機載激光雷達在大比例尺測圖中的應用

摘 要：文章簡述了機載激光雷達測量技術的原理及特點，通過與傳統(tǒng)測量技術的比較，說明了機載激光雷達測量技術在大比例尺測圖中的發(fā)展前景。

關鍵詞：機載激光雷達；LIDAR；大比例尺測圖

引言

福建省某核電廠址位于東沖半島的東北部、福寧灣的西南岸。測區(qū)高程在0-200m，含有一個無人島嶼。地貌主要以山地為主，山勢陡峭，尤其是靠臨海邊的山坡人員根本無法通行，植被茂盛，覆蓋率為70%，交通困難。測圖比例尺為1：1000。面積約5km2，工期為1個月。

在植被茂盛的山區(qū)進行大比例尺測圖，如何快速、高效的獲取基礎空間數(shù)據(jù)成為測量工作的首要解決的問題。常規(guī)人員跑桿方法生產周期長、費用高、效率低。如果采用傳統(tǒng)航空攝影測量方法，會因為像控點布設及測量困難而不能作業(yè)，即使破壞植被進行作業(yè)，立體相對測圖也無法滿足大比例尺地形圖的高精度要求。

人工跑桿結合機載激光雷達數(shù)據(jù)能夠很好的解決這種地區(qū)的大比例尺地形圖測繪的問題，完成測量工作。

文章結合福建某核電廠陸域1：1000比例尺地形圖測繪項目介紹機載激光雷達數(shù)據(jù)配合人工跑桿的方法在山區(qū)、植被茂盛地區(qū)測繪工作中的應用。

1 機載LIDAR組成及測量原理

機載LIDAR是綜合利用激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導航系統(tǒng)（INS）三種技術于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精準的三維地形（DEM）。這三種技術的結合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑。激光本身具有非常精確的測距能力，其測距精度可達毫米級。結合激光器的高度，激光掃描角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發(fā)射方向，就可以準確的計算出每一個地面光斑的X、Y、Z。

2 工程項目簡述

2.1 工程簡介

本工程位于福建省，測區(qū)地形屬于山地，高差較大地形復雜，山勢陡峭，樹木覆蓋密集。加之多年封山育林，山中幾乎沒有路，交通十分不便。測圖的目的是為核電廠的設計及后續(xù)土石方施工提供基礎數(shù)據(jù)。

2.2 工程實施

項目開展前，收集到測區(qū)附近的平面控制點、水準基準點、及LIDAR數(shù)據(jù)。

2.2.1 控制網(wǎng)的建立

只需要滿足前期測圖及后期土石方施工的需要，在1：1000測區(qū)范圍內布設了四等GPS控制網(wǎng)。根據(jù)地形及交通情況，對部分控制點進行了三等水準測量，其余點位進行了GPS高程擬合并用三角高程進行了檢查。

2.2.2 坐標轉換

機載激光雷達直接得到的原始坐標為WGS84坐標和大地高，而項目要求為1980西安坐標，1985國家高程基準。這樣就要求對機載LIDAR數(shù)據(jù)進行轉換。

（1）平面坐標轉換。根據(jù)測區(qū)的控制網(wǎng)點觀測數(shù)據(jù)及成果，可以計算出測區(qū)WGS84坐標與1980西安坐標系相互轉換的七參數(shù)。利用七參數(shù)，把機載LIDAR獲取的點云數(shù)據(jù)（WGS84坐標）計算出轉換為控制點的1980西安坐標系下的坐標。（2）高程擬合方案。利用測區(qū)內的已有控制網(wǎng)點擬合測區(qū)高程異常模型，利用高程異常模型將點云數(shù)據(jù)的大地高解算為正常高。

2.2.3 外業(yè)測量

（1）用常規(guī)測量測繪居民地、道路、電桿等地物的同時，同時也與機載LIDAR的高程數(shù)據(jù)進行了對比。（2）用GPS-RTK對山區(qū)進行了散點檢查，對個別超限的高程點進行了改正。

2.2.4 成圖精度分析

地形圖完成后，對外業(yè)進行了抽查。檢測地形點433個，高程較差最大值為0.958m，中誤差為0.336m。滿足《核電廠工程測量技術規(guī)范》（GB 50633-2010）中規(guī)定山地等高線插求點的高程中誤差小于0.9Hd（隱蔽地區(qū)可放寬50%）的限差要求。

3 機載LIDAR的技術特點

（1）快速獲取數(shù)據(jù)：地面控制工作大大減少，采集的每個激光點都帶有真實三維坐標信息，大大減少野外工作量，縮短工期；（2）植被穿透能力：由于激光探測具有多次回波特性，有效克服植被影響，可以更精確探測地面真實地形，是目前能測定植被覆蓋地區(qū)高程的先進技術；（3）數(shù)據(jù)高密度、高精度：系統(tǒng)采集的激光點云數(shù)據(jù)非常密集，精度也高，通常激光點距離1-2m，平面精度0.3m，高程精度0.2m；（4）數(shù)據(jù)產品豐富：根據(jù)需要，機載LIDAR系統(tǒng)還可以配備高清數(shù)碼相機，在采集地面激光點坐標的同時，還能同時采集同一區(qū)域高分辨率影響數(shù)據(jù)。經過加工處理后，可以得到DEM、DOM、DTM、DSM等數(shù)據(jù)產品，在相關專業(yè)軟件的支持配合下，還可以制作其他數(shù)據(jù)產品，如城市建筑三維模型等。

與傳統(tǒng)航測方法相比，機載LIDAR有自身的優(yōu)勢：

（1）作業(yè)環(huán)境廣，對于植被茂盛或山勢陡峭的無人區(qū)作業(yè)，傳統(tǒng)航測由于無法布設像控點，常規(guī)測量人員難以進入。但是對于機載LIDAR則不用考慮。機載LIDAR是主動式的測量技術，不依賴自然光、太陽輻射角和陰影的影響。（2）測量精度高，尤其是植被茂盛的測區(qū)，傳統(tǒng)航測作業(yè)方法需要作業(yè)人員估計樹高而得到地面高程，因此高程精度較差。激光脈沖信號能部分穿過植被，能夠快速得到的森林或山區(qū)的數(shù)字地面模型。

4 結束語

機載LIDAR以高精度、高密度、高效率等特點，在植被覆蓋率高、山勢陡峭、地形復雜的地區(qū)測量有著很好的優(yōu)勢。將逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)航測成為測量業(yè)較為廣泛應用的作業(yè)方法。

參考文獻

[1]張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M].武漢大學出版社，2007.

作者簡介：焦正華（1983，3-），男，籍貫：河北省石家莊市，學歷：本科，職稱：工程師，研究方向：測量工程。