利用LIDAR數(shù)據(jù)測(cè)制城市大比例尺地形圖的研究與實(shí)踐

李勇，黃金浪

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005)

利用LIDAR數(shù)據(jù)測(cè)制城市大比例尺地形圖的研究與實(shí)踐

李勇?，黃金浪

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005)

以南京市新港地區(qū)為例，研究利用LIDAR系統(tǒng)的影像數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)及相應(yīng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件，測(cè)制城市大比例尺地形圖的方法。本文給出其中的關(guān)鍵技術(shù)和生產(chǎn)流程，是激光點(diǎn)云及數(shù)碼航空影像綜合使用上的一次成功嘗試。

LIDAR；數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量；地形圖精度

1 引 言

隨著南京市城市建設(shè)的飛速發(fā)展，城市規(guī)劃特別是城市郊區(qū)的規(guī)劃凸顯重要和緊迫，對(duì)地理數(shù)據(jù)的快速獲取和現(xiàn)勢(shì)性要求越來(lái)越高。而利用傳統(tǒng)的全野外數(shù)字化成圖，難以及時(shí)滿足城市規(guī)劃發(fā)展的需求，使得及時(shí)測(cè)繪所需大比例尺地形圖受到影響。目前利用已有小比例尺航攝資料進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)制，已成為快速成圖的最佳路徑。

機(jī)載激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging，LIDAR)是一種新型傳感器設(shè)備，該設(shè)備將POS技術(shù)和激光測(cè)距技術(shù)相結(jié)合。鑒于光速是已知的，傳播時(shí)間即可被轉(zhuǎn)換為對(duì)距離的測(cè)量，結(jié)合激光器的高度，激光掃描角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光始發(fā)方向，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的三維坐標(biāo)值。同時(shí)，LIDAR系統(tǒng)可以攜帶航空多光譜CCD相機(jī)，因此具備了同時(shí)獲得多光譜CCD影像的能力，為后續(xù)應(yīng)用提供了豐富的數(shù)據(jù)資源。

LIDAR由于能直接獲取真實(shí)地表的三維信息，經(jīng)常應(yīng)用在DEM、DOM制作及三維建模上，在測(cè)制大比例尺地形圖上應(yīng)用較為少見。此次南京市新港地區(qū)生產(chǎn)1∶1 000地形圖，由于我公司已有2009年4月航攝LIDAR系統(tǒng)Rollei相機(jī)影像數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，我們利用既有資料，在短期內(nèi)完成了該測(cè)區(qū)的測(cè)圖任務(wù)，并獲得了良好的效果。

2 航攝資料分析

2.1 ALTM Gemini LIDAR系統(tǒng)

ALTM Gemini是加拿大Optech公司旗下的一款機(jī)載LIDAR產(chǎn)品，激光脈沖頻率為33 kHz～167 kHz，掃描頻率最大100 Hz，掃描角度0°～25°，允許飛行高度80 m～4 000 m。高程精度優(yōu)于15 cm。

ALTM Gemini LIDAR系統(tǒng)攜帶 CCD相機(jī)是由Rollei公 司 生 產(chǎn)，像 幅 大 小 為 49.150 4 mm × 36.910 4 mm，像素大小為6.8 μm。

2.2 測(cè)區(qū)情況與資料分析

南京市新港地區(qū)2009年使用ALTM Gemini系統(tǒng)進(jìn)行航攝，折算影像攝影比例尺為1∶16 666，地面分辨率為11 cm。要求測(cè)制 1∶1 000比例尺地形圖，面積約50 km2。測(cè)區(qū)共有13條航線，最長(zhǎng)基線為63條，共計(jì)668張航片，航向重疊在65%～75%之間，旁向重疊在40%～55%，飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量良好。

依據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》規(guī)定，測(cè)制1∶1 000比例尺地形圖的航攝比例尺，按平地、丘陵地要求，最小比例尺也應(yīng)有 1∶4 000，而這次測(cè)圖使用的航攝資料是1∶1.7萬(wàn)，是規(guī)范規(guī)定比例尺的1/4倍，如果采用這種航攝資料按常規(guī)方法測(cè)圖是很困難的。因此，必須對(duì)各測(cè)圖工序作業(yè)方案進(jìn)行試驗(yàn)，科學(xué)設(shè)計(jì)作業(yè)方法，才有可能達(dá)到或接近規(guī)范規(guī)定的精度要求。

3 利用LIDAR數(shù)據(jù)測(cè)制大比例尺地形圖

由于LIDAR系統(tǒng)集成了小像幅數(shù)碼相機(jī)，通過(guò)對(duì)其影像做畸變糾正處理后，可以進(jìn)行空三加密及測(cè)圖。通過(guò)對(duì)各工序試驗(yàn)，確定了技術(shù)路線，優(yōu)化了作業(yè)流程，提高了生產(chǎn)效率。

3.1 采用的技術(shù)路線

由于影像重疊度大，基線短，交匯角小，高程量測(cè)精度差。在航向重疊為70%時(shí)，測(cè)圖能達(dá)到的高程量測(cè)精度可依據(jù)下面公式[1]計(jì)算:

