機(jī)載LiDAR技術(shù)在1∶500地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

范 煒

（安徽省蕪湖縣自然資源和規(guī)劃局，安徽 蕪湖 241100）

LiDAR（Light Detection and Ranging） 系統(tǒng)集成全球定位技術(shù)（Globe Position System，GPS）、慣性導(dǎo)航技術(shù)（Inertial Navigation System，INS）、激光測(cè)距技術(shù)（Scanning Laser Ranging，SLR），快速采集地表點(diǎn)的攝影測(cè)量裝置，能自動(dòng)生成精確的數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model，DTM）和數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）。隨著機(jī)載LiDAR技術(shù)的不斷發(fā)展，其已被大量應(yīng)用于數(shù)字線化圖（Digital Line Graphic，DLG）的制作中。文章以1∶500地形圖制作項(xiàng)目為例，闡述機(jī)載LiDAR技術(shù)在獲取地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)的操作流程，探究其在測(cè)圖過(guò)程中的關(guān)鍵應(yīng)用。

1 LiDAR技術(shù)工作原理

激光點(diǎn)根據(jù)LiDAR激光測(cè)距儀獲得的斜距以及記載位置與姿態(tài)的POS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定義的各坐標(biāo)系中旋轉(zhuǎn)、平移與WGS-84坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換，計(jì)算出LiDAR地云的地面點(diǎn)目標(biāo)，定位方程如下：

式中：RW為局部橢球系統(tǒng)到WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換矩陣；RGEO為局部橢球系統(tǒng)與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，近似為單位矩陣，因此公式（1）簡(jiǎn)寫成公式（2）；RNW為導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)與WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換矩陣；RINS為IMU載體坐標(biāo)系變換至導(dǎo)航坐標(biāo)系的矩陣；Rlu為安置角旋轉(zhuǎn)矩陣；Rlb為瞬時(shí)激光光束坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至激光坐標(biāo)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；為激光點(diǎn)數(shù)據(jù)在激光光束坐標(biāo)系中的位置向量；lo為GPS天線相位中心距激光器發(fā)射中心的偏移向量；PGPS為目標(biāo)激光點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)。其中：

式中：α、β、γ為激光掃描儀與IMU載體坐標(biāo)系間的安置誤差角；同時(shí)定義r（側(cè)滾角）、p（俯仰角）、h（航向角）為IMU載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系的姿態(tài)角，由此可得：

式中：L和B為飛機(jī)所在的經(jīng)度和緯度。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目區(qū)地形主要以山區(qū)和高山區(qū)為主，最高海拔約1750m，最低海拔約210m，項(xiàng)目區(qū)面積共計(jì)約400km2。由于項(xiàng)目工期較短，綜合考慮測(cè)圖速率與精度，項(xiàng)目采用機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行1∶500地形圖產(chǎn)品制作，包括DLG、數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map,DOM）成果。機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)采用掃描鷹HS-1600激光掃描測(cè)圖系統(tǒng)，集成了卓越性能的RIEGL測(cè)繪專業(yè)激光掃描儀以及Applanix慣導(dǎo)衛(wèi)星定位姿態(tài)控制單元，其掃描距離可達(dá)1350m，掃描速度可達(dá)82萬(wàn)點(diǎn)/s，掃描視角330°，并搭載PhaseOne專業(yè)相機(jī)系統(tǒng)，有效像素8000萬(wàn)。航攝平臺(tái)采用適合山區(qū)作業(yè)的S-300C多功能直升機(jī)。

2.2 技術(shù)方案

（1）數(shù)據(jù)采集。①航線設(shè)計(jì)。項(xiàng)目區(qū)地形復(fù)雜，高差較大，在保證產(chǎn)品精度質(zhì)量的前提下，綜合考慮測(cè)區(qū)地形、飛行安全、航測(cè)效率的情況，旁向重疊設(shè)計(jì)為40%，航向重疊設(shè)為70%，航線水平距離為200m。②GPS基站布設(shè)。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采用差分GPS定位技術(shù)，提前在地面控制站上安置GPS接收機(jī)，單臺(tái)GPS基站有效測(cè)量范圍為30km，雙臺(tái)基站的控制距離在60km內(nèi)。根據(jù)實(shí)地情況，此次項(xiàng)目布設(shè)2臺(tái)基準(zhǔn)站，基站間距離約為25km，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)與地面接收機(jī)的采樣頻率均設(shè)置為1Hz或2Hz。③像控與檢查點(diǎn)測(cè)量。為提高成圖數(shù)據(jù)精度，消除系統(tǒng)誤差，滿足1∶500成圖地物點(diǎn)與高程精度要求，均勻布設(shè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)間距約2km，并以部分像控點(diǎn)做平面檢核點(diǎn)。同時(shí)在高差明顯區(qū)域，測(cè)量高程檢核點(diǎn)，以檢核點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度。④檢校飛行。項(xiàng)目采用的檢校飛行方式是以一個(gè)較低的航高飛行相互垂直的十字形航線，并用相對(duì)較高的航高飛行兩條相互垂直的十字形航線，航高不同的航向相反。不同航高有助于檢校的Pitch和Heding角值更準(zhǔn)確，檢校場(chǎng)有地形起伏、帶尖角樓房、平坦道路的地方。姿態(tài)角補(bǔ)償收斂記錄如表1所示。⑤航跡解算。應(yīng)用載波相位模糊度解法，實(shí)時(shí)解算動(dòng)態(tài)定位中的整周模糊度，提高動(dòng)態(tài)定位效率。結(jié)合動(dòng)態(tài)GPS數(shù)據(jù)和GPS基站數(shù)據(jù)，集成IMU數(shù)據(jù)采用正反算法生成固定整數(shù)差分GPS航跡線，包括航跡時(shí)刻、位置、Omega、Phi、Kappa的航跡線文件。根據(jù)掃描儀偏心分量與相機(jī)偏心分量，計(jì)算得出相機(jī)軌跡數(shù)據(jù)與激光軌跡數(shù)據(jù)。

