基于機載激光掃描技術(shù)的城市大比例尺建筑地形測繪

王仲磊 龐健

（廣東省珠海工程勘察院，廣東 珠海 519000）

1 引言

機載激光掃描技術(shù)起源于20世紀(jì)七八十年代加拿大和美國的一些實驗中。利用機載激光掃描獲取的數(shù)據(jù)包含空間三維信息與強度信息，在制作數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型等產(chǎn)品中有著廣泛應(yīng)用。目前，世界上存在多家較為成熟的機載激光掃描系統(tǒng)，以英國IGI公司的某一機載激光掃描系統(tǒng)為例，可以每秒向外發(fā)射超過24000個點來獲取地面的三維點坐標(biāo)[1]。

目前，國內(nèi)主要利用機載激光掃描技術(shù)開展中小比例尺地形圖測繪，鮮有利用該技術(shù)開展大比例尺地形圖測繪[2]。本文以城市區(qū)域1∶1000地形圖測繪為例，研究基于機載激光掃描技術(shù)的1∶1000大比例尺地形圖中建筑物地形測繪。以直升機平臺搭載華測導(dǎo)航AS900激光掃描系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進行建筑物矢量提取、外業(yè)調(diào)繪、數(shù)據(jù)編輯，最終完成測區(qū)20平方公里范圍內(nèi)部分建筑物地形測繪。

2 機載激光掃描及數(shù)據(jù)采集

機載激光掃描的主要工作有：（1）多基站靜態(tài)數(shù)據(jù)采集：在機載激光掃描作業(yè)時，在地面基站上架站GNSS接收機與機載移動站GNSS接收機，同步接收衛(wèi)星信號進行觀測。（2）機載激光掃描數(shù)據(jù)采集：機載激光掃描前需要進行5分鐘的初始化，初始化完成后，直升機開始升空進行動態(tài)初始化。（3）數(shù)據(jù)拷貝與檢查 ：將掃描數(shù)據(jù)與機載GNSS接收數(shù)據(jù)以及基站GNSS數(shù)據(jù)等拷貝至電腦，查看數(shù)據(jù)的完整性與正確性。（4）機載激光掃描數(shù)據(jù)解算：首先利用采集的GNSS數(shù)據(jù)與基站數(shù)據(jù)進行飛行軌跡的解算，再通過軌跡將原始點云進行解算[3]。

3 機載激光掃描數(shù)據(jù)解算

3.1 POS數(shù)據(jù)解算

本文機載點云數(shù)據(jù)POS解算采用Inertial Explorer（簡稱IE）后處理軟件，POS數(shù)據(jù)解算的步驟主要為 ：（1）新建工程 ：新建機載點云掃描工程文件，文件中包含原始點云數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)等。（2）原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將基站GNSS數(shù)據(jù)與移動站GNSS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IE處理軟件可識別的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為GPB格式。（3）添加基準(zhǔn)站、移動站原始數(shù)據(jù)：將基站GNSS數(shù)據(jù)與移動站GNSS數(shù)據(jù)添加到IE處理軟件中進行差分處理。（4）GNSS/INS組合解算：利用GNSS數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對機載運動軌跡進行解算，獲得準(zhǔn)確且高精度的軌跡數(shù)據(jù)。（5）輸出軌跡結(jié)果：將解算完成的軌跡數(shù)據(jù)以固定格式輸出，為點云數(shù)據(jù)解算提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置。

3.2 點云數(shù)據(jù)解算

機載點云數(shù)據(jù)的解算流程為：（1）準(zhǔn)備解算好的POS數(shù)據(jù)、激光雷達數(shù)據(jù)和系統(tǒng)檢校數(shù)據(jù)。（2）在機載點云解算軟件中新建工程，添加POS數(shù)據(jù)與原始激光雷達數(shù)據(jù)。（3）通過軌跡數(shù)據(jù)與采集的原始點云數(shù)據(jù)進行點云數(shù)據(jù)解算，生成機載三維點云，坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84，123°中央經(jīng)線高斯投影坐標(biāo)，大地高系統(tǒng)。（4）整理影像，通過影像為點云上色，制作彩色點云[4]。圖1為通過解算且上色后得到的機載點云數(shù)據(jù)，解算后得到的點云密度約為750 pt/m2。

圖1 解算后得到的機載點云數(shù)據(jù)

