機載LiDAR技術(shù)在地形圖測繪中的應(yīng)用分析

摘要：機載LiDAR是一種新型地形圖測繪技術(shù)，可快速、及時、準(zhǔn)確地獲取地表數(shù)據(jù)，自動化程度高、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短。本文首先分析了機載LiDAR技術(shù)原理，其后詳細(xì)探討了機載LiDAR技術(shù)在地形圖測繪中的應(yīng)用要點，最后圍繞具體案例展開論述，以期可供參考。

關(guān)鍵詞：機載LiDAR技術(shù);原理;組成;地形圖測繪;應(yīng)用

1 引言

機載激光雷達(dá)作為一種新型對地觀測技術(shù)，具有主動性、穿透性及直接獲取三維信息等優(yōu)點，并且受天氣、地形變化、地物陰影及植被覆蓋的影響相對較小，目前已經(jīng)成為地形圖測繪的主要手段之一。面向復(fù)雜地形條件，機載LiDAR有效提升了數(shù)據(jù)采集效率，克服了測區(qū)地形起伏較大、環(huán)境惡劣、人工測量危險系數(shù)高等困難，具有極大的推廣應(yīng)用價值。

2 機載LiDAR技術(shù)原理

2.1機載LiDAR系統(tǒng)組成

機載LiDAR技術(shù)是一種綜合利用空間定位、慣性測量、激光掃描等多種測量手段的主動式對地觀測技術(shù)，能夠快速、精確地獲取地表地物三維數(shù)據(jù)。機載LiDAR系統(tǒng)集多種設(shè)備于一身，具體組成如圖1所示。

2.2機載LiDAR技術(shù)特點

結(jié)合理論與相關(guān)實踐，傳統(tǒng)航攝技術(shù)與機載LiDAR技術(shù)兩種生產(chǎn)方式技術(shù)特點對比見表1。

利用機載LiDAR技術(shù)進(jìn)行DEM生產(chǎn)需要考慮成本、技術(shù)可行性、人力物力投入等多種因素，具體優(yōu)缺點分析如下：

（1）優(yōu)點：①高精度：機載LiDAR數(shù)據(jù)的平面精度可達(dá)0.1～0.5m，高程精度可達(dá)萬分之一的飛行凈空高，高程精度可達(dá)分米級;②高效率：省去空三加密流程;③自動化程度高：飛行過程及后期成果制作大多可依靠軟件完成;④后處理技術(shù)強大：經(jīng)處理能夠獲得DEM、DSM、植被參數(shù)等多種成果數(shù)據(jù)。

（2）缺點：①儀器昂貴，且激光器壽命較短，數(shù)據(jù)獲取成本較高;②不結(jié)合光學(xué)影像的情況下缺乏紋理信息;③數(shù)據(jù)離散，地形特征欠描述。

3 機載LiDAR技術(shù)在地形圖測繪中的應(yīng)用要點

3.1應(yīng)用流程

機載LiDAR地形圖生產(chǎn)流程包括兩個階段：外業(yè)的數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理?；玖鞒倘鐖D2所示。

3.2關(guān)鍵應(yīng)用要點

3.2.1數(shù)據(jù)獲取

通過采集目標(biāo)體反射的激光束實現(xiàn)信號的采集。在山地林區(qū)，由于植被茂盛、樹葉濃密，激光束會有多次反射，故LiDAR將采集多個數(shù)據(jù)點。在航飛中需要選擇合適的飛行參數(shù)和飛行方案。通過地面基站差分的方式提高了機載GNSS的精度，最終獲得高精度的點云數(shù)據(jù)。

3.2.2數(shù)據(jù)處理

使用點云分類軟件中基于不規(guī)則的三角網(wǎng)濾波算法來分離地面點，然后通過設(shè)定相應(yīng)的閾值產(chǎn)生不同的濾波結(jié)果，利用最大建筑尺寸、迭代角、迭代距離、最大地形坡度角來控制地面點的分類精度，從而分類出不同地物。

人工編輯是結(jié)合影像和剖面圖對濾波分類效果較差的區(qū)域進(jìn)行手動調(diào)整，主要包括噪聲點剔除、補回地表數(shù)據(jù)和去除非地表數(shù)據(jù)。值得注意的是，人工編輯需要遵循以下原則：可以將需要去除的點放在其他圖層但不得刪除點;不得更改點的坐標(biāo)、回波次數(shù)、回波強度等原始信息。在完成點云數(shù)據(jù)的編輯后，可將數(shù)據(jù)按照所需標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行DEM輸出。

