結(jié)合無人機和地面三維激光掃描技術(shù)獲取高精度DEM及DOM

楊　鋒　繆志修　林春峰　閔世平

(中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都　610031)

在獲取局部地形數(shù)據(jù)方面，無人機和地面三維激光掃描技術(shù)都具有明顯優(yōu)勢。無人機能夠快速獲取較高平面精度的DOM數(shù)據(jù)，但其獲取得到的DEM高程精度較差[1]。而地面三維激光能夠有效的獲取高精度的DEM數(shù)據(jù)，但受視場角的限制，容易出現(xiàn)盲區(qū)和漏洞；且在制作地形的DOM方面應(yīng)用少，相關(guān)方面研究主要是利用地面三維激光掃描技術(shù)來制作建筑物等立面的正射影像[2]。

1　地面三維激光掃描技術(shù)獲取高精度DEM

本次實驗采用VZ4000地面三維激光掃描儀進行掃描，實驗環(huán)境最遠測量距離為4 000 m，自然環(huán)境最遠測量距離為2 700 m左右。該設(shè)備有四種發(fā)射脈沖，分別為50 kHz，100 kHz，200 kHz，以及300 kHz。地面三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取過程一般為：現(xiàn)場查看，掃描站點的確定，標(biāo)靶布設(shè)，數(shù)據(jù)掃描，數(shù)據(jù)處理幾個步驟。

1.1　選站原則

為了利用地面三維激光掃描儀獲得地形數(shù)據(jù)，應(yīng)該采用如下測站選址原則：

①確保在各掃描位置獲得的數(shù)據(jù)能夠覆蓋完整的掃描區(qū)域；

②在得到完整數(shù)據(jù)的前提下，應(yīng)盡量選擇較少的掃描站數(shù)，以減少搬站次數(shù)；

③相鄰測站之間必須至少布設(shè)4個控制點靶標(biāo)，并保證這些靶標(biāo)能在相鄰兩站掃描中可視；

④確保掃描區(qū)域能夠掃描到所有控制點靶標(biāo)。

1.2　標(biāo)靶布設(shè)

為了能夠?qū)⒌孛嫒S激光掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到工程獨立坐標(biāo)中去，需要對掃描的區(qū)域布設(shè)標(biāo)靶，并用無棱鏡全站儀測出標(biāo)靶的坐標(biāo)。為了能夠保證轉(zhuǎn)換的精度，至少需要四個及以上的反射片標(biāo)靶，標(biāo)靶的布設(shè)要均勻的分布在測區(qū)周圍，且這些標(biāo)靶不能在同一條線或是同一個面上。另外，標(biāo)靶的布設(shè)不能夠太遠，太遠有可能導(dǎo)致掃描儀沒有掃到標(biāo)靶，太近會影響后期拼接的精度。相關(guān)實驗表明，一般合適的距離在30 m左右[3]。

1.3　數(shù)據(jù)掃描

在數(shù)據(jù)采集階段，采樣間距的設(shè)置十分重要，因為采樣間隔太太，會影響后期的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲。另外如果采樣間隔太小，則會影響到掃描的精度。對于VZ4000三維激光掃描儀，每站的掃描時間一般控制在6 min左右較為合適。

1.4　數(shù)據(jù)處理

對不同站點的掃描數(shù)據(jù)，首先要進行預(yù)處理，預(yù)處理主要包括去除噪點等。VZ4000的掃描距離根據(jù)脈沖頻率的不同，其距離也不同，如脈沖頻率為30 kHz時，測量自然物體的目標(biāo)距離可以達到2 700 m左右，但目標(biāo)距離越遠獲取的精度就越低。首先需要對獲得數(shù)據(jù)進行濾波，方法可以采用VZ4000自帶軟件Riscan中的Range gate進行，如圖1所示。