其中△h為高程量測(cè)精度，m攝影為攝影比例尺分母，δx為影像量測(cè)誤差，f為焦距，Lx為行方向長(zhǎng)度。從上式可知按影像量測(cè)誤差為三分之一個(gè)像素來(lái)計(jì)算，高程量測(cè)精度為0.315 m，空三加密平差解算也存在一定的高程誤差，最終成果的高程精度難以滿足1∶1 000比例尺地形圖成圖的精度要求。通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)區(qū)，對(duì)其精度進(jìn)行驗(yàn)證，共檢查了21個(gè)路面高程點(diǎn)，誤差最小為0.5 m，最大達(dá)到1.8 m，高程精度無(wú)法滿足1∶1 000比例尺成圖精度要求。采用全野外補(bǔ)測(cè)高程的方法處理，其工作量大，效率低。為了提高生產(chǎn)效率，利用LIDAR數(shù)據(jù)直接獲取地表三維信息的優(yōu)勢(shì)，采用影像數(shù)據(jù)與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法來(lái)測(cè)制地形圖。先布設(shè)一定數(shù)量的像控點(diǎn)，利用像控點(diǎn)及POS數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行空三加密，建立測(cè)區(qū)立體模型，在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站上采集地形圖平面數(shù)據(jù)；城市建筑區(qū)、鋪裝路面的高程注記點(diǎn)由外業(yè)施測(cè)，其他區(qū)域的高程注記點(diǎn)及等高線可直接利用LIDAR點(diǎn)云提取。

3.2 空三加密

空三加密使用ISAT自動(dòng)空三軟件，整個(gè)測(cè)區(qū)只建一個(gè)區(qū)域網(wǎng)，共布設(shè)34個(gè)控制點(diǎn)和6個(gè)檢查點(diǎn)。設(shè)置畸變參數(shù)后可進(jìn)行空三加密，區(qū)域網(wǎng)平差精度如表1所示。

區(qū)域網(wǎng)平差精度 表1

精度統(tǒng)計(jì)表 表2

3.3 LIDAR點(diǎn)云處理

原始LIDAR點(diǎn)云經(jīng)過(guò)分類后，提取地面點(diǎn)，然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；利用野外高程控制點(diǎn)對(duì)其做糾正處理，沿著路網(wǎng)，共布設(shè)了57個(gè)高程控制點(diǎn)及33個(gè)高程檢查點(diǎn)，糾正后高程檢查點(diǎn)的高程中誤差為0.13 m。

3.4 測(cè)圖精度統(tǒng)計(jì)分析

將空三加密成果導(dǎo)入到JX4和VirtuoZo里采集數(shù)據(jù)，利用LIDAR點(diǎn)云提取出等高線及高程注記點(diǎn)數(shù)據(jù)，測(cè)圖的數(shù)據(jù)和點(diǎn)云提取的數(shù)據(jù)合并，經(jīng)過(guò)編輯后生成數(shù)字線劃圖。外業(yè)對(duì)其進(jìn)行抽樣檢測(cè)，共抽取12幅樣本，精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

從檢測(cè)結(jié)果表明，利用LIDAR數(shù)據(jù)測(cè)制1∶1 000比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

航空遙感是能快速獲取和更新基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段之一。LIDAR作為一種新型的航空遙感技術(shù)，不但具有數(shù)碼航空攝影的能力，更重要的是能由空中直接獲取高精度三維地面數(shù)據(jù)。利用LIDAR數(shù)據(jù)測(cè)制地形圖，可以減少高程注記點(diǎn)及等高線的測(cè)繪工作，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

本文提出的利用LIDAR數(shù)據(jù)測(cè)制城市大比例尺地形圖的方法是在激光點(diǎn)云及數(shù)碼航空影像的綜合使用上的一次成功嘗試，為同類項(xiàng)目提供了一定的參考依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，正在研究利用 LIDAR數(shù)據(jù)測(cè)制1∶500比例尺DLG數(shù)據(jù)的可行性方案。隨著技術(shù)的進(jìn)步，獲取數(shù)據(jù)精度的提高，LIDAR技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的綜合使用，能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，快速生產(chǎn)4D產(chǎn)品，必將促進(jìn)測(cè)繪生產(chǎn)技術(shù)的巨大進(jìn)步。

[1]張祖勛.航空數(shù)碼相機(jī)及其有關(guān)問題.北京:測(cè)繪工程，2004

[2]袁修孝.GPS輔助空中三角測(cè)量原理及應(yīng)用.北京:測(cè)繪出版社，2001

[3]CJJ 8－99.城市測(cè)量規(guī)范.

[4]Terrascan幫助文件.Terrasolid，2005

Research and Practice in Maping Large Scale Topography with LIDAR Data

Li Yong，Huang JinLang
(Nanjing Institute of Surveying，Mapping＆Geotechnical Investigation，Co.Ltd，Nanjing 210005，China)

This paper studies on using images and point clouds data of LIDAR system in mapping large scale topography with commercial digital photogrammetry soft in Nanjing XinGang urban area.Work flow and key technology were put forward.The work is a new step for using LIDAR point clouds and digital photogrammetry data.

LIDAR；digital photogrammetry；precision of map

1672－8262(2010)02－94－02

P22，P23

A

2009—12—09

李勇(1964—)，男，高級(jí)工程師，主要從事GIS研究及技術(shù)應(yīng)用。