機載激光雷達技術(shù)在數(shù)字高程模型制作中的應(yīng)用
——以惠州大亞灣區(qū)數(shù)字高程模型制作為例

□符校

（廣東省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，廣東 廣州 510075）

0.引言

機載激光掃描技術(shù)（LiDAR）是一種新型主動式航空遙感對地觀測技術(shù)，該技術(shù)通過機載激光發(fā)射器接收的信號獲取表達地表三維形態(tài)的點云數(shù)據(jù)，能夠以較高的精度反映地表的真實狀況，與傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)相比，有著數(shù)據(jù)獲取速度快、高程精度高、受天氣影響小的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于測繪、資源調(diào)查、城市規(guī)劃、地災(zāi)監(jiān)測等領(lǐng)域。激光點云是以離散、不規(guī)則方式分布在三維空間中的點的集合，本身不具有它所表達的物體的屬性信息，如何進行分類處理，確定表達地面真實形態(tài)的地面點云，并生成高精度數(shù)字高程模型已成為當(dāng)前測繪領(lǐng)域的一個研究熱點。

本文介紹了機載激光掃描技術(shù)的工作原理，分析了機載激光雷達點云數(shù)據(jù)的獲取與處理方法、基于高精度點云制作數(shù)字高程模型的技術(shù)流程、點云數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量評價，并將該技術(shù)方法應(yīng)用于惠州大亞灣區(qū)1∶2000數(shù)字高程模型制作項目，構(gòu)建了大亞灣區(qū)1∶2000高精度數(shù)字高程模型。項目試驗結(jié)果表明，基于機載激光雷達點云數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型制作技術(shù)方法正確，生產(chǎn)效率高，成果精度能滿足測繪產(chǎn)品的要求，該技術(shù)方法有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。

1.機載激光雷達系統(tǒng)的介紹

1.1 機載激光雷達系統(tǒng)的構(gòu)成

機載激光雷達系統(tǒng)是在航空平臺上，集成激光雷達系統(tǒng)、定位定姿系統(tǒng)（POS）、數(shù)碼相機和控制系統(tǒng)所構(gòu)成的綜合系統(tǒng)。其中，激光雷達系統(tǒng)是由激光掃描儀發(fā)射激光脈沖，并記錄激光脈沖從發(fā)射經(jīng)目標物反射到接收單元的傳播時間，鑒于光速是已知的，可測定從發(fā)射點到目標物反射點之間距離；定位定姿系統(tǒng)包括慣性測量單元（IMU）和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)（GNSS），IMU用于獲取激光發(fā)射瞬間傳感器的姿態(tài)參數(shù)，GNSS用于確定傳感器的空間參數(shù)；數(shù)碼相機用于獲取實時的影像數(shù)據(jù)。

1.2 機載激光雷達系統(tǒng)的基本原理

機載激光雷達系統(tǒng)通過發(fā)射激光并接收激光回波，獲得激光點與目標點的距離信息，結(jié)合激光發(fā)射點空間位置和姿態(tài)信息，解算出激光點在測量系統(tǒng)下的三維坐標（X，Y，Z），即激光雷達點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)是一系列離散的、空間分布不規(guī)則的點的集合，有著精度高的特點，但點云數(shù)據(jù)缺少光譜信息，進行噪聲點濾除、點云分類和人工編輯后，可應(yīng)用于數(shù)字高程模型制作、矢量要素采集等。

2.基于機載激光雷達點云數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型的制作

2.1 機載激光雷達點云數(shù)據(jù)的獲取與處理

機載激光雷達點云數(shù)據(jù)的獲取與處理流程（如圖1所示）。

圖1 點云數(shù)據(jù)的獲取與處理流程圖

點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理：將原始獲取的激光數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)化為三維空間點云數(shù)據(jù)；將GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合IMU數(shù)據(jù)解算出每個時刻的航跡文件。預(yù)處理包括：POS數(shù)據(jù)預(yù)處理、坐標轉(zhuǎn)換、航帶拼接、系統(tǒng)差改正、噪聲點剔除等。

由于點云本身不具有它所表達的物體的屬性信息，因此，要獲取所表達物體的屬性，則需對點云進行分類處理，按照不同地表物體的反射特征、形狀特征等，將表達不同類地物的點云進行區(qū)分[3]。地面點是反映地形真實起伏，落于裸地表面的點，包括落在道路、廣場、堤壩等反映地表形態(tài)的地物之上的點；非地面點主要指落在各種高于地面的地物上的點，如建筑物、植被、管線、橋梁上的點。點云數(shù)據(jù)的分類處理，主要包括：噪聲點濾除、點云自動分類和人工編輯分類。

