機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)及應(yīng)用

何延松，王麗芬

(1.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166; 2.綿陽天眼激光科技有限公司 綿陽市 621000)

1 概述

機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為地理空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)是繼全球定位系統(tǒng)(GPS)以來在遙感測繪領(lǐng)域的又一場技術(shù)革命。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)(LIDAR_Light Detection And Ranging)是集激光掃描儀、POS定位定姿系統(tǒng)、高分辨率數(shù)碼相機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)于一體的新型主動式快速測量系統(tǒng)，能夠快速、精確地獲取地表三維空間信息和真彩色影像。這些數(shù)據(jù)可廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、電力、石油、國土、應(yīng)急測繪、林業(yè)、文物保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域。

2 工程應(yīng)用

2.1 任務(wù)情況

通過機(jī)載激光雷達(dá)航飛，對西南地區(qū)某高速進(jìn)行輕小型機(jī)載激光雷達(dá)(lidar)數(shù)據(jù)航飛與數(shù)據(jù)處理，得到1∶500的激光分類點(diǎn)云、正射影像模型(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)、1∶2000數(shù)字線劃圖(DLG)技術(shù)服務(wù)工作。

2.2 作業(yè)內(nèi)容

激光雷達(dá)掃描測繪項(xiàng)目測區(qū)約160km2，成圖面積約為170km2。經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到：

(1)點(diǎn)云

提供工程坐標(biāo)系下分類后的分幅點(diǎn)云，點(diǎn)云格式為LAS格式。點(diǎn)云分類后成果需包含地面、橋梁、其他三個(gè)類別，類別編碼在TerraSolid軟件里分別為2、6、1。激光點(diǎn)云分類時(shí)不要去除相鄰航帶重疊區(qū)。

(2)DLG

DLG文件使用DWG格式未加密文件，DWG文件版本采用CAD2004，圖層符號編碼依據(jù)GBT 20257.1-2017國家基本比例尺地圖圖式執(zhí)行，圖形統(tǒng)一采用米為單位。DLG中涉及到的非標(biāo)準(zhǔn)字庫和形文件隨地形圖一并提供。地形圖所采用的工程坐標(biāo)系統(tǒng)定義、成圖時(shí)間等信息統(tǒng)一圖外注記。所使用的控制點(diǎn)展點(diǎn)在地形圖上，地形圖上加注地名注記。DLG以線路軸線方向直線長度每隔5km左右進(jìn)行分幅。

(3)DOM

DOM采用24位真彩色TIFF格式帶TFW坐標(biāo)文件，TIFF文件均不寫文件頭。DOM的地面分辨率為10cm，背景色(范圍線之外的部分和范圍線內(nèi)個(gè)別沒數(shù)據(jù)的部分)統(tǒng)一使用黑色，圖幅分幅采用1km×1km分幅，按左下角坐標(biāo)命名，并隨DOM一并提供分幅結(jié)合圖，相鄰圖幅之間的重疊區(qū)域?yàn)?0m。DOM直接在工程坐標(biāo)系下糾正鑲嵌分幅，避免二次重采樣。

(4)DEM

DEM采用32位浮點(diǎn)型TIFF格式帶TFW坐標(biāo)文件，TIFF文件均不寫文件頭。DEM格網(wǎng)間距0.5m，DEM分幅采用與DOM一致的分幅，相鄰圖幅之間的重疊區(qū)域?yàn)?0m。

2.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

表1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用小型機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，具體技術(shù)指標(biāo)如表2所示：

表2 SE-J1200A型激光雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)

2.5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)方案

2.5.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算

(1)解算飛行航跡

通過地面基準(zhǔn)站的GPS數(shù)據(jù)與機(jī)載GPS數(shù)據(jù)的差分GPS解算，精確確定航攝過程中飛機(jī)的航跡，再與IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合處理，得到飛機(jī)的姿態(tài)信息，最后進(jìn)行平滑處理，得到飛機(jī)在飛行過程中的位置和姿態(tài)信息。

(2)三維激光點(diǎn)云的計(jì)算

利用數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，對飛機(jī)航跡數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，得到各個(gè)測點(diǎn)的(X,Y,Z)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，文件格式為*.las。

(3)計(jì)算改正數(shù)

由于各種誤差的存在和影響，使得數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，造成平面誤差和高程誤差，使用terrasolid中點(diǎn)云處理模塊分出每條航跡的地面激光點(diǎn)，再用terrasolid中的點(diǎn)云匹配模塊匹配地面激光點(diǎn)云，通過重疊部分的激光點(diǎn)云計(jì)算得到航跡間的改正數(shù)來消除這種不符值。

