摘要： 本文介绍国产机载SW-LiDAR系统的构成、特点和用途。重点阐述了该系统的三个集成原理：惯性导航原理、差分GPS原理和构象方程。介绍了该系统的工作流程。最后展望了该系统的应用前景。
Abstract： This paper introduced the structure， characteristics of a domestic airborne LiDAR systems SW-LiDAR and USES. This paper also provided highlights of inertial navigation principle， the principle of differential GPS and conformation equation， which is integrate theory. The workflow was introduced. Finally， the development trend of the system were prospected.
关键词： 国产机载LiDAR；集成原理；系统简介；工作流程
Key words： domestic airborne LiDAR；integration principle；system introduction；workflow
中图分类号：P412.25 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）32-0039-03
基金项目：国家科技支撑计划项目“倾斜摄影、地面LiDAR和野外测绘装备国产化”（2012BAH34BO1）；国家测绘局“国产机载LiDAR系统集成检校与生产实验”项目（201206C013），科技型中小企业技术创新基金（11C26211103834）。
作者简介：李志杰（1987-），男，河南陕县人，硕士研究生，研究方向为国产机载LiDAR集成与数据处理。
0 引言
机载激光雷达（LiDAR， Light Detection And Ranging）系统主要集成了激光测距仪、惯性测量单元、GPS接收机、电子计算机和数码相机等多种硬件，是一种用于获取地面及地面目标三维空间信息的主动式雷达探测系统[1]。该技术国外起步早，发展速度快。随着机载LiDAR技术的不断成熟，在机载LiDAR硬件设备方面，欧美等发达国家的研究已经取得了大量成果并形成了商业化产品。国内方面，中国科学院遥感所李树楷教授于1996年研制出机载激光扫描测量成像系统，由于硬件等方面的原因，没有进入使用阶段。目前国内机载激光雷达系统正处于蓬勃发展之中。由北京四维远见信息技术有限公司牵头，合作多家单位，经过长期努力，成功研制了国产轻小型LiDAR系统，命名SW-LiDAR系统（见图1），该系统具有良好的推广价值，现将该系统情况介绍如下。
1 SW-LiDAR系统的简介
SW-LiDAR系统包括硬件、主控软件SS-Lisc、数据预处理软件SS-Lipre、组合导航解算软件Inertial Explore等。硬件由AirLidar-1000机载激光扫描测量仪、国产POS2010小型化位置姿态测量装置、天宝5700GPS接收机、SWDC单镜头数字航测相机、主控计算机、锂电池、过渡架等集成。该系统质量共计约50kg，其中AirLidar-1000机载激光扫描测量仪质量17.8kg、国产POS2010小型化位置姿态测量装置质量7.7kg、天宝5700GPS接收机质量2.5kg、SWDC单镜头数字航测相机质量3.3kg、主控计算机质量7.7kg、锂电池3kg。AirLidar-1000机载激光扫描测量仪以脉冲激光器作为主动探测光源，利用激光单色性好、方向性强、能量高、光束窄的特点进行测距扫描，通过接收目标对激光器信号的反射及散射回波来测量目标的方位和距离。该测量仪的主要工作原理是：由激光器发送连续脉冲信号，经四面塔镜旋转形成扫描视场，再经过一定距离范围内的目标反射后被光学接收系统收集，记录每个脉冲的收发时间及扫描角度从而确定目标的空间位置，形成二维的平面点云数据。把该测量仪安装在飞行器飞行时，形成高精度三维空间点云数据。POS2010小型化位置姿态测量装置是惯性测量单元IMU（Inertial Measurement Unit），GPS接收机和IMU用于获取测量平台的位置和姿态，这两个设备联合起来又被称为组合导航系统，又称为位置姿态测量系统POS（Positioning and Orientation System）系统。GPS接收机实现时间同步的功能，提供飞行器位置高度信息，供飞行员参考[2]。位置和高度信息为飞行器进出测区和激光器开启关闭提供判断条件。SWDC单镜头数字航测相机选用哈苏H3DⅡ相机，经过加固处理，并通过检校获取相机检校参数。有效像素数5412×7216万，焦距35mm，旁向视场角70°，航向视场角55°。旁向视场角正好和AirLidar-1000机载激光扫描测量仪视场角匹配。
2 集成原理
机载LiDAR系统定位同全站仪定位方式一样，也是通过测角测边方式获得目标点的位置信息，属于几何定位。激光测距仪安置在飞行器上，该设备通过记录激光脉冲从发射经地面目标反射到接收的时间差，可精确测定发射点到目标点的距离；同时INS系统测定飞行器的空中姿态参数：侧滚角、倾斜角和航向角；GPS为飞行器提供精确的位置信息。联合INS测定的姿态信息、GPS测定的航迹信息以及激光测距仪测得的距离，可确定每个目标点的三维坐标信息。此外，还必须顾及到一些系统安置偏差参数：激光测距光学参考中心相对于GPS天线相位中心的偏差，三个安置角误差等。这些参数都需要通过一定的检校方法来测定[3]。
