結(jié)合LIDAR和RCD相機(jī)的1∶2 000地形圖生產(chǎn)探討

張 麗 周 琦

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

機(jī)載激光雷達(dá)的基本原理是將激光脈沖測(cè)距儀放置在飛行器上，記錄激光脈沖從發(fā)射到被地面目標(biāo)反射回來(lái)被接收之間的時(shí)間延遲，然后再乘以光速c，從而得到發(fā)射點(diǎn)到地面反射點(diǎn)的距離，再聯(lián)合IMU確定的姿態(tài)信息、GPS測(cè)定的飛行器精確的位置信息，即可求出每個(gè)激光腳點(diǎn)精確的三維空間直角坐標(biāo)(X，Y，Z),如圖1所示。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)原理

目前商用LIDAR系統(tǒng)一般都配備一個(gè)中小幅面數(shù)碼相機(jī)，用來(lái)同步獲取影像數(shù)據(jù)，其主要作用之一是制作正射影像，利用正射影像紋理信息輔助點(diǎn)云分類(lèi)，提高分類(lèi)精度。經(jīng)過(guò)正射影像輔助分類(lèi)后的DEM數(shù)據(jù)，廣泛用于鐵路勘測(cè)橫縱斷面、工點(diǎn)地形圖等的制作，能夠極大提高生產(chǎn)效率。

機(jī)載LIDAR技術(shù)能夠直接獲得目標(biāo)點(diǎn)精確的三維坐標(biāo)，但點(diǎn)云的不連續(xù)性及光譜信息的缺乏，使得依靠激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)僅可獲得高精度的DSM和DEM數(shù)據(jù)，卻很難精確快速提取構(gòu)筑物、地物邊界等矢量信息。目前商用LIDAR系統(tǒng)配裝的中小幅面數(shù)碼相機(jī)普遍有像幅小，存在徑向畸變和切向畸變，影像旋偏角大等問(wèn)題。導(dǎo)致在攝影測(cè)量應(yīng)用中，一方面數(shù)據(jù)處理過(guò)程較為復(fù)雜，尤其是在空三加密步驟，往往出現(xiàn)邊緣匹配精度不高、平差無(wú)法滿(mǎn)足精度要求、立體模型高程精度超限等問(wèn)題；另一方面其像幅過(guò)小亦導(dǎo)致測(cè)圖效率過(guò)于低下。因此，在目前的生產(chǎn)應(yīng)用中，機(jī)載LIDAR系統(tǒng)很少大規(guī)模用于1∶2 000地形圖制作。

圖2 RCD105相機(jī)

本文以徠卡公司的ALS60機(jī)載激光雷達(dá)及其配備的RCD105數(shù)碼相機(jī)(如圖2所示)為例，討論利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云及中小幅面數(shù)碼相機(jī)大規(guī)模制作1∶2 000地形圖的新方法。ALS60配備的RCD105數(shù)碼相機(jī)基本參數(shù)如下：CCD物理尺寸為49.041 6 mm×36.774 4 mm，像素大小為6.8 μm，像素個(gè)數(shù)為7 212×5 408萬(wàn)。

1 結(jié)合LIDAR和RCD相機(jī)的地形圖制作特點(diǎn)及思路

目前，鐵路航測(cè)地形圖制作法基本思路為：采用航攝儀獲取航片影像，利用航片完成刺點(diǎn)和調(diào)繪，內(nèi)業(yè)進(jìn)行空三加密，然后利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站完成立體采集地形圖工作。結(jié)合LIDAR點(diǎn)云和中小幅數(shù)碼相機(jī)的地形圖制作方法則將鐵路勘測(cè)中1∶2000地形圖制作和橫縱斷面制作數(shù)據(jù)源統(tǒng)一起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分利用。兩種方法的比較結(jié)果如表1。