(4)數(shù)據(jù)的噪聲和異常值剔除

由于水體對激光的吸收、鏡面反射以及其他原因，使有些地面點(diǎn)無明顯的回波信號，以至于得不到測距值，另外由于電路、飛鳥、局部地形等原因，也會使數(shù)據(jù)中產(chǎn)生異常距離值，我們必須剔除這些錯(cuò)誤的值，即粗差點(diǎn)。

2.5.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查主要檢查點(diǎn)云密度、點(diǎn)云高程精度、點(diǎn)云平面精度及航帶間公共點(diǎn)較差。

點(diǎn)密度采用TerraSolid軟件的TerraScan模塊進(jìn)行檢查，搜索范圍設(shè)定500m；點(diǎn)云高程精度及平面精度采用外業(yè)采集的地物特征點(diǎn)應(yīng)用TerraScan軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算最大誤差、最小誤差及中誤差；航帶間公共點(diǎn)較差結(jié)合TerraScan和TerraMatch軟件選擇同一明顯地物，如尖角房屋，不同航線獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用不同顏色顯示，通過俯視圖及側(cè)面截圖測量確定航帶公共點(diǎn)的平面誤差及高程誤差。

2.6 DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)方案

2.6.1DEM數(shù)據(jù)要求

DEM采樣間隔：0.5m；

DEM數(shù)據(jù)格式：*.tiff；

成圖范圍：按測區(qū)范圍；

DEM精度要求和檢查：高程中誤差不大于±0.75m。

2.6.2DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)

經(jīng)過預(yù)處理得到的激光點(diǎn)云地面數(shù)據(jù)及激光點(diǎn)云地表數(shù)據(jù)都在同一層，需要通過激光點(diǎn)云分類軟件對激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分類，通過插值擬合，生成高精度DEM，并且要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查，確保最終數(shù)據(jù)成果DEM的質(zhì)量，DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

(1)激光點(diǎn)云分類

經(jīng)過預(yù)處理的激光地面數(shù)據(jù)及激光地表數(shù)據(jù)都在同一層，為方便我們管理和數(shù)據(jù)進(jìn)一步的處理，需要把不同類的點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理放在不同圖層中，根據(jù)委托方對數(shù)據(jù)的用途，需要用專業(yè)軟件對激光點(diǎn)云進(jìn)行精確分類處理，分別為默認(rèn)點(diǎn)、地面點(diǎn)、植被點(diǎn)和建筑點(diǎn)等。精確分類的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量，對于后期數(shù)據(jù)成果精度至關(guān)重要，需要對分類的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢、互檢以及質(zhì)檢部的最終檢查才能進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。

(2)DEM的自動生成

用Terrasolid軟件對激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理后，選擇地面激光點(diǎn)，保證其全部高程點(diǎn)貼近地表面，則自動生成數(shù)字高程模型。

(3)精度檢查與評價(jià)

通過外業(yè)采集的檢查點(diǎn)高程值與內(nèi)插出的DEM高程值作比較，評價(jià)DEM精度。

2.6.3DEM質(zhì)量檢查

(1) DEM質(zhì)量檢查內(nèi)容

DEM數(shù)據(jù)格式；

DEM高程有無異常值；

DEM精度；

DEM的坐標(biāo)系統(tǒng)、投影方法及高程基準(zhǔn)；

上交的成果及文檔。

(2)DEM質(zhì)量檢查方法

結(jié)合激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分類激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與制作生成的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行對比檢查；

結(jié)合外業(yè)檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)成果進(jìn)行對比檢查。

2.7 DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)方案

2.7.1DOM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

DOM影像分辨率：0.1m；

DOM數(shù)據(jù)格式：帶tfw文件的tiff 格式；

DOM成圖范圍：按測區(qū)范圍。

2.7.2DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)

DOM數(shù)據(jù)生成是在Microstation軟件中加載Terraphoto和Terrascan模塊，對激光雷達(dá)系統(tǒng)同時(shí)獲取的真彩色數(shù)碼影像在空三加密后利用激光點(diǎn)云生成的地面模型進(jìn)行正射糾正，再通過該軟件對影像進(jìn)行拼接和整體勻色，最后進(jìn)行裁切分副，得到要求圖幅大小的正射影像成果，DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)作業(yè)流程如圖2所示：

圖2 DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

(1)正射糾正和變形檢查

TerraPhoto是TerraSolid公司利用地面激光點(diǎn)云作為映射面對航空影像進(jìn)行正射糾正，生產(chǎn)正射影像的軟件，是專門用于在LiDAR系統(tǒng)飛行時(shí)產(chǎn)生的影像做正射糾正的，整個(gè)糾正過程可以不使用相片加密控制點(diǎn)條件下執(zhí)行。

