機載激光雷達在大比例尺DEM生產(chǎn)中的應(yīng)用

焦明東 李云昊 彭 健 熊 威 張國建

(1.濟南市勘察測繪研究院, 山東 濟南 250000; 2.山東建筑大學(xué), 山東 濟南 250000)

0 引言

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是地表形態(tài)的數(shù)字化表達,蘊含了豐富的地形地貌信息,已成為空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字地球的重要組成部分[1]。其中大比例尺DEM數(shù)據(jù)在科學(xué)、工程、軍事、社會經(jīng)濟等領(lǐng)域發(fā)揮著基礎(chǔ)重要作用,為國家基礎(chǔ)信息設(shè)施、智慧城市與防災(zāi)減災(zāi)等各個領(lǐng)域提供決策支持[2]。

目前國內(nèi)生產(chǎn)大比例尺DEM較為常見的技術(shù)手段為全野外數(shù)字測量的傳統(tǒng)測繪方法以及傾斜攝影測量方法[3]。此類技術(shù)發(fā)展日趨完善,但仍存在較為明顯的技術(shù)短板,傳統(tǒng)測繪已無法滿足當(dāng)今時代對于精準(zhǔn)、快速獲取數(shù)據(jù)的需求,而傾斜攝影測量不僅需要布設(shè)大量的像控點,而且三維模型生產(chǎn)需要高性能計算機集群進行運算,同時對于植被覆蓋茂密的區(qū)域,精度無法得到有效保障。隨著現(xiàn)代社會高新技術(shù)的不斷進步,激光雷達測量技術(shù)應(yīng)運而生,激光雷達測量技術(shù)為獲取高時空分辨率的地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段,提高了觀測的精度和速度,使數(shù)據(jù)的獲取朝智能化和自動化的方向發(fā)展[4]。因而，該技術(shù)在河道整治、電力巡線、地籍測繪、工程地形測繪、應(yīng)急救災(zāi)[5-8]等領(lǐng)域逐漸開始應(yīng)用。然而,在大比例尺DEM數(shù)據(jù)獲取中的應(yīng)用還鮮有文章提及。本文以濟南市一處典型的規(guī)劃建設(shè)區(qū)為例,提出利用機載激光雷達測量技術(shù)采集大比例尺DEM數(shù)據(jù)的作業(yè)方案,并與傾斜攝影測量對比,采用全野外數(shù)字測量方法對其精度進行驗證,驗證了機載激光雷達測量在制作大比例尺DEM數(shù)據(jù)中的優(yōu)勢。

1 機載激光雷達系統(tǒng)工作原理及技術(shù)流程

1.1 工作原理

機載激光雷達系統(tǒng)是一種主動式對地觀測系統(tǒng),它集成激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)、差分定位系統(tǒng)(Differential Global Position System,DGPS)于一體,激光掃描儀是該系統(tǒng)的核心組件,它的工作原理是通過激光發(fā)生器發(fā)射一束窄脈沖,接收器接收窄脈沖與目標(biāo)接觸后的反射波信號,通過計算脈沖發(fā)射到接收反射波信號的時間間隔,得出激光器與被測物體的距離。由于脈沖的速度已知(光速c),接收器可以精確測量脈沖發(fā)射到接收到反射信號的時間(t),從而獲得目標(biāo)物與激光器的距離D=0.5ct。通過機載的差分(Global Position System,GPS)定位器獲取激光掃描儀空間坐標(biāo)為(x0,y0,z0),利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)獲得飛行過程中的姿態(tài)角度(ω,φ,κ);然后激光掃描儀獲取到激光掃描儀至被測物體之間的距離為D,由此計算出此刻地面上被測物體的空間坐標(biāo)(x,y,z)。

1.2 技術(shù)流程

本次試驗過程主要分為作業(yè)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、精度檢核、成果輸出,其技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)流程圖

2 實驗分析

為驗證機載激光雷達在大比例尺DEM數(shù)據(jù)獲取中的優(yōu)勢,本次試驗選擇華測AS-300HL多平臺激光雷達測量系統(tǒng)、南方SZT-R250移動測量系統(tǒng)、海達ARS200輕型機載三維激光掃描系統(tǒng)對試驗區(qū)進行數(shù)據(jù)采集,將機載激光雷達采集數(shù)據(jù)與傾斜攝影測量數(shù)據(jù)進行對比,同時采用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(Real Time Kinematic,RTK)、全站儀的全野外數(shù)字測量方法對采集的數(shù)據(jù)進行精度驗證。

2.1 試驗選址

劃定試驗區(qū)范圍,試驗場地面積約為0.6 km2,場地包含簡單(地表附著物較少、地勢平坦)、較復(fù)雜(地表有稀疏高大植被,溝、坎等常見地物地貌有少量分布)和復(fù)雜(地表有高大植被、低矮茂密灌木叢,溝、坎等常見地物地貌)。三種類型區(qū)域面積分別為0.3，0.1，0.2 km2。

