A77機載激光雷達數據獲取技術規范2011-11-15發布2012-01-01實施國家測繪地理信息局發布I前言 Ⅱ 12規范性引用文件 13術語和定義 1 2 3 67飛行實施 78數據預處理 89質量控制 910相關文件制作 11成果整理與上交 附錄A(資料性附錄)偏心分量測定表 附錄B(資料性附錄)飛行記錄單 Ⅱ本標準起草規則依據GB/T1.1—2009。本標準由國家測繪地理信息局提出并歸口。本標準起草單位：陜西測繪地理信息局、長安大學、武漢大學、北京東方道邇信息技術股份有限公司、南京市測繪勘察研究院有限公司、中國公路工程咨詢集團有限公司。本標準主要起草人：肖平、隋立春、鄧國慶、謝露蓉、馬洪超、張生德、儲征偉、許振輝。1機載激光雷達數據獲取技術規范本標準規定了機載激光雷達數據獲取階段的基本要求以及技術準備、飛行計劃與實施、數據預處理、數據質量檢查、成果提交等技術要求。本標準適用于基礎測繪中機載激光雷達數據獲取的生產作業。其他性質的測繪工程可以參照執行。2規范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T18314全球定位系統(GPS)測量規范GB/T24356測繪成果質量檢查與驗收CH/T1001測繪技術總結編寫規定CH/T1004測繪技術設計規定CH/T8016全球定位系統(GPS)測量型接收機檢定規程CH/T8021數字航攝儀檢定規程CH/Z3005低空數字航空攝影規范3術語和定義下列術語和定義適用于本標準。激光雷達LIDAR發射激光束并接收回波獲取目標三維信息的系統。[GB/T14950—2009,數據獲取4.150]定位定姿系統PositionandOrientationSystem;POS用于確定傳感器空間位置參數和姿態參數的系統，一般由GNSS接收機和慣性測量裝置(IMU)集成。激光掃描儀laserscanner發射激光脈沖，通過記錄激光脈沖從發射經目標物反射到接收單元的時間延遲，測定從發射點到目標物反射點之間距離的激光測距系統。機載激光雷達airborneLIDAR在航空平臺上，集成激光雷達、定位定姿系統(POS)、數碼相機和控制系統所構成的綜合系統。以離散、不規則方式分布在三維空間中的點的集合。2通過激光雷達掃描獲得的點云。單位面積上點的平均數量。激光掃描儀可以探測的距離。投射到物體上被反射的輻射能與投射到物體上的總輻射能的比率。4總則4.1點云密度要求機載激光雷達獲取的點云數據密度應能滿足內插數字高程模型數據的需求。具體值見表1的規定。平坦地區點云密度適當放寬，地貌破碎地區適當加嚴。表1點云密度要求點云密度/(占/米24.2點云數據高程精度要求點云數據高程精度應使用野外控制點數據進行檢查，其高程中誤差應不大于表2的要求。表2點云數據高程精度要求比例尺地形類別點云數據高程中誤差山地3表2(續)比例尺地形類別點云數據高程中誤差山地山地山地山地在植被覆蓋密集區域、反射率較低區域(如水域、光滑表面等易形成鏡面反射的區域)等特殊困難地區，點云數據高程中誤差在表2基礎上可放寬0.5倍。最大允許誤差為表2中誤差的2倍。4.3對數字影像的要求數字航攝儀獲取的數字影像，飛行質量和影像質量應符合數字航空攝影相關標準的規定；非量測型數碼相機獲取的數字影像，飛行質量和影像質量應符合CH/Z3005的規定。5技術準備5.1資料準備資料準備一般應收集以下資料：a)飛行區域的行政區劃、通信、交通和自然地理等情況；b)飛行區域及鄰近地區內已有大地測量資料(如大地控制資料、高程控制資料、似大地水準面成果、像控成果、全球導航衛星系統連續運行基準站等)情況；c)飛行區域的地形類別、地面覆蓋類型、植被覆蓋密度等情況；d)飛行區域內數字高程模型數據、正射影像圖、地形圖等相關資料；e)必要時進行實地勘察獲取的相關資料及信息。45.2儀器設備及檢校5.2.1激光掃描儀對激光掃描儀的要求如下：a)根據作業區域的地形條件，以及成果對點云密度及數據精度的要求，選擇適宜的激光掃描儀，并確定回波次數、掃描角度、掃描頻率等相關參數；b)激光測距精度和掃描測角精度經過檢校；c)系統零點位置經過檢校。