基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取方案

趙節(jié)霞

(中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199)

0 引言

為了滿足廣東省經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和規(guī)劃管理的需要，受廣東省國土資源技術(shù)中心的委托，中煤航測遙感集團(tuán)有限公司承擔(dān)廣東省機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取項(xiàng)目第2期第2個(gè)分區(qū)的項(xiàng)目LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的工作。項(xiàng)目的范圍涵蓋河源市、惠州市、汕尾市、韶關(guān)市。項(xiàng)目總面積為3.01萬km2。

針對本項(xiàng)目地形高差起伏大、植被茂密、城市群高層建筑林立、海岸帶特殊地貌及復(fù)雜氣流等地形特點(diǎn)的情況下，如何從項(xiàng)目管理、技術(shù)設(shè)計(jì)方案、項(xiàng)目實(shí)施、質(zhì)量檢查、安全生產(chǎn)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效監(jiān)督，推進(jìn)項(xiàng)目工作有序開展，滿足項(xiàng)目成果達(dá)到的立項(xiàng)目標(biāo)的要求，并在項(xiàng)目中進(jìn)行科研創(chuàng)新。

1 技術(shù)方法

1.1 儀器設(shè)備

1.1.1 主要硬件設(shè)備

機(jī)載激光雷達(dá)：RIEGL LMS-Q1560、RIEGL VQ-1560i。

飛機(jī)：塞斯納208。

POS系統(tǒng)：AV610。

1.1.2 主要軟件設(shè)備

航線設(shè)計(jì)軟件：POSTRACK。

數(shù)據(jù)后處理軟件：POSPAC、RIPROCESS、LiDAR_Suite、TerraSolid、LMS、LiDAR-DP。

1.2 工作內(nèi)容

辦理航攝戰(zhàn)區(qū)批文及飛行空域申請手續(xù)；獲取總面積3.01萬km2點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在天氣及航飛時(shí)段適宜的情況下(飛行時(shí)段在6：00～18：00之間)獲取影像數(shù)據(jù)；完成姿態(tài)校正、噪聲點(diǎn)剔除、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、航帶拼接、系統(tǒng)差改正等點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理工作[1]；對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面及高程精度的檢查；項(xiàng)目成果提交至廣東省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行驗(yàn)收，且通過驗(yàn)收。

1.3 技術(shù)方案與創(chuàng)新成果

1.3.1 技術(shù)方案

項(xiàng)目技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目技術(shù)方案流程Fig.1 Process of project technical scheme

1.3.2 創(chuàng)新成果

華南地區(qū)復(fù)雜地形的LiDAR設(shè)備的組合選擇與航線設(shè)計(jì)：①本項(xiàng)目同時(shí)投入世界先進(jìn)的高性能激光雷達(dá)系統(tǒng)，飛行海拔高度可達(dá)5 800 m以上，可在不同的飛行高度進(jìn)行相應(yīng)的高密度、高精度、高植被穿透力的數(shù)據(jù)采集工作，非常適合高空、高效率、大面積LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。②攝區(qū)范圍廣，高差大，為保證點(diǎn)云精度，盡可能在保證飛行效率情況下，以城市劃片或以規(guī)則圖形對攝區(qū)進(jìn)行分區(qū)[2]，本項(xiàng)目利用自主研發(fā)的軟件進(jìn)行航線實(shí)時(shí)規(guī)劃，對飛行瞬時(shí)的地形、空域、衛(wèi)星信號等預(yù)判。③針對本項(xiàng)目地形高差起伏大、植被茂密、城市群高層建筑林立、海岸帶特殊地貌及復(fù)雜氣流等地形特點(diǎn)，為保證點(diǎn)云精度，盡可能在保證飛行效率情況下，以城市劃片或以規(guī)則圖形對攝區(qū)進(jìn)行航攝分區(qū)，每個(gè)分區(qū)不同飛行方向?qū)c(diǎn)云航帶間矯正有困難，為保證高精度的數(shù)據(jù)解算，在各個(gè)分區(qū)垂直航向方向布設(shè)構(gòu)架線，并分別在構(gòu)架線的首中尾或整個(gè)測區(qū)均勻布設(shè)參考面。

保證了海岸帶LiDAR點(diǎn)云的密度質(zhì)量：①LiDAR光束無法穿透水體導(dǎo)致低潮線附近的點(diǎn)云缺失，其所生成的DSM無效值增多，為了能夠獲取更多的海岸帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目在落潮期對海岸帶進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。②獲取海岸帶LiDAR點(diǎn)云時(shí)，水域存在大量懸浮粒子。對于清澈水域來說，由于不存在懸浮粒子產(chǎn)生的后向散射，因此在清澈水域會(huì)形成比較明顯的數(shù)據(jù)空洞；但是對于不夠清澈的水面來說，水域存在少量懸浮粒子，其能夠反射小部分能量，其余的大部分被水體吸收。因此本項(xiàng)目在海岸帶獲取LiDAR點(diǎn)云時(shí)加大點(diǎn)云密度為規(guī)范要求的1.5倍，能夠準(zhǔn)確反映裸露的地表真實(shí)形態(tài)。