表1 兩種地形圖成圖方式比較

結(jié)合LIDAR和RCD相機(jī)的地形圖制作基本思路為：首先通過(guò)機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)獲取點(diǎn)云、影像、POS等數(shù)據(jù)，并通過(guò)解算POS數(shù)據(jù)及視準(zhǔn)軸檢校，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)和每一張影像外方位元素；然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)處理，獲取高精度DEM，并根據(jù)DEM提取地形圖等高線(xiàn)和高程點(diǎn)；與點(diǎn)云處理同步，對(duì)影像進(jìn)行畸變改正，相機(jī)檢校，進(jìn)行空三加密，并在立體模型下采集地物矢量信息；最后將兩種方式獲取的成果疊加，經(jīng)地形圖編輯處理后形成地形圖。

2 結(jié)合LIDAR和RCD相機(jī)的地形圖制作流程

按照以上基本思路，對(duì)結(jié)合LIDAR點(diǎn)云和RCD105數(shù)碼相機(jī)生產(chǎn)1∶2 000地形圖的方法進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，并形成了基本流程圖，如圖3所示。

圖3 結(jié)合LIDAR點(diǎn)云和RCD105相機(jī)制作地形圖流程

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括POS數(shù)據(jù)與GPS基站數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差計(jì)算、LIDAR檢校、相機(jī)檢校、坐標(biāo)變換等處理過(guò)程。其目的是獲取準(zhǔn)確的點(diǎn)云坐標(biāo)和影像的外方位元素。

2.2 制作等高線(xiàn)及高程注記點(diǎn)

經(jīng)過(guò)幾何地理定位得到的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)反映的是地物表面的幾何信息，其中包括具有高度的點(diǎn)，如樹(shù)上、電桿、房頂?shù)?，需要?duì)LIDAR點(diǎn)云進(jìn)行分類(lèi)濾波，提取出地面高程點(diǎn)。

經(jīng)濾波分類(lèi)處理后提取的地形點(diǎn)密度大，數(shù)據(jù)冗余度高，需要進(jìn)一步提取地形關(guān)鍵點(diǎn)(圖4(a))?？紤]增強(qiáng)DEM三維顯示的順暢性和生成等高線(xiàn)的美觀性需要，在容差允許范圍內(nèi)進(jìn)一步對(duì)地形關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行平滑處理(圖4(b)，圖4(c))，并結(jié)合地物特征線(xiàn)構(gòu)建TIN格式的DEM。

基于DEM數(shù)據(jù)和地形圖要求自動(dòng)生成等高線(xiàn)，高程注記點(diǎn)等地形圖元素。

圖4 地形點(diǎn)的提取

2.3 地形圖地物元素制作

利用點(diǎn)云無(wú)法獲取高精度的地物元素(如構(gòu)筑物、道路、河流等)，需要由數(shù)碼影像在立體模型下采集得到。

(1)相機(jī)檢校及外方位元素的獲取

一般情況下，IMU與航攝儀視軸之間存在一個(gè)角度偏差，即偏心角。通過(guò)航飛時(shí)獲取的特定檢校場(chǎng)來(lái)獲取該偏心角，并以該角度值對(duì)所有測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，獲得每一張影像精確的外方位元素。

(2)影像畸變校正

RCD相機(jī)為寬幅非量測(cè)相機(jī)，為保證后續(xù)點(diǎn)位匹配和空三平差精度，空三加密前要先對(duì)像片進(jìn)行畸變校正，以消除徑向和切向畸變以及像主點(diǎn)偏移。RCD105相機(jī)的檢定參數(shù)由澳大利亞的Australia軟件求取，其給定畸變系數(shù)同國(guó)內(nèi)畸變改正軟件給定的模型存在差異，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較確定二者系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而完成畸變改正工作。

(3)空三加密

經(jīng)過(guò)相機(jī)檢校后的外方位元素具備較高平面精度，通過(guò)增加少量的外業(yè)控制點(diǎn)即可滿(mǎn)足1∶2 000圖精度要求，通過(guò)空三加密工作可進(jìn)一步消除模型間存在的視差，加強(qiáng)整個(gè)測(cè)區(qū)模型的穩(wěn)定性。