對各站的數(shù)據(jù)初處理后，就可以根據(jù)標(biāo)靶進行不同站點之間數(shù)據(jù)的拼接。數(shù)據(jù)拼接的方法有兩種，一種是相對拼接，另外一種是絕對拼接。為了能夠控制每站坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差的一致，本次實驗采用絕對拼接的方式進行，在RiScan軟件中就可以采用如圖2中的方法進行。

圖1　按距離去除點云

圖2　站點拼接

各個站點的數(shù)據(jù)拼接完畢后，就可以進行濾波分類處理。圖3為濾波后得到的DEM數(shù)據(jù)。

圖3　濾波后得到的局部DEM數(shù)據(jù)

1.5　地面三維激光掃描數(shù)據(jù)漏洞的填補

采用無人機的DEM對地面三維激光掃描數(shù)據(jù)盲區(qū)補充時，可以采用以下方法進行改進。將地面三維激光掃描數(shù)據(jù)作為控制點，然后在無人機制作得到的DEM上進行內(nèi)插，通過計算內(nèi)插的高程和地面三維激光掃描儀的高程差，得到一系列坐標(biāo)點的高程差值，然后利用這個高程差值對地面三維激光掃描出現(xiàn)漏洞的區(qū)域的無人機DEM進行高程值的改正。

2　無人機獲取DOM技術(shù)

本次實驗采用YC-GY04型固定翼無人機，相機為Canon 5D MarkII。無人機航攝的主要步驟如下。

2.1　相控點布設(shè)與測量

本次實驗像控點為航飛前布設(shè)好的石灰標(biāo)志點和油漆點，呈十字型，規(guī)格為0.4 m×1.0 m。像控點結(jié)合測區(qū)的地形進行布設(shè)，并采用四川省衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準(zhǔn)服務(wù)平臺(SCGNSS)進行聯(lián)測，高程采用全省厘米級高精度似大地精化水準(zhǔn)面(2.5′×2.5′)進行擬合。

2.2　航線的設(shè)計

在對無人機進行航線設(shè)計時，一般要求航向重疊度不能小于53%，旁向重疊度不能小于15%，一個航帶內(nèi)的最大航高與最小航高之差不能大于30 m。

2.3　內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

無人機的內(nèi)業(yè)處理主要包括影像預(yù)處理、匹配、空三加密、正射糾正等。圖4為采用無人機技術(shù)得到DOM數(shù)據(jù)。

圖4　處理后得到局部DOM數(shù)據(jù)

3　實驗結(jié)果及精度驗證

本次實驗地點為四川省某地，該地地形復(fù)雜，垂直高差較大。通過對測區(qū)RTK實測的點云，在構(gòu)建的DEM上進行內(nèi)插得到內(nèi)插的高程Z，最后和實測的高程進行對比，統(tǒng)計得到的DEM高程中誤差為0.21 m，精度統(tǒng)計如表1所示。

表1　DEM高程精度統(tǒng)計　m

本次DOM平面精度的檢查采用外業(yè)檢查的方法，即量測測區(qū)內(nèi)明顯地物點。本次實驗采用房屋屋檐與正射影像對應(yīng)的地物點坐標(biāo)進行對比，誤差控制在一個像素之內(nèi)，而DOM影像分辨率大小為0.15 m。

4　結(jié)束語

地面三維激光掃描技術(shù)在獲取局部高精度地形方面，具有效率高，成本低等特點，但是在獲取DOM數(shù)據(jù)方面，局限性非常大。而無人機航攝技術(shù)在獲取DOM上優(yōu)勢明顯，但其DEM精度不高。結(jié)合這兩種技術(shù)的各自優(yōu)勢，實現(xiàn)局部地形高精度DEM和DOM數(shù)據(jù)采集的需求。通過對四川某山區(qū)的實地的測量實驗，采用該方法能夠很好的獲取高精度DEM和DOM數(shù)據(jù)，特別是對高差較大的山區(qū)，更具有推廣應(yīng)用價值。

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