對POS系統的選擇和要求如下：a)應采用雙頻航空型GPS接收機，具備高動態、高準確度雙頻數據接收能力，具有精確定義和穩定的相位中心，采樣頻率不低于2Hz;b)IMU測角精度要求：側滾角和俯仰角不大于0.005°,航偏角不大于0.02°;c)IMU記錄頻率一般不低于64Hz;d)具有信號示標輸入器(eventmarker)接口，能夠將數碼相機快門開啟脈沖通過接口準確寫入GPS數據流，脈沖延遲一般不大于1ms,特殊情況下可適當放寬；e)電源系統應滿足長時間無間斷作業要求；f)機內移動存儲器應滿足長時間記錄和存儲所有數據的容量；g)GPS接收機的檢定應符合CH/T8016的規定，IMU的檢定應符合相關標準的規定；h)系統具有良好的抗加速能力。對地面GPS接收機的要求如下：a)應與機載GPS接收機性能匹配；b)類型應為雙頻GPS接收機，滿足高頻采樣率要求，采樣頻率不低于2Hz;c)具有帶抑徑板或抑徑圈的GPS接收天線，并具有良好的抗干擾能力；d)電源應能滿足長時間不間斷工作；e)配備能滿足滿架次飛行作業所需地面觀測數據存儲要求的存儲器；f)GPS接收機的檢定應符合CH/T8016的規定。5.2.4數碼相機數字航攝儀應符合數字航空攝影相關標準的規定，其檢定應符合CH/T8021的規定；非量測型數碼相機及其檢校應符合CH/Z3005的規定。5.2.5系統綜合檢校系統綜合檢校的要求如下：a)組成機載激光雷達系統的激光掃描儀、POS系統、數碼相機等設備必須處于良好的工作狀態，具有儀器設備檢驗合格證書，且檢驗合格證書應在有效期內；b)POS系統與激光掃描儀、數碼相機之間的位置和角度關系，在每個項目實施前均需進行系統綜合檢校，偏心分量值可參見附錄A填寫測量結果。5.2.6機載激光雷達檢校場及檢校飛行方案5.2.6.1機載激光雷達檢校場的要求如下：5a)檢校場用于對機載激光雷達設備的整體檢校；b)檢校場包含平坦裸露地形，有用于檢校的建筑物或明顯凸出地物；c)檢校場內目標應具有較高的反射率，存在明顯地物點(如道路拐角點等)。5.2.6.2可以采用如下檢校飛行方案：線(旁向50%重疊度)。飛行示意圖見圖1。b)飛行航線為3×3,旁向重疊度大于50%,單向飛行。飛行示意圖見圖2。根據實際情況和不同的機載激光雷達設備，選擇以上a)方案或b)方案或其他檢校飛行方案。 5.2.6.3檢校場地面控制點的布設及測量要求如下：平面或一條直線，可按數據高程模型格網間距的5倍進行布設。b)用于高程精度檢校的控制點應布設在裸露的平坦地面上；平面精度檢校的控制點需要時可布設為三維地面標志點。c)地面控制點平面位置精度應不低于GB/T18314中E級GPS點的精度要求，高程精度應不低于等外水準的精度要求。a)系統各個部分檢校的內容和結果；5.3技術設計a)技術設計時應依據項目總體要求、資料分析結果等編寫設計書，并根據項目具體情況與數據后處理合并編寫或獨立編寫。b)技術設計應包含以下主要內容：64)數據預處理，如對原始數據的整理、POS數據處理、點云數據解算、航帶拼接提出要求；5)數據質量檢查，如檢查范圍、檢查項目、補飛和重飛的具體要求等；6)成果提交，如成果數據的提交方法、提交內容等。c)技術設計應滿足本標準規定的各項技術要求，特殊情況不能達到時應明確說明原因，并通過項目組織管理部門的審核批準。d)技術設計的編寫要求及主要內容應符合CH/T1004的規定。6飛行計劃6.1飛行計劃制定飛行計劃應根據任務的需要擬定，由數據處理單位和飛行執行單位共同商定有關具體事項，應明確下列主要技術內容：a)對于機載激光雷達點云數據獲取應明確：1)飛機、機場、飛行區域和飛行面積(飛行范圍應以經緯度和圖幅號略圖表明);2)需要提供的飛行資料的名稱和數量；3)執行飛行任務的季節和期限；4)GPS信號和有效衛星數要求；5)機載激光雷達點云數據密度要求；6)航線敷設、航線重疊度；7)機載激光雷達設備類型、技術參數和附屬儀器參數；8)需提供的航攝成果的名稱和數量；9)點云數據高程精度的要求；10)點云數據精度檢測要求；11)其他相關的技術要求等。