机载激光雷达技术概述及在地面沉降监测中的应用

　　1引言 
　　机载激光雷达技术是发展迅速的一种新技术，它集多种技术于一身，已成为空间数据获取的一种重要技术手段，主要应用于快速获取地面的三维位置，进而生成数字地图、正射影像和建立地理信息库等等，是三维位置信息的测量系统。在变形监测、数字测图等方面具有不可比拟的优势。 
　　2机载激光雷达定位原理 
　　机载激光雷达（Lidar）技术是激光测距技术、计算机技术、高动态载体姿态测定技术和高精度 GPS 定位技术融合的集中体现。通常机载激光雷达系统主要由激光测距单元，光学机械扫描单元，差分GPS，惯性测量单元IMU和控制单元等主要部分组成。机载激光雷达系统通过获得一系列的地面点三维坐标来测量地球表面的地形。假设地理空间中一点O的三维坐标（X0，Y0，Z0）已知，这一已知点O可在地面，也可在空中，该点到待测定点P的矢量（模、方向余弦）可准确测出，那么待测定点的三维坐标（Xi，Yi，Zi）即可根据己知点加矢量的方法求出。 
　　已知点 （X0，Y0，Z0）由GPS提供；方向余弦由观测平台法线的俯仰角φ、侧滚角ω、航偏角k及观测方向与法线间夹角β组成的矢量矩阵算出，观测平台法线的由姿态测量装置给出；矢量的模R由激光测距仪给出。若X0、Y0、Z0、φ、ω、k、β、R已知，那么任意待测定点Pi的三维坐标（Xi，Yi，Zi）即可求出。待测定点Pi的三维坐标精度取决于上述八个参数的测量精度以及八个参数测量的同步精度。 
　　3机载激光雷达定位精度分析 
　　利用机载激光雷达系统对地面进行逐点扫描，主要目的是确定这些点的坐标，包括平面位置坐标和高程，因此坐标精度是十分重要的。影响坐标测量精度的因素很多，按误差产生的来源可分为以下四类：①定位误差：GPS定位误差；②测角误差：GPS/INS组合姿态确定误差和扫描角误差；③测距误差：激光扫描测距误差；④集成误差。这些误差的存在必然会导致机载激光雷达系统对地定位结果含有误差，从而影响最终成果的精度。 
　　4机载激光雷达测量系统检校及消除系统误差的方法 
　　机载激光雷达测量系统是由多个部件集成在一起的测量系统。为了提高机载激光雷达对地定位的精度，在飞行作业之前，必须经过仔细的检校，以提高地面激光脚点坐标的对地定位精度。机载激光雷达测量系统的检校比较繁杂，其中包括对每个部件的检校以及确定它们之间的相互空间关系（空间配准）。本文主要讨论如何确定传确器之间的空间位置和方位关系。 
　　4.1内方位元素的测定 
　　GPS/INS组合导航定位与测姿系统为获取载体高精度的位置和姿态参数提供了有力的支持，这是机载激光雷达实现高精度对地定位的前提。为了高精度地求解每个激光脚点的位置坐标，除了要知道外方位元素（即三个姿态角）、飞机航迹以及激光扫描测距时提供的距离和扫描角外，还必须精确地知道定位定姿传感器同激光扫描系统之间的空间关系，提供正确的内方位元素，这对于激光脚点的位置计算非常关键。内方位元素主要包括：①激光脉冲测距参考点同GPS相位中心间的偏移量tL-tG；②安置偏差角。 
　　激光脉冲测距参考点同GPS相位中心间的偏移量通常是利用飞机在行检校技术直接从机载激光雷达测量数据中估计出来。 
　　INS坐标参考框架和激光扫描参考系统之间的安置角误差是机载激光雷达中最大的系统误差源。根据经验，这些安置角误差通常为0.1°-0.3°。 
　　4.2消除系统误差的方法 
　　为了提高机载激光雷达的测量精度，最大可能地降低各种系统误差的影响，一般有三种方法：一是建立误差改正模型；二是仪器检校；三是条带平差改正。如果激光光束的空间方位有误差，多条激光扫描条带覆盖同一扫描区域时（彼此重叠），不同航带测定的同一点的坐标和高程间彼此会有差异，其产生原因是INS姿态测定时会带来误差（漂移和初始化），INS和激光扫描镜安置时不能保证彼此轴系平行而产生安置角误差等。根据这些差异建立相应的参数模型，利用一定的匹配技术将不同航带的条带重叠部分联系起来，通过最小二乘平差求解这些参数。然后利用求解出的参数改正每条航带的激光脚点坐标。 
　　5机载激光雷达监测地面沉降 
　　机载激光雷达技术监测地面沉降可以对同一地物目标不同时间获取两次点云数据，生成两个DEM做差，得到地表形变。整个 Lidar 流程可以分成以下几个步骤： 
　　（1）制定飞行计划：整个航飞计划应包括：航带划分、飞行高度、激光脉冲频率、数码相机方位元素及定位、相机拍摄时间间隔等内容。 
　　（2）设置 GPS 基站：为保证后续处理时提供的飞机飞行过程中每时每刻的三维坐标数据的精度，需要在地面沿航线布设一定数量 GPS 基准站，为后续的差分提供准确坐标保证。 
　　（3）仪器检校：为确保精度进行的飞行前、飞行中、飞行后的仪器检校。 
　　（4）数据采集：进行飞行中的数据采集，如 INS， GPS、激光测距和相机成像数据。 
　　（5）数据的初检：对所获数据和航飞进行初步检查，如果不合格要重飞。 
　　（6）数据的预处理：对原始数据进行条带平差与前期工作。 
　　（7）内业数据处理：通过内业作业人员的工作，采用较好的商业处理软件生成数据产品：如 DSM、 DEM、等高线图、三维重建模型等，其中最主要的是滤波。 
　　（8）两次DEM差分。