用多人协同设计,实现线路路径优化设计、杆塔优化设计的一体化全流程应用。
第３Ｏ卷第５期 ２０１ １年１０月 红水河 ＨｏｎｇＳｈｕｉ Ｒｉｖｅｒ Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．５ ０ｃｔ．２Ｏ１ １
浅析机载激光雷达测量误差及数据质量控制
王 师，周晓翠，陆小艺
（广西桂能信息工程有限公司，广西南宁５３００２１）
摘要：质量控制是机裁激光雷达测量整个生产过程中的重中之重，它必须贯穿整个生产过程。在各个生产环节中 必须制定相应的质量控制点和质量控制检查手段进行严格的控制，这样才能保证生产出满足精度和质量要求的数 据产品。文章在开展过数十项激光雷达测量实际生产项目的基础上，结合经验得失、从中提炼总结出质量控制经验 和心得。并逐一进行描述和介绍，并对消除和如何避免各种误差提出相应的解决方案。 关键词：机栽激光雷达；质量控制；评价；ＤＧＰＳｆＩＭＵ；ＤＥＭ；ＤＯＭ 中图分类号：Ｐ２３７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１－－４０８Ｘ（２０１１）０５－－０１５６－０４
１机载激光雷达测量主要误差概述
机载激光雷达测量数据在进行生产时产生的 误差，主要存在于机载激光雷达测量系统的误差、
控制网误差以及后期数据处理的误差三大部分。
Ｉ．Ｉ机载激光雷达测量系统的误差
机载激光雷达测量系统的误差主要由如下四 类构成：
（１）ＧＰＳ定位误差；
（２）ＧＰＳ／ＩＮＳ组合姿态确定误差和扫描角误 差； （３）激光扫描测距误差；
（４）系统集成误差。 上述误差都必须在做航测设计的时候就提前
考虑到，并采取相应的方法和措施尽量避免或减小 误差，一旦采集获取的原始数据质量不符合要求， 后面采取的任何补救措施都是于事无补的。
１．１．１ ＧＰＳ定位误差 ＧＰＳ定位误差是影响机载激光雷达测量系统的
最主要原因，这主要是ＧＰＳ的精度原因造成的。由 于机载ＧＰＳ是高速动态获取数据，所以很容易受到
各方面的影响，如卫星轨道误差、卫星钟钟差、接收
机钟差、多路径效应、卫星星座和观测噪声等等原
因，而且这些误差是随着观测环境的变化而变化，
机载激光雷达参数
机载激光雷达（Airborne LiDAR）是一种高精度三维数据采集设备，可以用于地形测量、地表覆盖分类、建筑物地物提取等多个领域。下面将对机载激光雷达的主要参数进行详细介绍。
1. 激光发射参数
（1）激光波长：机载激光雷达一般采用近红外波段，波长在800-1064nm之间。
（2）激光脉冲频率：指激光束发出的脉冲数，一般在1-50kHz之间。
2. 接收器参数
（1） 接收器视场角：指接收器能够接受的激光束角度范围，通常在30-60度之间。
（2） 接收器灵敏度：指接收器的信号增益，一般以电子伏特（V）表示。
（3） 接收器噪声：指接收器在没有信号时的最小输出值，正常情况下要小于1个光子。
3. 扫描参数
（1）扫描方式：机载激光雷达主要有两种扫描方式，一种是机械扫描，另一种是固态扫描。机械扫描一般采用旋转镜头的方式改变激光束的方向，而固态扫描利用微镜片或者转换器件快速切换激光束方向。
（2）扫描速度：机载激光雷达的扫描速度通常在10-50Hz之间。
4. 定位参数
（1） 定位系统类型：机载激光雷达的定位系统通常采用GPS、IMU等。
（2）定位精度：指机载激光雷达采集的数据对应的位置精度，通常在10cm以内。
5. 数据处理参数
（1）数据格式：机载激光雷达数据格式通常为LAS或ASCII格式。
（2）能量密度：指激光雷达扫描的数据点密度，一般在1-30点/m2之间。
（3）分辨率：指数据采集的最小细节尺寸，一般在10-50cm之间。
维普资讯 ・２８・ 测绘工程 第１６卷
部分经物体或空气反射后，由雷达的接收器系统组
成接收，这部分反射波称为雷达信号，反映从反射无
线电波的物体到雷达的距离。激光雷达使用的是由
激光器发射的红外线，或可见光，或紫外光。
激光测距的基本原理是利用光在空气中的传播
速度，测定光波在被测距离上往返传播的时间来求
得距离值。设光波在某一段距离上往返传播时间为
ｔ，待测定距离可表示为
Ｄ＝｛ｃｔ， （１）
式中，Ｃ为光波在真空中的传播速度，约为３００ ０００
ｋｒｎ／ｍｉｎ。只要精确地求出时间就可以求出距离Ｄ。
具体实现方法有脉冲法、相位法和变频法，常用的是
脉冲法和相位法。相位法通过量测连续波（ｃｏｎｔｉｎｕ—
ＯＵＳ ｗａｖｅ，ｃｗ）信号的相位差间接确定传播时问；脉
冲法直接量测脉冲信号传播时间。
采用脉冲法进行测距，其各个量的表达为：
距离
Ｒ＝５ －ｆ・ｔＬ； （２）
距离分辨率
ＡＲ＝｛ｆ・ＡｔＬ； （３）
最大距离
Ｒ一＝５－ ｃ・ｔＬ； （４）
距离精度
＝ １￡ １ ． （５）
式中：Ｃ为光速，ｔ为脉冲传播时间，Ｓ为距离，Ｎ为
波传播过程中包含的整周数。
采用相位法进行测距，其各个量的表达式
为：
相位差的传播时间 ｔｔ．＝ （６） ｚ，： ｆ， ； 【６）
距离
Ｒ＝吉ｃ・ ・丁＝ （７）
距离分辨率
ＡＲ △ ； （８
最大Ｕｎａｍｂ距离
Ｒ一＝ ； （９）
距离精度
‘ １
，／Ｎ ／ｍ・（１０） ０Ｒ ‘——・ Ｌ ｌｕ
式中：ｃ为光速，丁为周期，Ｓ为距离，Ｎ为波传播
过程中包含的整周数， 为相位差。
如果物体的表面高低不平，在地面使用三维激
光扫描仪，可获得反射物体的表面形貌图；使用机载
激光雷达系统，可以获取高精度的数字等高图。
１．３激光扫描方式
一束激光脉冲一次回波只能获得航线下方的一
条扫描线上的回波信息，为了获取一系列激光脚点