b)對于數字影像獲取應明確：1)數碼相機類型、技術參數和附屬儀器參數；2)影像分辨率的要求；3)影像航向、旁向重疊度的要求；4)攝影質量的要求；5)其他相關的技術要求等。6.2飛行季節和飛行時間選擇飛行季節和飛行時間的選擇要求如下：a)應選擇氣象條件最有利的飛行季節；選擇地面無積雪、地面植被稀疏和樹木落葉的季節，同時應b)應根據機載激光雷達所采用的激光掃描儀的波長選擇合適的飛行時間，同時考慮GPS信號強度和衛星數量的要求等因素；如果同時需要獲取數字影像，還應選擇有利于影像獲取的航攝飛行時間。6.3航線設計與分區航線設計與分區的具體要求如下：7a)航線敷設和劃分分區時，應根據IMU誤差積累的指標確定每條航線的直線飛行時間。b)飛行高度的確定應綜合考慮點云密度和精度要求、激光有效距離及飛行安全的要求，同時應考慮激光對人眼的安全性要求。c)分區應基于激光有效距離及地形起伏等情況進行設計，應考慮基站布設情況以及測區跨帶等問題。d)航線旁向重疊設計應達到20%,最少為13%,應保證飛行傾斜姿態變化較大情況下不產生數據覆蓋漏洞，在丘陵山地地區，設計時應適當加大航線旁向重疊度；航向起始和結束應超出半幅圖幅范圍，旁向應超出半幅圖幅范圍，超出部分不小于500m,且不大于2000m。e)在滿足成果數據的技術要求和精度要求的前提下，在同一分區內各航線可以采用不同的相對航高。f)航線一般應按照東西或者南北直線飛行，特殊任務情況下，則應按照公路、河流、海岸線、境界等走向飛行，項目執行時可以按照飛行區域的面積、形狀，并考慮到安全和經濟性等實際情況選擇飛行方向。g)每個測區應至少設計一條構架航線，航高保持一致。h)如需基礎地理信息數據數字正射影像圖的生產制作，在滿足點云數據精度要求的前提下，還應符合數字航空攝影相關標準的規定。6.4基站布設與測量基站的布設和測量應符合IMU/GPS輔助航空攝影相關標準的規定。7飛行實施7.1飛行準備飛行準備的要求如下：a)飛機停機位四周視野開闊，視場內障礙物的高度角應不大于20°,避免GPS信號接收失鎖。b)機載設備在起飛前進行加電檢測，在起飛前5min開機，落地后滑行到停機坪后5min關機。c)所有基站應在飛行前進入觀測狀態，完成電源、存儲系統等的檢查，做好觀測準備；所有基站在測量過程中應連續測量。d)準備好第二套飛行方案，以備由于客觀原因導致飛行困難。7.2檢校飛行檢校飛行的要求如下：a)機載激光雷達設備每次拆卸安裝，或設備各部件相對關系發生改變后，均應重新進行檢校飛行；b)多架次飛行后，可以根據數據質量情況進行重新檢校；c)檢校飛行應滿足衛星數量大于10顆，高度角大于15°,并應選擇好的觀測時段，位置精度衰減因d)每個項目起始段和結束段均宜通過檢校場。7.3航高保持航高保持的要求如下：a)在一條航線內航高變化不應超過相對航高的5%～10%;8b)實際航高變化不應超過設計航高的5%～10%。7.4飛行速度飛行速度的要求如下：a)飛行速度應根據機載激光雷達在不同航高和不同激光光線強度等情況下的標稱精度要求、項目對精度要求、地形起伏情況、激光頻率、系統的最大瞬時視場角(IFOV),以及載體的性能等參數確定；b)整個作業區域內，飛行速度應盡可能保持一致；c)在一條航線內，飛機上升、下降速率不大于10m/s。7.5飛行過程中姿態飛行過程中姿態的要求如下：a)航線俯仰角、側翻角一般不大于2°,最大不超過4°;b)飛機轉彎時，坡度不大于15°,最大不超過22°;c)航線彎曲度不大于3%;d)需要時，為避免IMU誤差積累，每次進入測區前，飛機應先平飛3～5min,再做個“8”字形飛行；當次飛行結束后，飛機應先做“8”字形飛行后平飛3～5min。7.6補飛與重飛出現下列問題時，需要進行補飛和重飛：a)POS系統局部數據記錄缺失；b)根據各個設備評價指標檢查是否滿足要求決定；c)原始數據質量存在局部缺陷而影響點云的精度或密度。補飛或重飛航線的兩端一般應超出補飛范圍外半幅圖，超出部分不小于500m,且不大于2000m,并應滿足與原航線的旁向與航向重疊要求。7.7其他注意事項飛行時其他注意事項如下：a)為確保設備安全，應待飛機發動機啟動，電壓穩定后，方可通電使用相關設備。