4 工程案例

4.1測區(qū)概況

本項目在某縣區(qū)取1km2區(qū)域進(jìn)行1∶500比例尺的機載LiDAR免像控地形測量，該區(qū)域為典型丘陵地形，地勢復(fù)雜、植被茂密，交通不便。目標(biāo)成果技術(shù)要求為平面坐標(biāo)系采用2000國家大地坐標(biāo)系，3°帶高斯投影;高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn)，基本等高距為1m;精度要求參照GB35650—2017《國家基本比例尺地圖測繪基本技術(shù)規(guī)定》中1∶500比例尺精度指標(biāo)：平面地物點中誤差0.3m，高程注記點和等高線相對高程控制點中誤差分別不大于0.4m和0.5m。

4.2技術(shù)流程

利用無人機機載LiDAR免像控技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形測量包括外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分工作。外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括踏勘、航線規(guī)劃、航空測量及飛行時基準(zhǔn)站的架設(shè)測量;外業(yè)采集后進(jìn)行數(shù)據(jù)下載與預(yù)處理、坐標(biāo)解算、點云分類與正射影像制作、地形地物數(shù)據(jù)采集與圖件編制等，其技術(shù)流程如圖3所示。

4.3數(shù)據(jù)采集

4.3.1踏勘

將測區(qū)范圍線導(dǎo)入歷史影像數(shù)據(jù)，初步分析掌握測區(qū)的地形、地物、交通分布情況，項目正式實施前，進(jìn)行實地踏勘，掌握測區(qū)詳細(xì)情況，為航線規(guī)劃提供更豐富的依據(jù)。踏勘時重點關(guān)注道路是否便利通暢，公路、鐵路、鄉(xiāng)村道路等分布及可通行情況等;山脈、水系、主要地貌類型和特征、平均高程、最高地形點和地物點等;測區(qū)風(fēng)力、雨霧、氣溫、氣壓等情況，及時查看近期天氣預(yù)報;周邊控制點、水準(zhǔn)點及點坐標(biāo)的坐標(biāo)系統(tǒng)，點位數(shù)量與分布、標(biāo)志的保存情況，CORS信號有無覆蓋及穩(wěn)定性等。

4.3.2基站架測

因外方位元素的準(zhǔn)確度直接影響成果圖件的數(shù)學(xué)精度，若基準(zhǔn)站位移偏差，則會引起移動站（機載傳感器）整體偏差，最終引起成果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，故基準(zhǔn)站點選擇和觀測精度直接關(guān)系到圖件成果精度。

基準(zhǔn)站應(yīng)選擇在測區(qū)空曠區(qū)域，基準(zhǔn)站坐標(biāo)利用CORS系統(tǒng)按照一級RTK控制點要求測出2000國家大地坐標(biāo)系平面坐標(biāo)和1985國家高程值。在控制點位架設(shè)基站，嚴(yán)格對中和整平，對中誤差不應(yīng)大于1mm，衛(wèi)星觀測截止高度角15°，PDOP值小于6，天線高測量分別從腳架三個方向測量，讀數(shù)精確至1mm，互差應(yīng)小于3mm，最后取平均值作為天線高。

4.3.3航線規(guī)劃

使用4旋翼大黃蜂無人機搭載AS-900HL多平臺激光雷達(dá)系統(tǒng)和單鏡頭相機，對山地區(qū)域按3個架次飛行，設(shè)計相對起飛點航高90m、飛行速度7.5m/s、航向間距60m，共3分為個架次，24條航線，點云經(jīng)處理后達(dá)到30點/m2。

4.4數(shù)據(jù)處理

激光雷達(dá)測量系統(tǒng)采集得到的原始數(shù)據(jù)主要包括GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，機載移動站GNSS與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，激光掃描點云和影像數(shù)據(jù)等。

4.4.1POS解算

InertialExplorer軟件是一款強大、可配置度高的事后處理軟件，可用于處理GNSS、INS數(shù)據(jù)，提供高精度組合導(dǎo)航信息，包括位置、速度和姿態(tài)等信息。在軟件中將基準(zhǔn)站靜態(tài)GNSS數(shù)據(jù)、機載GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)行聯(lián)合解算，得到航跡文件;解算后對位置精度、姿態(tài)指標(biāo)、位置分離和IMU處理情況等進(jìn)行質(zhì)量檢查，確認(rèn)無誤后輸出軌跡文件。

