機(jī)載LiDAR技術(shù)在地形圖測繪中的應(yīng)用

黃克城，宋時文，閻鳳霞

（1.三亞市國土環(huán)境資源信息中心，海南 三亞 572000；2.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

機(jī)載LiDAR技術(shù)在地形圖測繪中的應(yīng)用

黃克城1，宋時文2，閻鳳霞2

（1.三亞市國土環(huán)境資源信息中心，海南 三亞 572000；2.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

機(jī)載LiDAR技術(shù)能夠快速直接、連續(xù)自動獲取地面三維數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)遙感技術(shù)相比，具有對控制測量依賴少、受天氣影響小、自動化處理程度高、成圖周期短、產(chǎn)品種類豐富等特點(diǎn)。以三亞項(xiàng)目為例，對機(jī)載LiDAR技術(shù)在1∶2 000地形圖測繪中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，從而為同類項(xiàng)目提供借鑒和參考。

機(jī)載LiDAR技術(shù)；激光點(diǎn)云；DEM；DOM；DLG

1 測區(qū)概況

項(xiàng)目覆蓋三亞整個區(qū)域，面積約1 919 km2。全境北靠高山，南臨大海，地勢自北向南逐漸傾斜，形成一個狹長的多角形。項(xiàng)目采用機(jī)載LiDAR攝影測量技術(shù)進(jìn)行大比例尺測繪產(chǎn)品生產(chǎn)，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DSM、DEM、DOM、DLG及專題信息等一系列成果。航攝飛機(jī)為湖北楚天通用航空公司的運(yùn)五飛機(jī)，該機(jī)是小型單螺旋槳雙翼飛機(jī)，起飛距離為180 m；著陸距離為157 m；最高升限4 500 m；巡航速度220 km/ h。機(jī)載激光測量系統(tǒng)為德國TopoSys公司的Harrier 68i；數(shù)碼相機(jī)為德國TopoSys公司的Rollei Metric AIC Pro65（像素6 000萬）；慣導(dǎo)系統(tǒng)型號為Applanix POS/ AV 系列，采樣頻率200 Hz；激光掃描儀的型號為Riegl LMS-Q680，最大脈沖頻率400 kHz，掃描角度45/60°。

2 技術(shù)流程

2.1 LiDAR數(shù)據(jù)采集

1）航線設(shè)計(jì)。測區(qū)航攝飛行設(shè)計(jì)在保證產(chǎn)品精度質(zhì)量的前提下，綜合考慮儀器設(shè)備的性能、測區(qū)的地形條件、攝區(qū)形狀，對飛行航高、航向重疊度、旁向重疊度和航行協(xié)調(diào)等一系列要素進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)測區(qū)地形情況，設(shè)計(jì)了4個航攝分區(qū)，同時按照規(guī)范要求，設(shè)定影像的航向重疊度為65%，旁向重疊度為30%。

2）地面參考站布設(shè)。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)使用的定位技術(shù)為差分GPS，即將一臺或幾臺GPS安置在基準(zhǔn)站上，與機(jī)載接收機(jī)進(jìn)行同步觀測，根據(jù)基準(zhǔn)站已知精度坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并對機(jī)載接收機(jī)的定位進(jìn)行改正，從而達(dá)到提高定位精度的目的[1]。本項(xiàng)目實(shí)際架設(shè)8個基站，平均距離為20 km。地面參考站采用天寶5700和天寶5800雙頻接收機(jī)，采樣間隔為1 s。

3）控制點(diǎn)測量。為保證數(shù)據(jù)處理的精度，消除系統(tǒng)誤差，項(xiàng)目布設(shè)了22個控制點(diǎn)，均勻分布在測區(qū)范圍內(nèi)，平均間距約10 km。高程測量使用四等或以上控制點(diǎn)起算，由起算點(diǎn)引測到像控點(diǎn)附近固定點(diǎn)，觀測方法按照五等水準(zhǔn)測量要求進(jìn)行。平面測量以GPS-C、D級GPS點(diǎn)做起算，使用RTK或全站儀方式測量，得到像控點(diǎn)上的平面數(shù)據(jù)。

4）航空攝影。激光掃描測量前應(yīng)檢查飛行控制系統(tǒng)是否正常。激光掃描儀和數(shù)碼相機(jī)、GNSS天線及慣性導(dǎo)航儀IMU的工作是否正常，確保各部件都能正常工作時再進(jìn)行飛行。

5）數(shù)據(jù)解算。根據(jù)機(jī)載GNSS數(shù)據(jù)和地面基站GNSS數(shù)據(jù)采用DGNSS雙差分定位技術(shù)確定機(jī)載GNSS接收裝置的WGS84坐標(biāo)，再與慣性導(dǎo)航儀IMU數(shù)據(jù)聯(lián)合解算出飛機(jī)的航跡線；然后根據(jù)掃描儀偏心分量和相機(jī)偏心分量解算出激光航跡數(shù)據(jù)和相機(jī)航跡數(shù)據(jù)。