利用TerraPhoto影像糾正模塊，輸入相關(guān)參數(shù)，地面分辨率為0.10m，對影像進(jìn)行連接點(diǎn)添加、空三平差計(jì)算以及單片數(shù)字微分糾正。

對糾正后的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查影像是否失真、變形、發(fā)虛、拉花等現(xiàn)象，尤其是房屋、橋梁和道路的扭曲變形等。針對不同的現(xiàn)象，采用不同的方法進(jìn)行修整處理，如橋梁影像的變形，采取編輯DEM、分別糾正地面影像和橋梁，然后再拼接的方法解決，既可消除影像變形又保證了影像的幾何精度。

(2)影像鑲嵌及勻光勻色

原始照片獲取格式為IIQ無損格式，使用Capture One軟件將格式轉(zhuǎn)換到JPG，在格式轉(zhuǎn)換過程中，可同時(shí)進(jìn)行單張照片的勻光勻色處理。

通過單張影像的數(shù)字微分糾正，得到單幅糾正的正射影像，還需要將多個(gè)單片糾正影像通過鑲嵌獲取大面積的數(shù)字正射影像；同時(shí)由于每張影像的獲取時(shí)間不同，存在色調(diào)、飽和度、對比度等不一致的情況，需通過勻光勻色處理，使得整個(gè)測區(qū)的正射影像色調(diào)基本一致、色彩豐富。

正射影像的鑲嵌、分幅采用EPT2.0軟件。在該處理過程中需注意在鑲嵌過程中進(jìn)行拼接線的編輯，使得拼接線不穿越建筑物，拼接線盡量沿線狀地物分布，從而避免成果數(shù)據(jù)中地物的錯(cuò)位、斷裂等現(xiàn)象。

2.7.3DOM質(zhì)量檢查

(1)DOM質(zhì)量檢查內(nèi)容

DOM地面分辨率及起止點(diǎn)坐標(biāo)；

DOM影像質(zhì)量；

DOM接邊的正確性；

DOM的平面位置精度；

DOM的坐標(biāo)系統(tǒng)及投影；

上交的成果及文檔。

(2)DOM質(zhì)量檢查方法

把測區(qū)所有正射影像導(dǎo)入到EPT2軟件中，查看整個(gè)測區(qū)的影像，有無明顯的影像變形、影像信息缺失和影像錯(cuò)位,影像圖應(yīng)清晰、反差適中、色調(diào)均勻；影像不應(yīng)有重影、模糊或紋理斷裂等現(xiàn)象，影像應(yīng)連續(xù)完整，灰度無明顯不同；對于彩色影像，色彩應(yīng)平衡一致；覆蓋范圍內(nèi)的影像應(yīng)無漏洞，導(dǎo)入外業(yè)RTK測量的特征點(diǎn)坐標(biāo)，軟件自動根據(jù)拾取位置和測量點(diǎn)位坐標(biāo)對比，檢查影像的平面精度并生成精度報(bào)告。

2.8 DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)方案

DLG數(shù)據(jù)生成是在AutoCAD軟件中加載cass模塊，在DOM數(shù)據(jù)成果基礎(chǔ)上，對地物進(jìn)行的矢量化處理，對于植被遮擋地區(qū)、坡坎地區(qū)需結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀，DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)作業(yè)流程如圖3所示：

圖3 DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

利用南方CASS對制作出的正射影像結(jié)合DEM進(jìn)行矢量化處理，得到測區(qū)內(nèi)的地物信息，水系、道路、電力設(shè)施等公共設(shè)施，以及居民地、測區(qū)地勢、等高線等信息，按照生產(chǎn)規(guī)范制作數(shù)字線劃圖。

(1)DLG質(zhì)量檢查內(nèi)容

DOM地面分辨率及起止點(diǎn)坐標(biāo)；

DLG 地物要素完整性；

DLG地物邏輯正確性；

表3 數(shù)據(jù)成果交付表

DLG的平面、高程位置精度；

DLG的坐標(biāo)系統(tǒng)及投影；

上交的成果及文檔。

(2) DLG質(zhì)量檢查方法

把測區(qū)所有正射影像導(dǎo)入到南方CASS中，對比DLG與DOM，有無明顯的地物信息缺失，水系流向錯(cuò)誤，電力線缺失，房屋結(jié)構(gòu)不合理，等高線高程點(diǎn)是否合理。

2.9 歸檔成果

本項(xiàng)目最終提交成果如表3所示。

3 結(jié)語

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在工程應(yīng)用中可快速獲取高密度三維激光點(diǎn)云及高清影像，快速處理獲得DEM、DOM及DLG等高精度地理信息數(shù)據(jù)，無需布設(shè)大量外業(yè)控制點(diǎn)，無需大量外業(yè)調(diào)繪，自動化程度高，數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短，應(yīng)在工程測量中普及應(yīng)用。