結(jié)合無人機(jī)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(guó)中鐵二院工程集團(tuán)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(jī)和地面三維激光掃描技術(shù)都具有明顯優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)采用VZ4000地面三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，實(shí)驗(yàn)環(huán)境最遠(yuǎn)測(cè)量距離為4 000 m，自然環(huán)境最遠(yuǎn)測(cè)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(chǎng)查看，掃描站點(diǎn)的確定，標(biāo)靶布設(shè)，數(shù)據(jù)掃描，數(shù)據(jù)處理幾個(gè)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(cè)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(cè)站之間必須至少布設(shè)4個(gè)控制點(diǎn)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(diǎn)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(dú)立坐標(biāo)中去，需要對(duì)掃描的區(qū)域布設(shè)標(biāo)靶，并用無棱鏡全站儀測(cè)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(gè)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(cè)區(qū)周圍，且這些標(biāo)靶不能在同一條線或是同一個(gè)面上。另外，標(biāo)靶的布設(shè)不能夠太遠(yuǎn)，太遠(yuǎn)有可能導(dǎo)致掃描儀沒有掃到標(biāo)靶，太近會(huì)影響后期拼接的精度。相關(guān)實(shí)驗(yàn)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?yàn)椴蓸娱g隔太太，會(huì)影響后期的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。另外如果采樣間隔太小，則會(huì)影響到掃描的精度。對(duì)于VZ4000三維激光掃描儀，每站的掃描時(shí)間一般控制在6 min左右較為合適。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)不同站點(diǎn)的掃描數(shù)據(jù)，首先要進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理主要包括去除噪點(diǎn)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(shí)，測(cè)量自然物體的目標(biāo)距離可以達(dá)到2 700 m左右，但目標(biāo)距離越遠(yuǎn)獲取的精度就越低。首先需要對(duì)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，方法可以采用VZ4000自帶軟件Riscan中的Range gate進(jìn)行，如圖1所示。

對(duì)各站的數(shù)據(jù)初處理后，就可以根據(jù)標(biāo)靶進(jìn)行不同站點(diǎn)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(duì)拼接，另外一種是絕對(duì)拼接。為了能夠控制每站坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差的一致，本次實(shí)驗(yàn)采用絕對(duì)拼接的方式進(jìn)行，在RiScan軟件中就可以采用如圖2中的方法進(jìn)行。

圖1 按距離去除點(diǎn)云

圖2 站點(diǎn)拼接

各個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)拼接完畢后，就可以進(jìn)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(bǔ)

采用無人機(jī)的DEM對(duì)地面三維激光掃描數(shù)據(jù)盲區(qū)補(bǔ)充時(shí)，可以采用以下方法進(jìn)行改進(jìn)。將地面三維激光掃描數(shù)據(jù)作為控制點(diǎn)，然后在無人機(jī)制作得到的DEM上進(jìn)行內(nèi)插，通過計(jì)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(diǎn)的高程差值，然后利用這個(gè)高程差值對(duì)地面三維激光掃描出現(xiàn)漏洞的區(qū)域的無人機(jī)DEM進(jìn)行高程值的改正。

2 無人機(jī)獲取DOM技術(shù)

本次實(shí)驗(yàn)采用YC-GY04型固定翼無人機(jī)，相機(jī)為Canon 5D MarkII。無人機(jī)航攝的主要步驟如下。

2.1 相控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

本次實(shí)驗(yàn)像控點(diǎn)為航飛前布設(shè)好的石灰標(biāo)志點(diǎn)和油漆點(diǎn)，呈十字型，規(guī)格為0.4 m×1.0 m。像控點(diǎn)結(jié)合測(cè)區(qū)的地形進(jìn)行布設(shè)，并采用四川省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)(SCGNSS)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，高程采用全省厘米級(jí)高精度似大地精化水準(zhǔn)面(2.5′×2.5′)進(jìn)行擬合。

2.2 航線的設(shè)計(jì)

在對(duì)無人機(jī)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)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(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及精度驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為四川省某地，該地地形復(fù)雜，垂直高差較大。通過對(duì)測(cè)區(qū)RTK實(shí)測(cè)的點(diǎn)云，在構(gòu)建的DEM上進(jìn)行內(nèi)插得到內(nèi)插的高程Z，最后和實(shí)測(cè)的高程進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)得到的DEM高程中誤差為0.21 m，精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 DEM高程精度統(tǒng)計(jì) m

本次DOM平面精度的檢查采用外業(yè)檢查的方法，即量測(cè)測(cè)區(qū)內(nèi)明顯地物點(diǎn)。本次實(shí)驗(yàn)采用房屋屋檐與正射影像對(duì)應(yīng)的地物點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，誤差控制在一個(gè)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(diǎn)，但是在獲取DOM數(shù)據(jù)方面，局限性非常大。而無人機(jī)航攝技術(shù)在獲取DOM上優(yōu)勢(shì)明顯，但其DEM精度不高。結(jié)合這兩種技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)局部地形高精度DEM和DOM數(shù)據(jù)采集的需求。通過對(duì)四川某山區(qū)的實(shí)地的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，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(duì)高差較大的山區(qū)，更具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 張麗麗，王小平，張 瑛.基于無人機(jī)影像生產(chǎn)高精DEM的實(shí)踐[J].測(cè)繪技術(shù)裝備，2009，11(1):33-34

[2] 付紅云，王晏民，胡春梅.一種新的基于地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)正射影像圖制作方法[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27(4):16-21

[3] 張宏，胡明.三維激光掃描儀在地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2007，26(8):16-19

[4] 王峰，陳煥然，程效軍.基于地面激光掃描儀的建筑數(shù)字化方法[J].地理空間信息，2011，9(3):39-42

[5] 吳磊，金偉娜，燕樟林.無人機(jī)攝影測(cè)量在公路選線上的應(yīng)用研究[J].大壩與安全，2012(2):35-42

[6] 施貴剛.地面三維激光掃描數(shù)據(jù)處理技術(shù)及作業(yè)方法的研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009

[7] 金為銑，楊先宏，邵鴻潮，等.攝影測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，1996

[8] 晏磊，呂書強(qiáng)，等.無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2004，37(6)：67-70

[9] 史占軍，于志忠，郭志強(qiáng).無人機(jī)攝影測(cè)量在1∶2 000地形圖的應(yīng)用[J].吉林地質(zhì)，2011，30(3) 133-136

[10] 金為銑，楊先宏，邵鴻潮，等.攝影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，2001

[11] 邱曉紅，景華.無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2000(1):28-30