基于后續(xù)測(cè)圖的需要，點(diǎn)位匹配后要進(jìn)行弱區(qū)域編輯、粗差剔除，同時(shí)檢查標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位點(diǎn)，保證標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位有模型連接點(diǎn)。RCD相機(jī)存在畸變，因此邊緣匹配點(diǎn)的精度不高，加密過(guò)程中要剔除邊緣的點(diǎn)。在沒(méi)有外控或外控極少的情況下，空三加密工作需要通過(guò)調(diào)整外方位元素的權(quán)重來(lái)確保平差結(jié)果的可信度，達(dá)到理想的空三結(jié)果。

(4)立體模型下采集地物

根據(jù)空三加密結(jié)果，在立體模型下采集地物及特征線(xiàn)。

2.4 制作地形圖

將DEM生成的等高線(xiàn)、高程注記點(diǎn)數(shù)據(jù)和立體模型下采集地物數(shù)據(jù)疊加，在地形圖編輯平臺(tái)下進(jìn)行圖層轉(zhuǎn)入、等高線(xiàn)平滑等工作，最終生成地形圖。

3 精度分析試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

以貴州某水庫(kù)項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)要分析結(jié)合LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)和RCD105相機(jī)制作1∶2 000地形圖的精度。該項(xiàng)目地形等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

利用Mapmatrix軟件進(jìn)行影像畸變校正，利用IPASCO軟件解算像片初始EO，在SSk數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站進(jìn)行GPS/IMU輔助空三加密，采取人機(jī)交互的方式調(diào)整精度差的匹配點(diǎn)。針對(duì)側(cè)滾角和旋片角過(guò)大導(dǎo)致匹配點(diǎn)精度不高的影像適當(dāng)放寬像片EO的權(quán)重，并在區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果滿(mǎn)足精度要求下輸出空三成果。

3.3 地形圖精度評(píng)定

地形圖精度評(píng)定分為平面精度和高程精度兩部分，精度評(píng)定采用外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與地形圖進(jìn)行對(duì)比分析的方法進(jìn)行。本次一共采集外業(yè)平面點(diǎn)50個(gè)，高程點(diǎn)20個(gè)，部分點(diǎn)平面精度對(duì)比分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 外業(yè)實(shí)測(cè)和立體采集平面精度比較

高程精度評(píng)定基于LIDAR點(diǎn)云濾波分類(lèi)后的DEM和外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 外業(yè)實(shí)測(cè)和通過(guò)LIDAR點(diǎn)云獲取的高程數(shù)據(jù)精度比較

根據(jù)《鐵路航空攝影測(cè)量規(guī)范》中對(duì)1∶2 000地形圖精度要求，從圖5和圖6的精度對(duì)比可以看出，結(jié)合LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)和RCD105相機(jī)制作的1∶2 000地形圖精度完全能滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在鐵路工程中廣泛應(yīng)用于橫縱斷面、工點(diǎn)地形圖、三維虛擬踏勘系統(tǒng)制作等。本文闡述的結(jié)合LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)和RCD105相機(jī)制作1∶2 000地形圖是機(jī)載激光雷達(dá)在鐵路工程中的應(yīng)用拓展，實(shí)驗(yàn)證明其成果完全滿(mǎn)足鐵路1∶2 000地形圖精度要求。

另外，結(jié)合LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)和RCD105相機(jī)制作1∶2 000地形圖也存在一些問(wèn)題，比如：相對(duì)于傳統(tǒng)航空攝影工序多，制圖精度受到更多工序影響，如LIDAR檢校、相機(jī)檢校、點(diǎn)云濾波分類(lèi)等，且等高線(xiàn)生成的高度自動(dòng)化也增加了后續(xù)編圖工序工作量等，這些問(wèn)題還需要通過(guò)進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)處理的算法以及生產(chǎn)流程進(jìn)行不斷的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王長(zhǎng)進(jìn).機(jī)載激光雷達(dá)鐵路勘察技術(shù)[M].北京： 中國(guó)鐵道到出版社，2010

[2] 高文峰.GPS基站布設(shè)對(duì)基站激光雷達(dá)精度影像的研究[C]∥高速鐵路精密測(cè)量理論及測(cè)繪新技術(shù)應(yīng)用國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010：458-463

[3] 張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007

[4] TB 10050—2010 鐵路工程攝影測(cè)量規(guī)范[S]