（1）噪聲點濾除。將明顯低于地面的點和高于地表目標的點，以及運動地物點作為噪聲點剔除。

（2）自動分類。由于機載激光具有穿透性，導(dǎo)致在掃描過程中不同的地物有著不同的回波次數(shù)和強度信息。利用基于反射強度、回波次數(shù)、地物形狀等的算法對點云數(shù)據(jù)進行自動分類。裸露地表只有一次回波，此次反射點即為地面點。植被覆蓋區(qū)域可能對于多次回波，正常的地面點是末次回波對應(yīng)的反射點。相對于地物點，地面點的高程是最低的，可從較低的激光點中提取初始地表面，然后設(shè)置地面坡度值迭代計算地面點。

（3）人工編輯分類。對高程突變區(qū)域，調(diào)整參數(shù)或算法，重新進行小面積自動分類；采用人機交互的方式，以點云剖面為主要依據(jù)（結(jié)合影像）對分類錯誤的點進行重分類。

2.2 數(shù)字高程模型的制作

基于點云數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型制作流程（如圖2所示）。

圖2 數(shù)字高程模型制作流程圖

水域處理：對于河流、水庫等面積較大的水域，應(yīng)采集水涯線作為特征線參與高程模型的生成。

特殊地物處理：對于立交橋、高架橋、橋梁、路堤、堤壩等保留地面或水面上的點云數(shù)據(jù)。

利用分類準確的地面點數(shù)據(jù)及道路特征線、河流邊線、面狀水域范圍線生成數(shù)字高程模型。

2.3 機載激光雷達點云數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量評價方法

目前有關(guān)測繪成果的規(guī)范，均未涉及機載激光雷達點云數(shù)據(jù)成果，如何形成一套有效的質(zhì)量檢驗和質(zhì)量評定體系，需要根據(jù)實踐去探索。筆者結(jié)合試驗項目的情況，設(shè)計了該成果的質(zhì)量元素、權(quán)重（如表1所示）。

表1 機載激光雷達點云數(shù)據(jù)成果質(zhì)量元素及權(quán)重

（1）點云質(zhì)量檢查內(nèi)容：點云密度、點云噪聲、航帶拼接誤差、點云精度（預(yù)處理后點云數(shù)據(jù)的平面、高程精度）。

（2）IMU/GNSS質(zhì)量檢查內(nèi)容：偏心分量準確性和完整性、機載和地面GNSS數(shù)據(jù)記錄完整性、IMU數(shù)據(jù)記錄完整性、IMU/GNSS融合數(shù)據(jù)解算精度。

（3）飛行質(zhì)量檢查內(nèi)容：點云密度、航攝分區(qū)劃分、航線方向和敷設(shè)方法、航攝時間、設(shè)備類型、軟件選擇、GNSS基站布測方案、檢校場設(shè)計、飛行方案設(shè)計。

（4）飛行地速、LIDAR掃描航線重疊度、攝區(qū)和分區(qū)覆蓋完整性、航跡偏離、相鄰航高、最大航高與最小航高之差、實際航高與設(shè)計航高之差、俯仰角、側(cè)滾角、飛行轉(zhuǎn)彎坡度、出入航線平飛與“8”字飛行。

（5）附件質(zhì)量：技術(shù)文檔的齊全性和完整性、檢定資料的完整性和符合性、整飾包裝的符合性、附圖和附表的完整性和符合性。

該方法用于試驗數(shù)據(jù)的檢驗任務(wù)中，所得的結(jié)論，得到了下一工序的驗證，證明了該質(zhì)量評定體系的合理性、有效性。

2.4 數(shù)字高程模型的質(zhì)量評價方法

數(shù)字高程模型的質(zhì)量評價方法主要依據(jù)CH/T1026-2012《數(shù)字高程模型質(zhì)量檢驗技術(shù)規(guī)程》，該成果的檢查的質(zhì)量元素有：空間參考系、位置精度、邏輯一致性、時間精度、柵格質(zhì)量、附件質(zhì)量。

該成果的檢查內(nèi)容主要有：坐標系統(tǒng)、高程基準、投影參數(shù)；高程中誤差、套合差、同名格網(wǎng)高程值；數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)文件、文件命名；原始資料、成果數(shù)據(jù)；格網(wǎng)尺寸、格網(wǎng)范圍；附件資料的完整性、正確性。