2.2 LiDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理

航攝得到的數(shù)據(jù)按流程進(jìn)行處理，處理過程按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行質(zhì)量控制與檢查，最終獲得RGB影像以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1）機(jī)載LiDAR接收機(jī)質(zhì)量檢測。對航飛獲取的所有機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查和評估，檢測影像色彩、點(diǎn)云密度噪音情況、航線覆蓋范圍等各項(xiàng)指標(biāo)[2]。

2）三維激光點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算。將原始激光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成原始的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)依據(jù)實(shí)測的平面和高程控制點(diǎn)進(jìn)行平面和高程校正，計(jì)算出地表目標(biāo)物的空間三維坐標(biāo)。

3）航帶拼接和系統(tǒng)誤差改正。將每條航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)和參考面數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對點(diǎn)云進(jìn)行平面和高程檢查和校正，小于限差后，再進(jìn)行航帶拼接。

2.3 LiDAR數(shù)據(jù)后續(xù)處理

1）點(diǎn)云分類。完成預(yù)處理后的LiDAR數(shù)據(jù)通過檢查合格后開展點(diǎn)云分類，點(diǎn)云分類把地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)分開存儲在不同的文件里，將非地面點(diǎn)細(xì)分為植被、建筑群等。

點(diǎn)云分類包括粗分類和精分類2步。粗分類基于宏執(zhí)行自動分類。精分類采用面向?qū)ο蠓诸惖姆椒ń⒎诸愐?guī)則，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高度、分布的形狀、密度、坡度等特征編寫宏規(guī)則。本項(xiàng)目采用了TerraSolid軟件進(jìn)行點(diǎn)云分類。

2）DSM制作。DSM是用含有首次回波信息的激光數(shù)據(jù)擬合生成的地表模型，對地表的房屋和樹木有很好的表現(xiàn)，能夠反映區(qū)域表面的高低起伏。首先將根據(jù)回波信息提取出的首次回波激光點(diǎn)云格網(wǎng)化，擬合生成單幅初始DSM模型，再填補(bǔ)小縫隙后生成浮雕影像，去除異常點(diǎn)，利用最鄰近插值法內(nèi)插，使地面高程連續(xù)完整，即生成了DSM模型。主要步驟包括格網(wǎng)化、填補(bǔ)小縫隙、生成浮雕影像、去異常點(diǎn)、內(nèi)插等。

3）DEM制作。DEM制作是在點(diǎn)云精分類的基礎(chǔ)上，利用分類后的地面點(diǎn)生成的數(shù)字高程模型，然后利用ArcGIS軟件將導(dǎo)出的數(shù)字高程模型進(jìn)行拼接再裁切為要求的標(biāo)準(zhǔn)分幅成果。

4）DOM制作?；诰诸惖牡孛纥c(diǎn)和手工選取的模型連接點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，更新外方位元素和相機(jī)文件，使用更新后的參數(shù)對原始航片進(jìn)行正射糾正獲得單片DOM，再將單片DOM調(diào)色后進(jìn)行無縫鑲嵌，經(jīng)過投影變換后裁切為1∶2 000標(biāo)準(zhǔn)分幅的DOM。

5）DLG制作。與傳統(tǒng)的立體要素采集不同，DLG制作是基于正射影像及分類后的地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)獲取。等高線利用DEM成果生產(chǎn)，并進(jìn)行抽稀及圓滑；高程注記點(diǎn)利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取，其他要素利用DOM及點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采集。

采集完成之后進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，調(diào)繪的內(nèi)容包括：測區(qū)門牌調(diào)查、測區(qū)房屋調(diào)查、地形地物調(diào)繪、測區(qū)單位面、工礦面調(diào)查、測區(qū)興趣點(diǎn)調(diào)查。

根據(jù)調(diào)繪成果再次進(jìn)入內(nèi)業(yè)，對經(jīng)過外業(yè)調(diào)繪所形成的DLG數(shù)據(jù)，進(jìn)行全面整理和編輯，最后生成符合要求的DLG成果。處理流程如圖1所示。

圖1 LiDAR數(shù)據(jù)后續(xù)處理流程

2.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集采用的是WGS84系統(tǒng)，成果采用1980西安坐標(biāo)、海南坐標(biāo)系等多個坐標(biāo)系統(tǒng)，因此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換極其重要。