解決了同分區(qū)不同架次之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的局部精度超限問題：通過嘗試同分區(qū)不同架次間工程融合處理方法，避免了同分區(qū)構(gòu)架線的重復(fù)計(jì)算，同時(shí)，同分區(qū)不同架次間使用同一參數(shù)進(jìn)行平差計(jì)算[3]，實(shí)踐證明，此方法能夠提升處理效率約一倍。通過這種方法，使不同架次間點(diǎn)云的相對精度較高，絕對精度可靠。

2 實(shí)施管理

2.1 項(xiàng)目組織

為確保本項(xiàng)目按時(shí)、按質(zhì)完成，在項(xiàng)目組織結(jié)構(gòu)方面，各實(shí)施單位成立以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人為領(lǐng)導(dǎo)核心的項(xiàng)目組，全面負(fù)責(zé)本項(xiàng)目實(shí)施和質(zhì)量把控。在實(shí)施措施方面采用各種先進(jìn)的技術(shù)管理手段確保實(shí)施進(jìn)度和開發(fā)質(zhì)量。通過建立完善的項(xiàng)目組織結(jié)構(gòu)，充分調(diào)動(dòng)一切可用資源，在項(xiàng)目負(fù)責(zé)人統(tǒng)一協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)下，各項(xiàng)目小組既分工明確又協(xié)同工作，發(fā)揮最佳工作效率。

2.2 項(xiàng)目工期及成本控制

加強(qiáng)項(xiàng)目管理：項(xiàng)目從2018年1月初開始，2019年12月底結(jié)束，歷時(shí)2年整。在項(xiàng)目開工前根據(jù)測區(qū)氣候狀況、飛行時(shí)間和飛行架次以及其他可預(yù)見情況，并適當(dāng)考慮不可預(yù)見因素的影響，編制合理的總體施工進(jìn)度計(jì)劃，保證項(xiàng)目按合同約定的時(shí)間完成。

保證相應(yīng)的資源配置，最大可能科研創(chuàng)新：各實(shí)施單位各作業(yè)組織機(jī)構(gòu)健全，有完善的質(zhì)量管理體系；各工序流程安排合理，投入的人力資源和軟、硬件設(shè)備都充分完善[4]；各實(shí)施單位自主研發(fā)數(shù)據(jù)后處理軟件、質(zhì)量檢查軟件以及項(xiàng)目實(shí)施過程中諸多新技術(shù)的應(yīng)用，使得作業(yè)效率得到顯著提高，為項(xiàng)目順利實(shí)施提供了可靠的基礎(chǔ)，從而節(jié)約了項(xiàng)目成本，極大提高了作業(yè)效率。

2.3 安全生產(chǎn)及信息保密

人員安全措施：①工作人員進(jìn)場前應(yīng)開展安全生產(chǎn)教育，并在生產(chǎn)過程中開展經(jīng)常性的安全生產(chǎn)教育?，F(xiàn)場作業(yè)時(shí)，不得擅自進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)。在安置儀器和標(biāo)志時(shí)要避開電纜、電線、避免觸電。②各類交通工具應(yīng)始終保持在良好的狀態(tài)，應(yīng)對交通工具的狀況經(jīng)常檢查，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)修理。嚴(yán)格作息制度，做好駐地安全防范工作，與當(dāng)?shù)卣腿罕娞幚砗藐P(guān)系。

儀器設(shè)備安全措施：①必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程使用儀器，貴重儀器須專人操作、專人保管。不得在危險(xiǎn)的地方安置儀器。當(dāng)儀器出故障時(shí)，不能擅自拆修儀器，應(yīng)及時(shí)送廠檢修。②做好調(diào)查區(qū)域駐地的設(shè)備物資安全工作，防火防盜。做好車輛的維修保養(yǎng)，安全行車。

信息安全保密措施：①嚴(yán)格執(zhí)行測繪成果保密管理規(guī)定，杜絕資料泄密或遺失。未經(jīng)甲方單位同意，測繪單位不得擅自向第三方提供該項(xiàng)目的任何測繪資料，如有違反將按照合同承擔(dān)相應(yīng)法律責(zé)任。②在生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場使用的計(jì)算機(jī)要與互連網(wǎng)保持物理隔絕，并及時(shí)做好計(jì)算機(jī)防病毒工作和數(shù)據(jù)備份工作，防止電子數(shù)據(jù)成果的意外損壞和丟失。在生產(chǎn)過程中形成的中間資料在項(xiàng)目完成后統(tǒng)一在監(jiān)督下銷毀。③項(xiàng)目設(shè)專門的資料管理員，負(fù)責(zé)成果數(shù)據(jù)與文檔資料的保管、整理、保密工作，確保資料成果的安全性[5]。