4.4.2點云解算

點云原始數(shù)據(jù)記錄了光脈沖的發(fā)射與返回時間、發(fā)射角度、返回強度、回波次數(shù)等基本信息。解算采用CoPre-移動測量數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件進(jìn)行?？赏ㄟ^GNSS信號值自動過濾POS軌跡，快速實現(xiàn)原始激光數(shù)據(jù)的解算并自動分段輸出LAS格式點云。解算過程中通過距離濾波、灰度值濾波和跳躍噪點濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次回波分類。

4.5DOM制作

為了方便地物判讀，將采集影像制作DOM用于輔助測圖，正射影像的制作使用訊圖天工軟件經(jīng)匹配DSM、正射糾正、生成DOM、勻色和修復(fù)等生成DOM成果圖件。

4.6線劃圖編輯

主要包括點云分塊、點云測圖、缺漏部位補測等環(huán)節(jié)。點云測圖時，為了輔助地物的識別將點云數(shù)據(jù)和DOM套合，對精度要求高的地物及通過點云易識別的地物直接基于點云繪制，對于其他地物則參考影像進(jìn)行繪制。測圖圖式按GB/T20257.1—2017《國家基本比例尺地圖圖式第一部分：1∶5001∶10001∶2000地形圖圖式》中的規(guī)定執(zhí)行。

地物繪制使用CoSurvey軟件進(jìn)行。該軟件基于AutoCAD平臺，以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以正射影像為參照，結(jié)合范圍預(yù)覽、切片調(diào)節(jié)、地物搜索等對具有立面的數(shù)據(jù)如建筑物，在點云上進(jìn)行高精度采編，利用切片工具建立切片，通過調(diào)節(jié)切片到合適的高度，對建筑物、構(gòu)筑物等地物進(jìn)行測圖。

等高線制作時，首先對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分類，獲得準(zhǔn)確的地面點數(shù)據(jù)，然后根據(jù)地面點數(shù)據(jù)內(nèi)插TIN生成DEM，基于DEM自動生成等高線。

裸露地表只有一次回波，回波對應(yīng)的反射點即為地面點，植被覆蓋區(qū)可能對應(yīng)多次回波，一般最后一次回波對應(yīng)的反射點為地面點。從同一塊區(qū)域點云分類前后看，在植被茂密區(qū)域，利用點云綜合處理軟件CoProcess將地表植被剔除留取地面點云數(shù)據(jù)，可清晰反映出植被下的地表形態(tài)，為地形測繪提供精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

高程點采集在CoSurvey上完成，批量提取時使用對原始點云進(jìn)行濾波分類后的地面點數(shù)據(jù)，設(shè)置高程點提取格網(wǎng)進(jìn)行提取;手動提取時則選擇注記位置提取單個高程點。

4.7數(shù)學(xué)精度評定

經(jīng)統(tǒng)計，檢測點較差均在允許中誤差22倍以內(nèi)（84.6cm）;平面點位中誤差為14.7cm，最大點位較差67.3cm，最小點位較差0.1cm，點位較差在30cm以內(nèi)的占檢查點數(shù)量的86.00%，點位較差在35cm以內(nèi)的占檢查點數(shù)量的94.00%，點位較差值主要分布在25cm以內(nèi);高程點粗差率0%，最大點較差48.9cm，中誤差11cm，所有點位較差均在允許中誤差22倍以內(nèi)，高程值較差在35cm以內(nèi)的占檢查點數(shù)量的96.9%，點位較差值主要分布在20cm以內(nèi)。由此可得，機載LiDAR技術(shù)所獲得數(shù)據(jù)成果的平面和高程精度完全滿足1∶500地形測量要求。

5結(jié)語

綜上所述，機載LiDAR技術(shù)可以穿過植被間隙獲取樹下真實地形，具有能夠直接記錄地表地物點三維坐標(biāo)的優(yōu)勢，很好地彌補了傳統(tǒng)航攝作業(yè)方式的不足，有助于提高地形圖測繪質(zhì)量與效率，推動傳統(tǒng)測繪優(yōu)化。機載 LiDAR 系統(tǒng)作業(yè)過程中，必須根據(jù)測區(qū)情況科學(xué)開展外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，高效、精確的完成地形圖的制作。

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作者簡介：胡艷蓮（1984-），女，湖南益陽人，工程師，本科，工作方向：測繪。