2.1 惯性导航原理 惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）是20世纪初发展起来的导航定位系统，它同全球导航卫星定位系统（GNSS， Global Navigation Satellite System）及地面电子测绘系统一起，形成现代三种空间定位系统。惯性导航系统属于一种推算导航方式，其基本原理是根据牛顿第一运动定律（惯性定律），利用陀螺和加速度计等惯性测量元件测量运行载体在运动过程中的线运动和角运动参数，通过在一定的坐标系内积分计算，最终得到运动体的相对位置、速度和姿态等参数[4]。
2.2 差分GPS定位原理 全球定位系统主要包括空间部分（卫星星座）、地面监控部分和用户设备部分（GPS接收机）。GPS以距离作为基本观测量，通过对四颗（或以上）卫星同时进行实时观测，即可解算出接收机的位置。全球定位系统的定位精度受空间卫星误差、接收机误差及外界条件误差等的影响。
由于卫星星历误差、卫星钟差、电离层和对流层延迟误差，对同一颗卫星的两站观测值的影响是相同或基本相同的，因此，可以在两站或多站同步跟踪相同的GPS卫星，通过差分定位技术有效地减弱或消除以上误差的影响，提高定位精度。
差分GPS（DGPS，Differential GPS）的基本原理是，在一个或几个已知坐标的位置安置GPS接收机作为地面基准站，与运动载体上的接收机进行同步观测，然后，将已知点上的GPS测定的位置坐标或其它参数与相应的已知值求差，再通过通过通讯设备将基站的差分信息传送给载体上的移动GPS接收机，联合结算两站的观测数据。
差分GPS分为两大类：载波相位差分和伪距差分。伪距差分是以伪距作为观测量进行差分处理，能够得到米级的定位精度；载波相位差分以两个测站的载波相位观测值为基础，通过处理可以将定位精度提高到厘米级。在POS辅助航空摄影测量中主要采用载波相位差分技术[5]。
2.3 构像方程 构像方程是指地物点在机载激光雷达测量系统中的坐标与其在地面上对应点的大地坐标之间的数学关系。数学关系的建立需要借助于前面建立的各种坐标系，通过坐标转换得到地面目标点的大地坐标。可以设某一束激光从发射点到目标点的距离为？籽，那么根据对瞬时激光坐标系的定义，此时激光脚点的坐标为（xSL，ySL，zSL）T，并有xSLySLzSL=00？籽（1）
LiDAR对地定位的坐标转换顺序可以描述为：瞬时激光坐标系→激光扫描坐标系→载体坐标系→惯性平台坐标系→当地水平坐标系→当地垂直坐标系→WGS-84系。有时用户为了使用的方便，还需要将WGS-84系进一步转化到局部坐标系。由此可以得出LiDAR的构像方程[3，6]。
x84y84z84=xGPSyGPSzGPS+RWRGRNRMRL00？籽+？驻x■■？驻y■■？驻z■■-？驻x■■？驻y■■？驻z■■
（2）
为了简单表示，可用向量表示为：
P=PGPS+RWRGRN（RM·RL·r+tL-tG）（3）
其中，P=（x84，y84，z84）T是激光脚点在WGS-84系中的坐标；
PGPS=（xGPS，yGPS，zGPS）T是天线相位中心在WGS-84系中的坐标；
r=（0，0，？籽）T是激光脚点在瞬时激光束坐标系中的位置向量。
3 工作流程
虽然目前LiDAR设备种类繁多，但是从工作原理，工作流程上还是大致相同的。航测进行之前，需要进行详细而周密的准备工作，包括测区规划、空域申请、航线设计、设备调试、天气预报查询等工作；然后飞行获取数据；最后对数据进行预理，处理过程中最重要的是获取检校参数；最后通过后期滤波分类处理后，还可以内插成DEM以及进行三维建模等。机载LiDAR系统工作流程可以分为航测规划、数据采集、数据预处理、数据后处理四阶段，流程见图3。
4 总结与展望
SW-LiDAR系统首次研发成功，以其系统设备轻巧、数据获取和处理快捷、成本低廉的特点，可以在小范围、复杂地域、地面人员不易达到区域，充分发挥飞行高度低、数据精度高的优势。可为灾害应急测绘提供测绘保障，为困难地区影像获取提供解决方案，为国土、规划、电力、道路、水利、林业、矿产资源等部门提供科学的决策依据。并可用于数字城市三维重建，数字高程模型的提取，土地资源和土地利用，构建数字矿山，电力选线与巡线，水利工程与水利设施勘测、道路与交通工程测绘、农业应用等领域。
参考文献：
[1]王长进.机载激光雷达铁路勘查技术[M].北京：中国铁道出版社，2010：10-83.
[2]Trimble Navigation Limited .Trimble-R7-5700Receivers-4A-UserGuide-7441[Z].
[3]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉：武汉大学出版社，2007：25-27.
[4]李学友.IMU/GPS辅助航空摄影测量原理、方法及实践[D].郑州：中国人民解放军信息工程大学，2005.
[5]董绪荣，张守信，华仲春.GPS/INS组合导航定位及其应用[M].长沙：国防科技大学出版社，1998.
[6]王长进.机载激光雷达铁路勘查技术[M].北京：中国铁道出版社，2010：10-83.