平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用布爾莎七參數(shù)法。先通過GPS靜態(tài)聯(lián)測的方法得到8個基站的WGS84坐標(biāo)，結(jié)合8 個基站已有控制點(diǎn)的1980西安平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)成果，建立七參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，將激光點(diǎn)的3位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到80坐標(biāo)系坐標(biāo)。再根據(jù)5個控制點(diǎn)的80坐標(biāo)系和海南坐標(biāo)系的成果，建立嚴(yán)密轉(zhuǎn)換關(guān)系，將80坐標(biāo)系的坐標(biāo)成果再轉(zhuǎn)換到海南坐標(biāo)系。

高程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用多項(xiàng)式曲面擬合法，使用覆蓋測區(qū)的若干高程控制點(diǎn)對應(yīng)的同名點(diǎn)云建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)不同高程基準(zhǔn)的高程數(shù)據(jù)擬合[3]。

3 精度分析

測區(qū)范圍覆蓋1∶2 000標(biāo)準(zhǔn)分幅2 559幅，利用外業(yè)對其成果進(jìn)行抽樣檢測，抽查分為4個批次。其中，平面檢測采用GZORS測量和全站儀測量相結(jié)合的方法進(jìn)行，先利用GZCORS測量圖根點(diǎn)，全站儀在GZCORS圖根點(diǎn)上直接設(shè)站，對定向檢查無誤后，再測量房角、高壓桿、通訊桿、道路邊線等平面地物；高程精度檢測采用RTK測量方法進(jìn)行，測量旱地高程檢查點(diǎn)、路面高程檢查點(diǎn)、坎上高程檢查點(diǎn)等，采集其高程，再與點(diǎn)云成果和DEM比較。

精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 精度統(tǒng)計(jì)

從 表1可 知，1∶2 000 DOM、DEM、DSM、DLG數(shù)據(jù)成果共外業(yè)抽檢183幅，實(shí)測平面檢查點(diǎn)3 981個，地物點(diǎn)平面位置中誤差均小于限差1．0 m；實(shí)測高程檢查點(diǎn)2 868個，高程中誤差均小于限差0．4 m。因此無論何種地形，均達(dá)到1∶ 2 000比例尺的成果精度要求。

對測圖結(jié)果精度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在有植被覆蓋的遮擋區(qū)域，無論是基于正射影像還是LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，要素的輪廓都不易準(zhǔn)確判讀采集，從而造成要素平面位置誤差較大[4]；建筑密集地區(qū)由于房屋高度不同，航拍角度不同，導(dǎo)致部分被遮擋的房屋在DOM上的形狀與點(diǎn)云形狀不一致，從而未基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，也會造成要素平面位置誤差較大；植被覆蓋較密集區(qū)域，由于沒有激光點(diǎn)穿透至地面，高程采用直接?xùn)鸥駜?nèi)插的方式補(bǔ)充，局部的高程精度誤差較大。

4 結(jié) 語

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[5]。LiDAR能夠快速直接、連續(xù)自動地獲取地面三維數(shù)據(jù)，與數(shù)字相機(jī)集成后，可以提高航測成圖的作業(yè)效率，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)，縮短生產(chǎn)周期，提高成圖精度。本項(xiàng)目采用機(jī)載LiDAR攝影測量技術(shù)，形成了一套有效的快速獲取和生產(chǎn)4D產(chǎn)品的可行性方案，這是對機(jī)載雷達(dá)掃描技術(shù)在測繪行業(yè)中的使用的成功嘗試。隨著LiDAR技術(shù)的不斷成熟,其在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用會越來越廣泛。

[1] 熊登亮,柯尊杰,陳舫益,等．機(jī)載LiDAR技術(shù)在測制城市

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圖7 橫斷面Y方向坐標(biāo)差值

本次掃描實(shí)驗(yàn)采用Riegle+Z420i三維激光掃描儀，50 m范圍內(nèi)一次掃描的精度為10 mm。由圖5～7可知，Z方向最大坐標(biāo)差值7．8 mm，X方向最大變化量7．0 mm，Y方向最大變化5．3 mm，均小于10 mm，說明該隧道未發(fā)生變形或變形很小，所產(chǎn)生的變化量由測量誤差引起。

以上實(shí)驗(yàn)分析說明，基于中軸線上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)偏移的方法適用于隧道變形監(jiān)測，滿足一般工程精度要求。

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第一作者簡介：唐琨，工程師，主要從事工程測量方面的工作。

P237.9

B

1672-4623（2016）04-0099-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.031目前，國內(nèi)機(jī)載LiDAR在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用主要是中小基本比例尺地圖測繪，在大比例尺成圖方面應(yīng)用較少。本文以三亞1∶2 000測圖為例，闡述機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行大比例尺測繪產(chǎn)品生產(chǎn)的流程與成果精度，從而為相關(guān)項(xiàng)目提供借鑒和參考。

黃克城，工程師，主要從事工程測繪，國土資源和測繪地理信息數(shù)據(jù)處理、信息系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用工作。

2015-12-25。