表1 姿態(tài)角補(bǔ)償收斂記錄 單位：°

（2）數(shù)據(jù)處理。①坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。動(dòng)態(tài)定位獲取的激光點(diǎn)坐標(biāo)屬于WGS-84坐標(biāo)系，項(xiàng)目成果坐標(biāo)基準(zhǔn)要求為國(guó)家2000大地坐標(biāo)系，高程為水準(zhǔn)高，需進(jìn)行WGS-84坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系間、大地高與水準(zhǔn)高間平面與高程的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。選取覆蓋項(xiàng)目區(qū)的4個(gè)已知坐標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的WGS-84坐標(biāo)求解平面轉(zhuǎn)換參數(shù)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)所需的平面坐標(biāo)。采用曲面擬合的方法，將橢球高改正到大地水準(zhǔn)面的正常高上，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。②點(diǎn)云分類。機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)密集、量大，主要包括激光點(diǎn)的三維位置、回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)、回波次數(shù)數(shù)據(jù)、指定脈沖的回波數(shù)、掃描角數(shù)據(jù)、GPS時(shí)間、RGB等信息。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的主要方式為點(diǎn)云分類，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)按實(shí)際情況分類到各個(gè)數(shù)據(jù)層中。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，先對(duì)數(shù)據(jù)做抽稀處理、航帶重疊裁切、冗余數(shù)據(jù)剔除。地面材料不同的光譜特征與高程的不同導(dǎo)致返回的脈沖信號(hào)強(qiáng)弱不同，綜合機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的多回波特性、反射強(qiáng)度，獲取第一返回的脈沖信號(hào)，即只記錄地面的脈沖信號(hào)，并采用分類算法將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗分類，分離出地物點(diǎn)與地面點(diǎn)。而精分類是在粗分類基礎(chǔ)上去除采集地面點(diǎn)系統(tǒng)誤差，包括地面點(diǎn)過(guò)濾、特征提取等，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照不同的點(diǎn)云定義不同的層要求。地面點(diǎn)與地物點(diǎn)的精分類由人工干預(yù)完成，對(duì)高程突變區(qū)、噪聲不明區(qū)、調(diào)試算法或參數(shù)，重分類錯(cuò)誤分層的點(diǎn)，主要彌補(bǔ)濾波分類算法中地表、地物數(shù)據(jù)分離準(zhǔn)確低的不足。點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類前后圖如圖1所示。

（3）DLG制作。根據(jù)影像處理系統(tǒng)軟件，自動(dòng)完成空中三角測(cè)量。地物采集過(guò)程中，直接調(diào)用空三加密成果。DLG制作分別為等高線制作與地物采集，地物采集在數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)軟件中進(jìn)行，并保持實(shí)際地物的完整性、準(zhǔn)確性；等高線由處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)地面點(diǎn)精分類后自動(dòng)生成，并采用抽稀后的LiDAR點(diǎn)作為高程注記點(diǎn)。點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)與測(cè)圖的數(shù)據(jù)結(jié)合，利用cass軟件對(duì)圖形修測(cè)、編輯，并根據(jù)野外調(diào)繪成果，生成1∶500DLG數(shù)據(jù)。

3 精度分析

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類前后圖

點(diǎn)云數(shù)據(jù)與DLG數(shù)據(jù)精度由野外測(cè)量散點(diǎn)進(jìn)行檢核，計(jì)算出點(diǎn)云數(shù)據(jù)與DLG的精度如表2所示。根據(jù)1∶500數(shù)字化地形圖成圖規(guī)范平面中誤差為±0.2m，高程中誤差為±0.5m，點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程中誤差為±0.5m。由此得出，機(jī)載LiDAR技術(shù)輔助1∶500地形圖測(cè)繪滿足精圖要求。

表2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與DLG的精度 單位：m

4 結(jié)束語(yǔ)

采用機(jī)載LiDAR技術(shù)，能夠快速采集地形數(shù)據(jù)，激光能夠部分穿透植被，快速獲取地面三維坐標(biāo)。山區(qū)地形圖制圖較為復(fù)雜，工作量較大，輔以機(jī)載LiDAR技術(shù)，能提高工作效率。因此，機(jī)載LiDAR技術(shù)適合工期緊張的地形圖測(cè)繪項(xiàng)目。應(yīng)用機(jī)載LiDAR技術(shù)測(cè)制山區(qū)大比例尺地形圖能夠滿足精度要求，與傳統(tǒng)航測(cè)成圖相比，高程中誤差要比平面中誤差小。