2.2 數(shù)據(jù)采集

試驗區(qū)前期已完成傾斜攝影測量,本次采用機載激光雷達測量對試驗區(qū)進行點云數(shù)據(jù)采集,同時使用RTK、全站儀進行精度檢測。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1原始數(shù)據(jù)解算

原始數(shù)據(jù)采集完成之后,通過采用各自的數(shù)據(jù)解算軟件把IMU、GPS以及激光測距數(shù)據(jù)解算成軌跡定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)文件和激光點云文件。

2.3.2點云數(shù)據(jù)處理

原始激光點云數(shù)據(jù)包括了測量區(qū)域內(nèi)所有地物的全部特征,通過相應(yīng)軟件的地面點分類功能,將原始點云數(shù)據(jù)中的地表面點云數(shù)據(jù)保留,按照規(guī)范要求,對地面點云數(shù)據(jù)進行抽稀和選擇性保留工作。

2.4 效率、精度分析比對

使用RTK和全站儀對試驗區(qū)高程進行檢測。上方無遮擋、RTK信號好的區(qū)域,使用RTK采集高程點；上方有遮擋、RTK信號不好的區(qū)域,使用全站儀采集高程點。

2.4.1選點情況

根據(jù)試驗場地的實際情況,將試驗區(qū)分為簡單、較復(fù)雜和復(fù)雜三個區(qū)域。其中,簡單區(qū)域采集村居內(nèi)硬化地表、村莊周圍農(nóng)村道路高程,較復(fù)雜區(qū)域采集附著稀疏植被的地表高程,復(fù)雜區(qū)域采集有茂密喬木、灌木等嚴(yán)重遮擋處地表高程。

2.4.2精度比對

使用RTK和全站儀采集現(xiàn)狀高程點共200個,內(nèi)業(yè)編繪時在展點位置采集激光雷達點云模型及立體影像模型的高程數(shù)據(jù),進行高程精度比對。

(1)簡單區(qū)域高程精度比對

使用RTK采集簡單區(qū)域地面點高程,選取其中有代表性的50個高程點,分別與海達、華測和南方激光雷達數(shù)據(jù)、傾斜攝影測量數(shù)據(jù)進行對比,并計算中誤差。通過計算可知,海達、華測、南方激光雷達和傾斜攝影測量在簡單區(qū)域獲取高程精度分別為0.036,0.038,0.033,0.042 m,激光雷達技術(shù)獲取高程精度優(yōu)于傾斜攝影測量技術(shù)。

(2)較復(fù)雜區(qū)域高程精度比對

使用RTK采集附著稀疏植被的地表高程,選取其中有代表性的50個高程點,分別與海達、華測和南方激光雷達數(shù)據(jù)、傾斜攝影測量數(shù)據(jù)進行對比,并計算中誤差。通過計算可知,海達、華測、南方激光雷達和傾斜攝影測量在較復(fù)雜區(qū)域獲取高程精度分別為0.061,0.061,0.054,0.083 m,激光雷達技術(shù)獲取高程精度優(yōu)于傾斜攝影測量技術(shù),具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 較復(fù)雜區(qū)域高程檢測表 單位:m

(3)復(fù)雜區(qū)域高程精度比對

因傾斜攝影測量無法獲取茂密植被下的地表高程數(shù)據(jù),在復(fù)雜區(qū)域只對激光雷達數(shù)據(jù)進行高程精度對比。使用全站儀采集茂密喬木、灌木等嚴(yán)重遮擋下的地面高程,選取其中有代表性的100個高程點,分別與海達、華測、南方激光雷達數(shù)據(jù)進行對比。通過計算可知,海達、華測、南方激光雷達在復(fù)雜區(qū)域獲取高程精度分別為:0.071,0.069,0.065 m,具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 復(fù)雜區(qū)域高程檢測表 單位:m

通過對比分析可知,機載激光雷達測量精度完全可以滿足1∶500 DEM數(shù)據(jù)精度要求,在復(fù)雜地形條件下的表現(xiàn)遠超傾斜攝影測量。

3 結(jié)束語

本文以濟南市一處典型試驗區(qū)為例,分別使用機載激光雷達、傾斜攝影測量和傳統(tǒng)全野外數(shù)字化測量方法對該試驗區(qū)進行數(shù)據(jù)采集,并構(gòu)建相應(yīng)的大比例尺DEM,得到以下主要結(jié)論:

(1)機載激光雷達系統(tǒng)具有高效率和速度快的特點,尤其在傾斜攝影測量無法穿透的植被茂密區(qū)域發(fā)揮了獨有的優(yōu)勢,可以大幅度提高工作效率,縮短作業(yè)工期,降低生產(chǎn)成本。

(2)機載激光雷達技術(shù)完全可以滿足大比例尺DEM數(shù)據(jù)精度要求(中誤差≤0.200 m)[10],且精度優(yōu)于傾斜攝影測量。