4 大比例尺建筑物地形制作

利用機載激光掃描技術(shù)進行大比例尺地形圖建筑物地形制作采用先內(nèi)后外的作業(yè)模式，即先利用機載點云數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)要素提取，再綜合測圖成果進行調(diào)繪，最后進行數(shù)據(jù)編輯；對點云缺漏與被遮擋區(qū)域，通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)編輯的方式進行補測[5]。

4.1 矢量數(shù)據(jù)采集

4.1.1 矢量數(shù)據(jù)采集流程

以圖2為例，利用機載點云數(shù)據(jù)進行建筑物矢量提取。采集矢量數(shù)據(jù)時將84坐標(biāo)系點云轉(zhuǎn)換為本地坐標(biāo)系點云。通過剖面不斷調(diào)整高程，確定建（構(gòu)）筑物的有效長邊，再利用線相交功能將相鄰長邊進行連接，得到相應(yīng)建筑物角點信息；短邊的獲取依據(jù)有效點云，根據(jù)房屋短邊特征連接到房屋長邊。

圖2 根據(jù)機載點云提取建（構(gòu)）筑物信息

4.2 綜合補測與調(diào)繪

制定嚴(yán)格的補測與調(diào)繪計劃，首先研究測區(qū)概況與地形特征，安排人員依照制定的路線進行調(diào)繪。調(diào)繪前應(yīng)對通過機載點云采集到的矢量數(shù)據(jù)進行檢查，檢查數(shù)據(jù)的表達是否合理、有無缺漏；調(diào)繪過程中應(yīng)做到走到、看到、判讀準(zhǔn)確，應(yīng)用合適的符號進行標(biāo)注，做到心中有數(shù)[6]。

4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯

數(shù)據(jù)編輯應(yīng)保證不失真、主次有別、層次分明。添加屬性信息主要包括資料收集和現(xiàn)場調(diào)繪兩部分，兩種方法相互結(jié)合使用；從相關(guān)部門收集各類已有資料，對資料進行梳理和電子化，提取需要的屬性信息，并將原始資料進行歸檔；外業(yè)對地理要素進行屬性調(diào)查，同時結(jié)合資料收集的屬性信息，內(nèi)業(yè)梳理完成后把屬性添加至對應(yīng)的要素中。圖3為經(jīng)過外業(yè)調(diào)繪與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯完成的大比例尺地形圖，其中，建筑物地形使用機載點云數(shù)據(jù)采集。

圖3 編輯完成的地形圖

5 精度分析與評價

對測區(qū)內(nèi)制作完成的200幅1∶1000地形圖進行精度檢查。精度檢查主要分為6個批次，首先利用CORS測量獲取圖根點，再通過全站儀在圖根點上架站，后視定向后采集建筑物角點、道路特征點的平面坐標(biāo)，得到地形圖平面精度統(tǒng)計。地形圖的精度統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 精度統(tǒng)計表

按照《城市測量規(guī)范》的要求，在平地、丘陵區(qū)域，1∶1000地形圖規(guī)定平面中誤差不得超過0.5m；在山地區(qū)域，平面中誤差不得超過0.75m。本文利用CORS結(jié)合全站儀進行外業(yè)實測，對圖上特征點進行精度檢測，其中分6個批次對60幅圖進行抽樣檢查，共檢測了1800個平面點，其中檢測200個建筑物平面點。檢測結(jié)果為：地形圖整體平面中誤差為0.26m，建筑物平面中誤差為0.16m，由于測區(qū)位于平地、丘陵區(qū)，滿足平面中誤差0.5m的要求，表明利用機載點云結(jié)合外業(yè)補測的方式測繪建筑物是切實可行的。

6 結(jié)論

對于城市區(qū)域的大比例尺測圖，由于建筑物相對密集，通視很差，利用傳統(tǒng)全站儀地形測繪雖精度較高，但耗時耗力，外業(yè)工作量大。機載激光掃描技術(shù)由空間定位、激光掃描與航空攝影等多種技術(shù)組成，作業(yè)時由于無信號遮擋，無需通視條件，可以高效獲取地面高精度三維信息。本文以機載點云為源數(shù)據(jù)進行城市大比例尺地形圖建筑物地形測繪，并且通過外業(yè)檢驗點驗證了精度，表明利用機載點云數(shù)據(jù)進行建筑物測繪的可行性。