机载LIDAR在输气管线建设中的应用

机载LIDAR在输气管线建设中的应用

赵国强

赵国强

中煤航测遥感集团有限公司陕西西安710199

摘要：本文针对传统测量技术在输气管线建设中的不足，文中介绍机载激光雷达LIDAＲ技术，结合某测区实例，从点云密度、点云精度、加密精度及成图精度四个方面进行分析，证明该技术能满足其精度要求，提高效率，节省成本。

关键词：LIDAＲ;输气管线;摄影测量;精度分析

1LIDAＲ技术简介

1.1机载LIDAＲ扫描系统构成

LIDAＲ技术是由激光测距设备、全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(IntertialNavigationSystem，INS)以及高分辨率数码相机等集成，LIDAＲ借助激光传感器扫描地球表面，同步利用惯性导航系统(IMU)实时获取飞机的飞行姿态参数，并依靠全球定位系统(GPS)观测空间位置信息(采样间隔1s)，能快速、高效的直接获取地形表面模型，机载LIDAＲ系统装备的数码照相机可同时获取地面目标的航空影像数据，具有自动化程度高、生产周期短、点云密度高、精度稳定以及高分辨率图像等优势。

1．2机载LIDAＲ基本原理

通过记录激光脉冲从发射到被地面目标反射回来再被接收之间的时间延迟，用其时间乘以光在空气中的传播速度便得到激光扫描仪中心到地面的距离，同时利用惯导系统(IMU)获得飞行过程中的3个方位角(ψωκ)，通过GPS获取激光扫描仪中心坐标，从而计算出地面激光反射点的三维坐标数据。

2项目应用

2．1项目概况

该项目的主要任务是为输气管线的设计施工提供1:2000比例尺3D产品。由于对DEM的精度要求较高，常规的航空摄影测量很难满足精度要求，客户要求使用机载LIDAＲ技术生产DEM，因此，决定采用国际上最先进的ＲieglLMS－Q1560机载激光扫描系统获取影像数据及点云数据。项目范围呈带状分布，南北走向，北低南高，最低处海拔约20m，最高处约900m。线路所经地区北部地形以平原微丘为主，南部以山地为主，植被发达。

2.2点云数据获取

航线设计以满足影像获取及点云密度为基准，这里不再描述。航摄飞行完成后，首先通过PO-SPackMMS软件对精密星历及钟差文件进行差分解算，得出航迹文件，在ＲiPＲOCESS软件中导入航迹文件，结合激光测距数据(SDF数据)对原始点云数据进行解码处理。最后通过控制点构成控制面对测区进行航带校正等处理输出点云(LAS)以及影像数据。

3精度分析

3．1点云密度

选择图1山地区域和图2最低区域中框内1m2为计算对象，经统计计算检查分别得出5．58个点以及1．52个点，符合表1点云密度≥1pts/m2要求。

图2最低区域

3.2点云精度检测

精度检测即LAS点云与地面检校点之间的点云绝对精度的检查。点云精度检测以全野外方式获取的地面点作为检测点，分别在A、B、C、D区(图3)进行了精度检测，检测点位置多位于硬化路面。检测时，以检测点为中心，将搜索半径范围内的点云数据拟合构面，检测点高程与该点在面上的投影位置高程进行比较，以获得的差值进行精度统计。统计表格如表1所示。

图3区域网分布示意图

经过内业点云成果检查，平均点云密度为大于等于1个/m2。量取外业检测高程点563个，高程中误差为0．0513m，满足任务需要。

3．3加密精度

根据测区带状分布的特点，要求在构架航带连接处必须布设像控点，且尽量公用，其余按照2条航带20条基线布设。根据获取的控制点成果，采用全数字摄影测量工作站SSK自动空三加密模块通过光束法区域网平差得到加密点成果。结合惯导精度及外业布点情况，本测区分为3个加密分区，分区情况如表2所示，分区分布情况如图4所示。

(1)相对定向精度采用全数字摄影测量工作站SSK自动空三加密模块和人工选点相结合的方法进行模型连接。各加密分区连接点上下视差中误差如表3所示，各区精度均优于1．7μm的精度要求。

(2)绝对定向精度绝对定向即把像控点通过光束法区域网进行平差。平差时选取适量的像控点作为检查点，用以评价空三加密的精度。(a)定向点残差统计绝对定向后，对加密分区内定向点残差的统计如表4所示，每个加密分区定向点平面残差优于0．6m，定向点高程残差优于0．2m，均符合GB/T23236－2009《数字航空摄影测量空中三角测量规范》要求。

利用检查点的中误差进行连接点中误差的计算，其结果如表6所示。每个加密分区加密点平面中误差均小于1．0m的平面精度要求，高程中误差均小于0．28m的高程精度要求。

3.4成图精度

本测区对DLG平面位置中误差、高程注记点对附近野外高程控制点的高程中误差、DEM高程精度以及DOM平面精度进行了精度统计，详见表7，均满足规范要求，其中DEM精度远远优于要求指标。图4为“3D”成果。

表7精度统计

图4DLG、DEM、DOM成果

结语:通过该案例可以得出，机载LIDAＲ点云结合航空摄影测量生产“3D”产品，不仅工期短效率高，而且高程精度优于常规航空摄影测量，尤其对于高植被覆盖区，激光能穿透植被遮挡获取地表点云，从而生成高精度的DEM产品。