3 質(zhì)量水平

整個(gè)生產(chǎn)過程各作業(yè)單位嚴(yán)格按照QEO三體系質(zhì)量管理體系要求進(jìn)行，各作業(yè)單位組織機(jī)構(gòu)健全，儀器設(shè)備、技術(shù)力量配備合理。均設(shè)立項(xiàng)目負(fù)責(zé)、技術(shù)負(fù)責(zé)和專職檢查員，實(shí)行質(zhì)量負(fù)責(zé)制[6]。項(xiàng)目嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 18316—2008《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》規(guī)范GB/T 24356—2009《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》規(guī)范，實(shí)行二級檢查一級驗(yàn)收制。

3.1 過程成果檢查

過程檢查分為外業(yè)檢查和內(nèi)業(yè)檢查2部分，外業(yè)檢查主要包括地面基站檢查、檢校場布設(shè)檢查、參考面布設(shè)檢查等，內(nèi)業(yè)檢查主要包括飛行質(zhì)量檢查、IMU/GNSS質(zhì)量檢查、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換質(zhì)量檢查、點(diǎn)云質(zhì)量檢查[7]、影像質(zhì)量檢查等。所有的過程檢查記錄都詳細(xì)記錄檢查和修改結(jié)果，確保進(jìn)入下一工序的過程產(chǎn)品完全合格。

3.2 最終成果檢查

經(jīng)過制作、檢查、修改、復(fù)查后完成的最終產(chǎn)品，由公司專門管理質(zhì)量的部門隨機(jī)抽取進(jìn)行最終檢查，最終檢查的結(jié)果代表整個(gè)項(xiàng)目的最終成果質(zhì)量[8]，最終成果質(zhì)量合格方可提交顧客驗(yàn)收。

過程成果檢查和最終成果檢查時(shí)，都會(huì)填寫一份檢查記錄表，包括：檢查單元、作業(yè)員、檢查員、檢查日期、檢查中發(fā)現(xiàn)的問題、發(fā)現(xiàn)問題的修改狀況。

為了控制各工序的成果質(zhì)量，公司嚴(yán)格實(shí)行獎(jiǎng)懲制度，根據(jù)檢查員評定的質(zhì)量進(jìn)行獎(jiǎng)懲，促使各工序作業(yè)人員重視質(zhì)量，達(dá)到以質(zhì)量求生存，以效益求發(fā)展的目的。

3.3 項(xiàng)目成果驗(yàn)收

項(xiàng)目委托廣東省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)收，檢驗(yàn)的技術(shù)參數(shù)包含點(diǎn)云質(zhì)量、IMU/GNSS質(zhì)量、飛行質(zhì)量及附件質(zhì)量。

經(jīng)分期分區(qū)分批次檢驗(yàn)，“廣東省機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取項(xiàng)目”樣本未檢出不合格品，成果質(zhì)量判定為“批合格”。

4 結(jié)語

響應(yīng)廣東省建設(shè)和規(guī)劃的需要，按照招標(biāo)書和合同的要求，制定完整可行的技術(shù)方案，解決了華南地區(qū)復(fù)雜地形的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的順利獲取及數(shù)據(jù)后處理，按時(shí)保質(zhì)保量完成廣東省全域總面積17.95萬km2的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，項(xiàng)目成果通過了廣東省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的驗(yàn)收，項(xiàng)目成果達(dá)到了立項(xiàng)目標(biāo)的要求。項(xiàng)目自從2020年1月投入使用以來，經(jīng)過一年多時(shí)間的使用，成果取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。作為新興的測量三維數(shù)據(jù)獲取手段，LiDAR點(diǎn)云相關(guān)的市場應(yīng)用不僅在傳統(tǒng)的城市測量、數(shù)字城市建設(shè)、地形地理測繪、電力線路、道路等領(lǐng)域發(fā)揮其不可代替的作用，更在森林防火、山體滑坡檢測、野外考察、環(huán)境生態(tài)檢測等諸多直接關(guān)系國計(jì)民生行業(yè)產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響[9]。

該項(xiàng)目直觀反映了廣東省的地形、地貌、道路及建筑物的分布情況，可作為廣東省三維場景數(shù)據(jù)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫更新的依據(jù)，對廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃、建設(shè)和管理中的公益性起到保障性作用。