b)飛行過程中應及時觀察系統工作情況，根據實際情況及時處理出現的問題，重點觀察下列現象：1)POS系統信號狀況；2)回波接收狀況；3)數據質量狀況；4)實時天氣狀況。c)飛機降落滑行至飛機停機位停穩后，應等候5min,保證IMU與GPS數據記錄完整，待機載激光雷達設備電源關閉后，方可關閉飛機電源。d)飛行記錄格式參見附錄B。8數據預處理8.1預處理的內容對原始數據進行解碼，獲取GPS數據、IMU數據和激光測距數據等。將同一架次的GPS數據、IMU數據、地面基站觀測數據、飛行記錄數據、基站控制點數據和激光測距數據等進行整理，生成滿足要求的9點云數據。8.2POS數據處理POS數據處理的要求如下：a)在飛行區域內有全球導航衛星系統連續運行基準站，并且其采樣頻率符合要求，收集這類基站的觀測數據，聯合機載GPS觀測數據，按照后處理精密動態測量模式進行處理，獲取飛行過程中各時刻GPS天線的基準坐標；b)如果在飛行區域布設地面GPS基站，可采用國家已知GPS坐標點聯測方式得到基準站坐標，或收集基準站周圍全球導航衛星系統連續運行基準站(如IGS站)觀測數據、IGS站精密星歷和精密鐘差等相關數據，解算獲取GPS基準站坐標，聯合機載GPS觀測數據，按照后處理精密動態測量模式進行處理，獲取飛行過程中各時刻GPS天線的基準坐標；c)選擇該架次距離攝區最近的基站數據進行解算或采用多基站數據聯合解算，確保采用最優解算結果；d)剔除姿態不佳的編號衛星數據，保證最終差分數據質量；e)基于差分GPS結果與IMU數據進行POS數據聯合處理，并顧及系統檢校已量測的偏心分量值；f)若GPS數據采用精密單點定位后處理模塊進行處理，按照精密單點定位數據處理流程解算飛行過程中各個時刻飛機的準確位置；g)通過雙向解算差值、GPS定位精度(差分GPS解算結果)和數據質量因子等指標進行綜合評定；h)導出航跡文件成果；i)參照IMU/GPS輔助航空攝影相關標準填寫POS數據處理結果分析表。8.3檢校數據的應用系統各個部件的檢校場或室內檢校數據主要用于改正飛行過程的系統誤差、航帶偏移等。將系統部件之間的偏心角、偏心分量數據，通過整體平差的方法解算出定向定位參數，改正航帶平面和高程漂移系統誤差，解算影像外方位元素。8.4點云數據解算點云數據解算的要求如下：a)聯合POS數據和激光測距數據，附加系統檢校數據，進行點云數據解算，生成三維點云；b)點云數據可采用LAS格式、ASCIⅡ碼格式或其他格式存儲。8.5航帶拼接和系統誤差改正航帶拼接時，不同航帶間(含同架次和不同架次)點云數據同名點的平面位置中誤差應小于平均點云間距，高程中誤差應小于表2規定中誤差。如果中誤差超限且存在系統誤差，應采取布設地面控制點的方式進行系統誤差改正，小于限差后，再進行航帶拼接。8.6精度檢查預處理完成后，應采用控制點檢查的方式檢查點云數據的精度，編寫點云數據精度檢查報告。9質量控制9.1質量控制內容9.1.1數據文件數據文件質量控制的內容如下：a)地面基站原始數據檢查和備份。檢查各地面基站記錄的原始數據是否存在異常，分析該數據是b)POS數據檢查和備份。下載POS原始數據并存儲，檢查、分析數據記錄編號的完整性。c)點云數據檢查和備份。下載點云原始數據并存儲，檢查文件記錄編號的完整性。d)影像數據檢查和備份。下載影像原始數據并存儲，檢查影像文件編號記錄完整性和影像質量。9.1.2POS數據POS數據質量控制的內容如下：a)偏心分量測定精度是否滿足要求；b)GPS信號有無失鎖，衛星數量是否滿足要求；c)時間信號有無重復或者丟失；d)IMU數據是否正常和連續；e)POS系統數據處理精度是否滿足要求。地面GPS基站數據質量控制的內容如下：a)采用預報星歷，并應保證95%以上的有效觀測的高度角大于10°;載波L1的多路徑影響MP1和載波L2的多路徑影響MP2小于0.5m;鐘的日頻穩定性不低于10-?;b)采集時段與飛行時段吻合，并且采集頻率滿足要求。9.1.4點云數據點云數據質量控制的內容如下：a)航帶重疊滿足要求，無絕對漏洞；b)點云數據覆蓋范圍滿足要求；c)同架次航帶間和不同架次航帶間的接邊誤差滿足要求；d)點云噪聲情況；e)點云密度滿足要求；f)點云數據精度滿足要求。9