机载激光雷达原理与应用科普（九）

数据预处理

机载LiDAR数据采集得到的原始数据包括：
① 原始激光点云数据，由激光扫描仪扫描采集得到；
② 原始数码影像数据，由数码相机拍摄采集得到；
③ 惯导IMU数据；
④ 机载GPS数据；
⑤ 地面基准站GPS数据。
原始激光数据仅包含每个激光点的发射角、测量距离、反射率等信息，原始数码影像数据也只是普通的数码影像，都没有坐标、姿态等空间信息，只有在经过数据预处理后，才能完成激光和影像数据的“大地定向”，具有空间坐标和姿态等信息。如图2-14所示。
原始激光点云数据的“大地定向”包括数据定位和定向两大内容，需要用到机载GPS观测数据、地面基站GPS观测数据、IMU姿态数据及系统参数（IMU、激光扫描仪、相机之间的相对位置及姿态参数）等。

图2-14 数据预处理流程示意图
1、激光点云数据定位
机载LiDAR在采集数据的过程中，GPS天线同步记录的坐标信息会受到对流层延迟误差、电离层延迟误差、卫星星历误差及多路径效应等误差的影像，要消除或减小这些误差的影响，才能提高定位精度。
消除上述误差通常可采用的方法有两种：一种为精密单点定位，一种为双差分定位。
精密单点定位又称绝对定位，即利用GPS卫星和用户接收机之间的伪距观测值，确定测站在WGS84坐标系中的位置。使用精密单点定位方法时精密星历和钟差文件是必需的，可以直接从IGS等组织的网站上进行免费下载。使用单点定位最大的优势是不用布设地面基准站，这样就可以节省许多人力、物力，但单点定位的精度劣于差分定位精度，在精度要求不高的情况下可以使用。
DGPS双差分定位可以保证比较高的定位精度，该方法是在地面布设基准站（设在坐标精确已知的点上），与机载GPS装置进行同步观测，用基准站测定具有空间相关性的误差或对测量定位结果的影响，供机载GPS装置改正其观测值或定位结果。基准站布设的多少和位置根据测区大小、地形及数据精度要求等具体确定，不同的要求需对应布设不同个数的地面基准站。一般情况下，为保证仪器工作的同步性及初始化精度，机场需布设一个基准站，若测区面积较小且距离机场较近，在机场布设一个基准站基本可以满足生产需要。但有些项目，例如电力线选线项目，作业区域为带状，且地形多为山地，一般情况下离机场较远，此时需在测区增设一个或多个地面基准站。
DGPS双差分定位方法也可以联合精密星历和钟差文件，定位精度较高。实际生产中一般使用这种定位方法。
2、激光点云数据定向

无论通过精密单点定位还是DGPS双差分定位得到的都是GPS接收装置处的坐标信息，而我们最终需要的是激光扫描仪处的坐标信息，所以还需要根据GPS天线和扫描仪的偏心分量技术激光扫描仪的坐标信息。一般情况下，只有重新安装设备，GPS天线和扫描仪的偏心分量都会有变化，每次都需要重新测量。
IMU与激光扫描仪的相对位置参数由厂家提供，联合定位信息可以得到激光扫描仪的航迹文件，包含激光扫描仪在各个GPS采样时间的位置信息、姿态信息及速度。
根据激光扫描仪的轨迹文件，为每个激光点在WGS84坐标系下赋坐标值，即激光数据的大地定向。大地定向后的激光数据，可以通过专业软件打开浏览，因每个激光点都已有坐标属性，以高程显示的激光数据已能比较清晰地看出地面起伏及地物情况，如图2-15所示。

图2-15 按高程显示的激光点云数据
上述激光数据的大地定向对应机载LiDAR数据处理流程中的“DGPS/IMU联合解算”和“LAS激光点云文件生成”两个处理操作，其在工程实践中的软件操作流程如下：
1）解算POS数据
从原始观测数据中提取出GPS 数据、IMU 数据和辅助传感器数据（图2-16）；

