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LiDAR铁路测绘飞行作业技术研究

2015-10-10 09:38 来源:学术参考网 作者:未知

摘 要:

关键词:

1 引言
  机载激光雷达(Light Detection And Ranging,LiDAR)技术,是一种集成了激光测距技术、全球定位技术、惯性导航技术、光电扫描技术的先进航空摄影测量与遥感技术。
  LiDAR是一种复杂精密的集成设备,需要传统的工程测量、大地测量和航空摄影测量为技术支撑,以及相关的空域联系、航摄飞行、外业测控、内业数据处理等各个环节来配合。
2 LiDAR技术在铁路航测中的应用
  目前,我国对LiDAR技术在铁路航空摄影测量中的应用研究和工程实践处于初步阶段,尽管几家铁路综合设计院都引进了LIDAR设备,但是由于对这项技术的认识,相关的技术储备以及项目需求不同等原因,开展的深度和广度有所差异。总体而言,LiDAR技术对铁路航空摄影测量有较好的推动作用,主要表现在:
  1)外业控制测量的工作量不大。由于采取了POS技术,可以实时获取位置信息,大大减少了控制测量的需求,对于在困难地区的铁路勘测尤其重要。
  2)精度高。LiDAR的高程精度很高,能够很好地满足铁路勘察的需求。
  3)速度快。LiDAR数据生产断面和DEM的速度很快,能快速提供地形地貌信息。
  4)对天气依赖不大。由于是主动测量技术,LiDAR可以进行全天时和全天候的作业,对于工期短,时间紧的铁路勘察项目尤其重要。
  尽管如此,LiDAR技术在铁路勘察中全面展开和深入进行,还有待时日。主要问题在于:
  1)没有标准和规范。目前还没有专门的针对LiDAR技术在铁路测绘中的标准和规范,对成果精度等问题的权威认可,还没有依据。
  2)对于在铁路勘察的何种情况,何种阶段使用LiDAR技术最有效,还没有形成清晰认识。LiDAR技术最适合带状成图,在初测和定测等不同阶段,会有不同效果,需要深入研究和比较。
  3)没有成熟的流程和熟练的技术队伍。LiDAR作业需要很多具有专门技术的技术人员一起合作,对各个环节进行精心组织和控制,目前,这样的队伍还没有组建,成熟的LiDAR作业流程和产品也没有形成。
3 LiDAR航摄飞行作业技术
3.1 重要性
  飞行作业是LiDAR数据采集的第一道工序,为后续内业数据处理提供原始数据,其误差会被后续环节继承和包含。因此,其精度直接影响产品的精度。研究机载激光雷达作业流程,优化作业方案,控制作业质量,进而提高数据质量,对于LiDAR技术的使用和推广,具有重要意义。
3.2 目前主要问题
  目前对LiDAR技术的研究比较多,但是主要是集中在数据处理环节,在这个环节中主要存在下列问题:
  1)不规范。很多操作人员以前是操作航摄相机的技术人员,不太了解LiDAR技术的组成和要点,操作时没有严格按照制造商建议的环节和步骤进行。
  2)无标准。尽管制造商建议了设备操作流程,但是并没有解释这些操作的原因和具体细节。造成有的步骤没有可操作性,或者操作时没有标准,需要技术人员根据LiDAR的基本原理加以分析,最后确定标准的操作流程。
  3)太复杂。由于涉及很多技术,在作业的时候,需要考虑各种集成设备的工作状态和工作条件,仅经过初步培训的操作人员会混淆或忘记一些步骤,或者一些步骤没有做到位等,都会影响数据精度。
3.3 步骤
  一般而言,LiDAR航摄飞行作业流程图如下。
                           
  

  根据本单位的工程实践经验,本文总结LiDAR航摄作业的基本流程如下。
  1)设备安装及接线。注意轻拿轻放,保证设备视场角不被遮挡,将设备固定牢,确保各个接线接好,保证接触良好,一定要把硬盘插好。
  2)地面测量及测试。把镜头盖去掉,保证设备运转正常。测量GPS天线到传感器中心的偏心距,保证精度。
  3)飞机原地开车,待电压稳定后,飞机供电开机,确保设备各项指标正常,保证5分钟的GPS静态观测,时间长短取决于距离基站的远近,一般距离应在25-50公里,保证GPS能够观测到的卫星数8颗以上。
  4)起飞及作业。达到飞行高度后,打开机舱盖。临近测区时,先保持水平飞行5分钟,再做8字飞行,以便提高IMU的精度。飞进入航线前确认,通知飞行员,飞机进线后,激光设备会自动发射激光、记录激光回波数据,一般城市和山区的地表回波比例在90%以上,如果遇到有水田或者湖泊的地区,回波比例会有所下降。
  5)最后一条线飞完后,平飞小于5分钟后8字盘旋,然后平飞至少5分钟。下降高度,将激光设备的激光参数恢复安全值,关闭激光设备,关闭舱门,听从空管指挥返航。
  6)飞机降落后,进行5分钟的静态观测,关机。
  7)填写飞行报告表,记录此次飞行的起飞时间、降落时间、空中情况等信息。
  8)数据下载。检查数据质量,包括重叠度、点云密度、回波强度,测区覆盖度等,填写质量检测单。
      3.4 要点
  对于上述流程,需要注意的关键点在于:
  1)静态观测。飞机上GPS设备需要在开机前和关机前都进行5分钟的静态观测,保证对卫星的捕捉,提高数据质量。如果测区离机场距离较远,直线飞行距离在30分钟以上,则无需进行地面静态观测,但要保证空中直线平飞的时间足够长,可以锁定GPS卫星。
  2)“8”字飞行。由于IMU容易受到累计误差的影响,因此,在入第一条航线前和出最后一条航线后,都必须进行IMU初始化飞行(平飞),以提高IMU的后处理精度。
      3)航线上飞行姿态控制。要保证Roll (侧滚角)< 5 ?;Pitch(俯仰角)< 5 ?;Drift (偏航角)< 20 ?。
  4)飞行速度。严格按照航线设计时确定的飞行速度进行,注意顺风和逆风时的航速,确保点云的密度。
  
4 总结
  本文根据LiDAR的技术特点,以及在进行航空摄影测量时容易产生的问题,在总结前人资料和本单位生产实践的基础上,提出了LiDAR铁路测绘飞行作业技术的流程和要点。期望对于今后的生产实践有参考作用。
  
参考文献:
[1] 王东亮,万幼川,徐景中,赖旭东.基于DEM的机载LiDAR航线设计[J].测绘科学,2011(1).
[2] 胡琪,胡维纲,邓非,李俊峰.机载 LiDAR 和光学影像制作正射影像的方法[J].地理空间信息,2011(6).
[3] 程垒.国产AOE机载激光雷达飞行作业技术研究[D].山东科技大学,2008.
[4] 周云.高分辨率卫星影像数据与 LIDAR 数据在铁路勘测设计中的深度应用[J].铁道勘察,2012(1).

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