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盘根激光雷达的应用航空激光雷达遥感数据处理技术物流

2019-11-29 14:44:20

激光雷达定义:发射出激光束,并接收大气分子或其中悬浮物质散射回波信号的一种大气探测设备;工作于从红外至紫外光谱用激光器做辐射源的光雷达。

激光雷达遥感技术的特点:分辨率高;隐蔽性好、抗有源干扰能力强;低空探测性能好;体积小、重量轻。

激光雷达的应用:

激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光问世后的第二年,即1961年,科学家就提出了激光雷达的设想,并开展了研究工作。40年来,激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始,逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术,陆续开发出不同用途的激光雷达,使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。激光雷达之所以受到关注,是因为其具有一系列独特的优点:具有极高的角分辨率、具有极高的距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。但是,激光雷达的技术难度很高,至今尚未成熟,而且在恶劣天气时性能下降,使其应用受到一定的限制。

侦查用成像激光雷达:

激光雷达分辨率高,可以采集三维数据,如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度,并将数据以图像的形式显示,获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等,有潜力成为重要的侦察手段。

法国雷锡昂公司研制的ILR100激光雷达,安装在高性能飞机和无人机上,在待侦察地区的上空以120~460m的高度飞行,用GaAs激光进行行扫描,获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线管显示器上,或通过数据链路发送至地面站。

障碍回避激光雷达:

目前,很多国家都在研制直升机用的障碍回避激光雷达。美国罗斯洛普·格鲁曼公司与陆军通信电子司令部夜视和电子传感器局联合研制直升机超低空飞行用的障碍回避系统。该系统使用半导体激光发射机和旋转全息扫描器,探测直升机前很宽的范围,可将障碍信息显示在平视显示器或头盔显示器上。该激光雷达系统已在两种直升机上进行了试验。

大气监测激光雷达:

激光雷达通过测量大气中自然出现的少量颗粒的后向散射,可以检测风速、探测紊流、实时测量风场等。由于返回的后向散射辐射很微弱,因而大气监测激光雷达需要使用高灵敏度传感接收器。

制导激光雷达:

以非制冷二极管泵浦固体激光器为基础的工作波长1nm左右的激光雷达系统,可以提供以距离和强度为基础的高分辨率影像。激光雷达得到的影像不同于红外影像,允许使用比处理红外场景简单的算法实现自主目标捕获。因此,激光雷达寻的器可以为空-地武器提供自主精确制导手段。随着成本的降低,激光雷达寻的器还将用于短程消耗性弹药。

其他军用激光雷达:

弹道导弹防御激光雷达;

靶场测量激光雷达;

振动遥测激光雷达;

多光谱激光雷达。

航空激光雷达遥感数据处理技术:

激光雷达结合了机载三维激光测距仪、可调式高精度扫描仪、全球卫星定位系统(GPS)及惯性测量装置(IMU)这四种当今摄影测量与遥感领先进的对地测量技术。

LiDAR的能量源自于激光发射装置产生的一道极细的高能量光子脉冲流。由于激光的波长极窄,所以其产生的光线同其他光源相比频谱更窄;光子流的散射率很低,散射程度很小,这更有利于激光传播到更远的距离,并能更加精准的对其所触及的物体进行定位。LiDAR进行距离测量,是通过记录每一个激光发射器产生并发射一束激光脉冲到激光脉冲接触到物体进而发生反射再被激光接收机接收到的整个过程的时间,来计算地表与激光发射器的距离。与此同时,机载GPS与测区内的GPS基站根据所接收到的卫星信号进行差分,用以确认飞机的精确位置(J.Y.Z);机载惯性导航装置(IMU)记录飞机飞行姿态(I.V.K)。通过将时间、位置、姿态这三种数据进行联合计算得到的地物实际高程信息。激光发射器发出激光脉冲,脉冲遇到物体发生反射产生了回波,回波被系统的接收机接收后通过高速计算器对脉冲发射一接收一回波的时间进行精确计算,在通过光速常量将时间转化为距离。从而获得飞机与激光所接触物体的相对距离。当激光束接触到诸如树木等非实质物体时,由于激光光斑较大(1000米飞行高度约为30厘米),在遇到树冠产生第一次回波后,部分激光仍有可能穿过树冠打到下一层植被(诸如草地之类),此时激光束就会产生第二次、第三次等数次回波,此时只保留最后一次回波,就可以得到准确的DEM本底数据。