3.試驗與分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)

本文試驗數(shù)據(jù)采用惠州市大亞灣區(qū)數(shù)字高程模型制作項目，項目于2016年使用一架運五飛機搭配一臺OptechHA500機載激光雷達及飛思相機，執(zhí)行航攝任務(wù)獲取345km2的1∶500比例尺點云數(shù)據(jù)，并利用該點云數(shù)據(jù)結(jié)合新獲取的影像生產(chǎn)1∶2000數(shù)字高程模型，其精度指標要求（如表2所示）。

表2 成果精度要求

該攝區(qū)地形復(fù)雜，丘陵、山地和沖擊平原間隔分布，該攝區(qū)屬于航攝困難區(qū)域。

點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理采用的軟件是與相機配套的加拿大Optech公司研發(fā)的LMS軟件，點云數(shù)據(jù)的分類處理及數(shù)字高程模型的建立采用的是TerraSolid系列軟件。

3.2 試驗結(jié)果分析

圖3為單位圖幅（2521.50-568.50）的1∶500地形圖，圖4該圖幅的激光點云數(shù)據(jù)，圖5為該圖幅點云數(shù)據(jù)所形成的數(shù)字高程模型成果。使用表1、表2的質(zhì)量評價辦法，先對點云數(shù)據(jù)成果進行質(zhì)量檢查，合格后，進行數(shù)字高程模型成果的質(zhì)量檢查。內(nèi)業(yè)審查項目的文字資料包括技術(shù)設(shè)計書、技術(shù)總結(jié)、檢查報告、點之記等，并采用人機交互的方式檢查數(shù)字高程模型成果的空間參考系、位置精度、時間精度、邏輯一致性、柵格質(zhì)量；外業(yè)按GB/T24356-2009《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》抽取2批次，共28幅1∶2000數(shù)字高程模型圖，采用GNSS接收機檢核數(shù)字高程模型成果的位置精度。

圖3 地形圖

圖4 激光點云數(shù)據(jù)

圖5 數(shù)字高程模型

內(nèi)業(yè)檢查發(fā)現(xiàn)，點云數(shù)據(jù)存在個別點云分類不正確，個別地面點云表面模型不連續(xù)、不光滑，但不影響下一道工序；試驗數(shù)據(jù)總批量約為325幅，劃分為2個檢驗批進行外業(yè)檢測，第一批次批量N1=163幅，樣本量n1=14幅，檢測中誤差分別為：0.22m（丘陵）、0.18m（平地）、0.23m（丘陵）、0.18m（平地）、0.22m（丘陵）、0.23m（丘陵）、0.10m（平地）、0.25m（丘陵）、0.15m（平地）、0.12m（平地）、0.16m（平地）、0.16m（平地）、0.18m（平地）、0.16m（平地）；第二批次批量N2=162幅，樣本量n2=14幅，檢測中誤差分別為：0.11m（平地）、0.31m（山地）、0.27m（丘陵）、0.28m（丘陵）、0.31m（山地）、0.30m（山地）、0.09m（平地）、0.31m（山地）、0.18m（平地）、0.16m（平地）、0.18m（平地）、0.13m（平地）、0.12m（平地）、0.16m（平地）；外業(yè)共檢測1112個高程點，樣本檢測中誤差均小于標準中誤差，平地平均中誤差0.14m，丘陵平均中誤差0.24m，山地平均中誤差0.31m，精度滿足項目技術(shù)設(shè)計的要求。

表3 檢測點絕對誤差分布情況表

通過外業(yè)檢測分析，可發(fā)現(xiàn)DEM高程精度受地形類別影響明顯，在地形起伏較小的地區(qū)，基于點云數(shù)據(jù)的DEM有著較高的精度，在丘陵地、山地由于植被的影響，部分高程值為內(nèi)插值，加大了DEM高程的誤差，但精度完全可以滿足數(shù)字高程模型成果精度要求，生產(chǎn)實踐中，還可以通過改進插值模型，進一步提高DEM精度。

4.結(jié)束語

本文介紹了基于機載激光點云數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型制作的技術(shù)路線和質(zhì)量評價方法，并結(jié)合項目實例，進行試驗與分析，試驗表明，本文所介紹的基于機載激光雷達點云數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型構(gòu)建方法能滿足現(xiàn)階段高精度數(shù)字高程模型制作要求。