机载激光雷达原理与应用科普（八）

机载激光雷达测量作业生产流程

机载LiDAR测量作业的生产环节，主要包括航摄准备、航摄数据采集、数据预处理、数据后处理等环节。其详细作业流程如图2-8所示。

图2-8 机载LiDAR系统数据处理流程图

图2-9 ALS50工作流程图
机载LiDAR系统生产流程概览与工作量统计如图2-10所示。其数据预处理所需时间与飞行作业时间为1:1，效率远高于传统航空摄影测量，利用专业数据处理软件可以进行高效的数据后处理，据TerraSolid给出的说明，数据后处理需时约为预处理的3倍左右，而预处理单架次仅需2天，由此可见，LiDAR数据生产周期较航空摄影测量要短的多。

图2-10 机载LiDAR系统生产流程概览与工作量统计图
1、航摄准备

1. 航摄设计
   航摄设计是飞行作业前的首要任务，它是整个航摄工作的重要组成部分，主要是依据航空摄影技术设计规范以及航摄任务书的要求制定实施航测技术方案的过程，包括技术参数确定(航摄范围、航摄执行时间等)、航线规划、作业参数设计、地面基站布设等几项重要内容。航测设计为航空摄影直接提供飞行数据，从某种意义上讲，它关系到航测成果的质量和效益，也关系到航测飞行工作的安全性。所以它在机载LiDAR整个作业流程中显得非常重要而有意义，是质量控制的第一环节。

2. 航线设计
   在设计航飞路线时，遵循安全、经济、周密、高效的原则，以项目成果数据精度要求为目标，充分地分析测区的实际情况，包括测区的地形、地貌、机场位置、已有控制网情况、气象条件等影响因素，结合LiDAR测量设备自身特点，如航高、航速、相机镜头焦距及曝光速度、激光扫描仪扫描角、扫描频率及功率等，同时考虑航带重叠度、激光点距、影像分辨率等，选择最为合适的航摄参数，为获取高质量的数据提供基础技术保障。
   
   图2-11 Leica FPES软件航线设计示例
   航线设计一般选用专门的航飞设计软件设计飞行路线，如Leica的FPES、IGI的W inMP、Riegl的TrackAir等。一般设计航线时，参考小比例尺的二维平面地形图或直接在GoogleEarth上通过航摄设计软件生成航线数据文件，内容包括航线号、航带顺序等信息。在执行航空摄影前，将航线设计文件拷贝到机载LiDAR系统的导航任务卡中，在飞行时选择要作业的航线，LiDAR系统在飞机进入测线坐标范围后即可以自动开始采集数据（激光点云数据和数码影像数据）。图2-11即为在Leica FPES软件中进行的航线设计示例。

3. 地面基站设计
   LiDAR测量作业时，在测区内布设一定数量的GPS基准站一方面用于动态GPS定位；另一方面用于数据处理后快速检测已知点与所测点云的绝对误差。
   在机载LiDAR系统中，除去安置角误差外，最大的系统误差源便是差分GPS误差，所以地面GPS基准站的布设是质量控制重要的一环，需保证在30km内有基站、基站间距为30~50 km。

4. 检校场选择
   在采集数据之前或之后都要对设备进行检校，一般通过采集、处理检校场数据计算各仪器间精密的偏心分量和安装轴间精密的偏心角，从而对整个测区数据进行系统误差纠正，提高精度。IMU的3个角Heading、Roll、Pitch(即航偏角、侧滚角、俯视角)的检校，要求地形有一定的坡度，但不能太大，同时地形范围适当大些，保证航线足够长。一般选择有平地、山坡、房屋的地区为检校场。飞机在飞检校场时，一般飞“井”字形或“田”字形。

5. 航飞权申请
   
   图2-12 航飞权办理流程示意图
   在执行任何一个航摄任务前必须按规定向有关部门申请空域取得航飞权，其大致办理流程如图2-12所示。在具有航飞权期间选择最好的天气进行飞行，这样可保证同时拍摄影像的质量。
   2、航摄数据采集
   航摄数据采集工作流程是：在飞机起飞前30分钟，打开地面基准站上GPS接收机，在飞到测区之前，打开POS系统，静止一段时间，接着按“8”字形飞，飞完之后直飞5min，以保证POS系统处于最佳工作状态，然后开始数据采集。在测区进行数据采集时，飞机可按设计航线自动飞行，扫描仪及相机、POS系统按设置的参数进行数据采集。数据采集完之后再依次直飞5分钟、倒“8”字形飞、静止几分钟，关掉POS系统，地面GPS接收机待飞机关掉POS系统后30分钟再关。如图2-13所示。
   LiDAR测量系统的工作，主要由三部分完成，分别是激光扫描测量、数码相机拍摄和飞行控制。因此在采集数据时，保证LiDAR系统的三部分正常同步工作是关键。
   
   图2-13 飞行航线示意图

6. 飞行控制
   LiDAR测量系统在数据采集过程中，飞行控制系统的正常工作很关键，激光扫描仪和数码相机的工作，都由飞行控制系统来控制。同时，GPS天线及IMU的数据也记录在飞行控制系统中，这两个数据的记录正常才能保证LiDAR数据及数码影像的正确定位，从而保证成功精度。

7. LiDAR扫描测量
   飞行控制系统根据预先设置好的激光设备工作参数（如扫描镜摆动角、扫描频率等），当飞机进入预设航线时，控制红外激光发生器向扫描镜连续发射激光，通过飞机的运动和扫描镜的运动反射，使激光束扫描地面并覆盖整个测区。当激光束由地面或其它障碍物反射回来时，被光电接收感应器接收并转换成电信号，根据激光发射至接收的时间间隔即可以精确测出传感器至地面的距离，确定飞行平台每个采样时刻的位置和姿态后，激光反射点的位置便也确定。
   由于一束激光可能有多次回波，例如，一束激光可能被树顶、树枝、树干、矮草及地面依次反射回接收器，因此激光数据可以较详细地反应地表情况，为后期数据处理制作DEM、DOM等数字产品提供高精度的数据基础。激光点云数据通过高速数据传输线直接保存在系统的专用硬盘中。

8. 数码相机拍摄
   飞行控制系统根据预先设置好的数码相机工作参数（如相机的曝光率、快门速度等），当飞机进入预设航线时，自动获取高质量的影像数据。通过数码影像显示屏，可以实时看到影像的实拍效果，若效果不理想，可以随时调整相机参数。数码影像数据通过高速数据传输线直接保存在系统的专用硬盘中。
   3、数据处理
   机载LiDAR数据采集得到的原始数据包括：

9. 原始激光点云数据，由激光扫描仪扫描采集得到；

10. 原始数码影像数据，由数码相机拍摄采集得到；

11. 惯导IMU数据；

12. 机载GPS数据；

13. 地面基准站GPS数据。
    对原始数据进行解算称为数据预处理，经过数据预处理工作得到的成果，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，即可正式进行常见的DEM和DOM成果数据的加工生产。通常我们称这一过程为数据后处理。

[参考文献] 王丽英. 机载LiDAR数据误差处理理论与方法[M]. 测绘出版社, 2013