在整个数据处理过程中要考虑各种软件的优缺点,采用不同软件进行不同阶段的数据处理。POSPAC MMS可进行系统误差检校、结算POS数据、影像白平衡、自动空中三角测量,也可以结合激光测距数据和POS数据求解出LAS格式点云。用该软件可以结算POS数据、LAS点云及影像的外方位元素;TERRASOLID可比较灵活和系统的处理点云数据,利用TERRASCAN和TERRAMODELER模块可进行激光点云的处理、DEM、DSM的提取,通过对不同高度的植被进行分类,还可以得到不同高度的植被分布区;APPLICATIONMASTER是摄影测量和遥感处理软件,可全面系统的处理航测遥感、激光、雷达等数据,其中,ORTHOMASTER模块可全自动进行严格差分正射处理,可以得到真正射像片。除此之外,还有SDF COPY、RIANLYZE560等等。

数据处理基本流程:

数据处理流程包括预处理、点云数据处理和正射影像制作三大部分,详见下图:数据预处理包括结算原始的LAS点云数据和原始影像,此过程一般由硬件设备随带的软件进行处理,如POSPAC等。假定硬件随带软件是POSPAC,原始点云数据为SDF格式的波形数据,数据量较大,通过SDF COPY软件从LiDAR的存储器中导出,然后利用RIANLYZE560对SDF格式点云数据进行波形分析,依据测区最大和最小高程用高斯脉冲滤波法计算出以UTC时间为参考的高精度SDC格式数据,这种格式数据在结算出航迹文件后加地理参考和GPS与UTC时间差,经计算得到最终LAS点云数据。原始影像数据没有RGB信息,利用POSPAC MMS软件将RGB信息添加到影像中,同时做白平衡,得到初始tif影像。

利用POSPAC MMS 5.2版结算POS数据,首先用地面基准站GPS采集的数据与机载GPS接收的数据进行载波相位差分处理,得到飞行平台精准的三维坐标,进而评估点位的精度和质量等。将GPS数据与IMU姿态数据以卡尔曼滤波融合,得到最终的sbet.out航迹文件,该文件描述不同时刻激光扫描仪的空间位置及姿态。结合航迹文件和SDC格式的激光测距数据,得到有地理参考的LAS点云数据。整个过程涉及IMU坐标系、激光扫描坐标系、载体坐标系、导航坐标系以及地心坐标系之间的转换,最终所有数据都汇集到WGS 84坐标系统下。

相机校验和点云数据的校验分别用不同的软件。POSPAC MMS 5.2创建影像金字塔和连接点,以此进行数码相机的校验,校验结果为相机的内方位元素以及像空间坐标系与载体坐标系三个坐标轴之间的偏心角,再结合航迹文件和相片的曝光时间记录计算可得到精确的影像外方位元素(X.Y.Z.O.P.K)。用TERRASOLID中的TERRAMATCH进行LAS点云数据校验。在校验之前需要把sbet.out航迹文件加载到工程文件中,然后对应航迹和点云数据,至此可以把地面点按不同的航带分离,通过对重叠区域点进行计算得到精确的恻滚角、俯仰角和航偏角,重新结算LAS。

点云数据处理:

用TERRASCAN处理点云数据,用TERRAMODELER提取DEM和DSM。用TERRASCAN处理点云数据流程如下图:TERRASCAN中的地面滤波采用的是不规则三角网法,先选择一个种子点构建一个粗略的地面三角网,剩余的点为非地面点,然后逐渐从非地面点中选择满足一定条件的点向初始粗略中添加构成新的网,以此类推,直到所有的点分为地面点和非地面点为止。在地面滤波时要注意不同的地形选用不同的滤波参数,主要有地形坡度较、迭代角和迭代距离,此刻需要经验选择合适的参考值。自动滤波完成后有些点的分类会出错,此时结合正射影像进行手动分类。

得到地面点后就可以提取DEM和等高线。根据需求不同,可生成不同采样间隔的三角网DEM或格网DEM,格式可以是.txt、.tif、.asc等,具体的格式依据需求而定。如果点云数据量过大,在满足精度需求的前提下可将点云抽稀后再建DEM和等高线。LAS点云为WGS 84坐标系统。如涉及到坐标转换,一般平面坐标转换采用七参数进行转换,高程转换通过基准站两个不同坐标系下的坐标拟合得到高程异常,然后对所有点云数据加上高程异常即可。如测区范围不大,也可不进行高程转换。

正射影像制作:

利用POSPAC MMS可以得到精确的影像外方位元素,然后用inpho摄影测量系统参考从点云数据提取的DEM进行正射纠正、正射影像的匀色及无缝镶嵌。在用APPLICATION MASTER导入影像的外方位元素后,需逐步选择数码相机型号、输入主距和内方位元素、像素大小以及镜头畸变等数据。然后ORTHOMASTER模块参考DEM采用三次卷积法进行正射纠正,用ORTHOVISTA自动进行匀色处理及大范围正射影像的镶嵌。

与ERDAS的LPS相比,利用ORTHOVISTA能够自动进行大面积的影像颜色平衡和自动羽化,匀色效果较好,但数据量太大就必须分块处理,加载整幅大范围大数据量正射影像时TERRAPHOTO自动从MICROSTATION中卸载。注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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