图2-16 POS数据解算——数据提取界面

图2-17 POS数据解算——DGPS处理界面
2）载波相位差分处理

将地面基准站GPS接收机采集的数据与机载GPS接收机接收的数据进行载波相位差分处理，得到飞行平台精确的三维坐标，处理完一般利用该软件评估点位的精度，除此之外还可评估各点的质量等；最后利用IPAS Pro Processor将GPS数据与IMU姿态数据以卡尔曼滤波融合，得到最终精确的*.sol(或*.out)航迹文件，该文件描述不同时刻激光扫描仪的空间位置以及姿态（即外方位元素）；
3）生成las文件
结合航迹文件、激光测距数据，并设置大气校正参数、距离校正参数、扫描仪校正参数、POS误差允许参数及输出文件的路径、输出文件的格式和输出文件的选项，运行后得到LAS点文件。如图2-18所示。

图2-18 标准LAS格式点文件生成图
3、激光点云数据的检校

在航飞过程中，IMU和激光扫描仪的相对姿态可能会发生微小的变化，从而对激光数据产生影响，为消除这种影响，通常要对大地定向后的激光数据进行检查。若数据质量较好，则可以直接进行数据加工；若数据存在问题，则需对数据进行检校。检校参数通常是指偏心角分量：航偏角、侧滚角、俯仰角的偏心角分量。
由于大量数据同时运行速度较慢，实际生产中，为较快地得到较好的检校参数，通常的做法是，首先在检校场数据中选择一块典型的地形数据进行检校，得到理想的检校参数后应用到整个检校场，若还有问题，经过微调即可得到一组检校参数，将该组检校参数应用到整个测区，即可实现对测区激光数据的检校。经过检校的激光数据，不同航带、不同架次的数据都能很好的匹配，由此便可进行进一步的数据处理。
4、激光点云数据坐标转换
检校后的激光点云数据为WGS84坐标系，国内客户要求的成果坐标一般为工程坐标系（平面系统通常为北京54坐标系、西安80坐标系或当地独立坐标系；高程系统则指1956黄海高程系统、1985国家高程系统或地方独立高程系统）。要完成两个坐标系统之间的转换，首先需要具有控制点在两套坐标系统中的坐标，求出转换参数，然后将转换参数应用于激光数据，完成激光数据的坐标转换，转换后的激光数据已为工程坐标系，基于此而生成的DEM、DSM等数字产品也在工程坐标系下。
平面坐标转换通常使用的是布尔莎七参数法，平面坐标转换流程如图2-20所示。

图2-20 七参数计算流程
高程系统的转换比较简单，根据控制点在两套坐标系统的高程，求得高程异常，应用于激光数据便可实现激光数据的高程系统转换。
激光数据的坐标转换可以在检校后进行，也可以在激光数据分类后进行或不对激光数据进行坐标转换而直接转换成果的坐标系统，这些都是可行的。目前，比较成熟的做法为：激光数据检校后进行坐标转换，将激光数据直接转换至成果要求的工程坐标系下，再进行数字产品生产，这样基于激光数据生成的所有产品都是工程坐标系，避免了其它转换方法中可能需要进行多次转换的麻烦。

5、影像外方位元素确定
相机与激光扫描仪的相对位置参数有厂家提供，联合定位信息可以得到相机的航迹文件，包括相机在各个GPS采样时间的位置信息、姿态信息及速度。初始航迹文件在WGS84坐标系下，可以根据生产需要将航迹文件转换至相应工程坐标系，转换方法同激光数据坐标转换方法相同。
根据仪器记录的曝光点信息及原始影像的编号可以得到每幅原始影像的曝光时间，以GPS时表示。由此相机航迹文件与原始影像的曝光时间文件想结合便可以得到每幅原始影像的外方位元素。
工程实践中可应用IPAS CO软件进行数码相机的检校，检校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3个坐标轴间的偏心角，再综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。

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