機載激光雷達在河流調(diào)查中的應(yīng)用研究

李紅林

（山西省測繪地理信息院,山西 太原 030001）

0.引言

近些年，測繪遙感技術(shù)軟硬件發(fā)展迅速，新技術(shù)的出現(xiàn)提升了測繪遙感的生產(chǎn)力。機載激光雷達（LiDAR）技術(shù)的出現(xiàn)，為新型基礎(chǔ)測繪的數(shù)據(jù)采集帶來了新的方向。LiDAR技術(shù)是集激光掃描儀（1aser scanning）、全球定位系統(tǒng)(Global Position System，GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial MeasurementUnit，IMU）于一體的主動式航空遙感技術(shù)，通過對地面進行三維掃描獲得空間信息點云數(shù)據(jù)[1]。激光雷達（LiDAR）已成為一種新型空間數(shù)據(jù)獲取手段，利用激光測距技術(shù)、高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量技術(shù)和高精度動態(tài)GPS差分定位技術(shù)獲取各激光腳點的空間三維坐標(biāo)及反射強度等信息。其數(shù)據(jù)采集對天氣、季節(jié)以及時段要求較低，可快速獲取地表空間信息。數(shù)字高程模型作為基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)，在地學(xué)分析等方面扮演著重要的角色，機載LiDAR已成為快速獲得大范圍高精度DEM的重要手段[2]。

LiDAR技術(shù)在各個方面迅速發(fā)展，相對于其他遙感技術(shù)，它是遙感技術(shù)領(lǐng)域的一場革命。目前激光雷達數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪、城市三維建模等方面。其具有數(shù)據(jù)處理智能化程度高，數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、不接觸性、高密度、高精度(尤其是高程精度)、作業(yè)成本低等優(yōu)勢[3]。它采用主動性工作方式，通過自身發(fā)射的激光脈沖反射來獲取目標(biāo)信息，不受天氣條件限制，能全天候?qū)嵤Φ赜^測。機載激光雷達傳感器發(fā)射的激光脈沖對植被也具有一定的穿透能力，這是傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)所無法比擬的[4]。

本文主要是在山西省主要河流土地資源調(diào)查項目建設(shè)中，利用機載激光雷達技術(shù)在某市域河流調(diào)查中獲取數(shù)據(jù)，對獲取的LiDAR數(shù)據(jù)進行解算，解算完成后對點云數(shù)據(jù)進行分類濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點云分塊等處理，最終生成DEM、DSM成果。

1.河流調(diào)查技術(shù)流程

山西省某市域河流土地資源調(diào)查的激光雷達數(shù)據(jù)處理任務(wù)的主要技術(shù)路線為：

根據(jù)獲取的河流治導(dǎo)線外擴500米范圍激光雷達原始數(shù)據(jù)，首先進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括軌跡文件的解算、原始激光掃描數(shù)據(jù)的釋放等；其次對激光雷達點云數(shù)據(jù)進行去噪分類處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、高程精化；最后將點云按照標(biāo)準(zhǔn)分幅進行分塊處理，進行數(shù)字地表模型和數(shù)字高程模型的生產(chǎn)。經(jīng)質(zhì)檢合格后，制作數(shù)字地表模型和數(shù)字高程模型的元數(shù)據(jù)，最后提交所有成果數(shù)據(jù)。生產(chǎn)流程（如圖1所示）：

圖1 生產(chǎn)總流程

2.激光雷達數(shù)據(jù)處理

2.1 激光雷達數(shù)據(jù)獲取

激光雷達掃描數(shù)據(jù)獲取采用AEROS-912動力三角翼飛行器，RIEGL VQ580i機載激光雷達系統(tǒng)集成Trimble AP60慣導(dǎo)系統(tǒng)。

Riegl-VQ580i機載激光雷達掃描系統(tǒng)初始采集到的原始數(shù)據(jù)包括：原始激光點云數(shù)據(jù)（由激光雷達掃描儀采集得到）、機載INS-GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)（由慣導(dǎo)系統(tǒng)采集得到）。

2.2 激光雷達數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次使用POSPac軟件對集成全球衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）與慣性導(dǎo)航技術(shù)的定位定姿系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進行處理，通過計算獲取高精度的定位定姿數(shù)據(jù)。

軌跡解算完成后，使用RIEGL的系列軟件釋放點云數(shù)據(jù)。

2.3 點云解算

因本次生產(chǎn)項目使用的是RIEGL激光雷達儀器產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)獲取，已有的激光雷達原始數(shù)據(jù)包含了INS-GPS高精度軌跡文件，故數(shù)據(jù)預(yù)處理僅需將原始的激光數(shù)據(jù)進行解析，獲得通用格式（*.las）的點云數(shù)據(jù)。項目原始數(shù)據(jù)以RiProcess工程進行組織（*.rpp），需使用RiProcess軟件解算點云。

點云解算涉及工程配置、軌跡截取、點云數(shù)據(jù)釋放、點云數(shù)據(jù)航帶調(diào)整、重新解算、點云導(dǎo)出等流程，詳細(xì)解算流程如下：

2.3.1 配置工程

在RiProcess軟件中打開*.rpp格式的工程文件，設(shè)置工程坐標(biāo)系為WGS84/UTM_North zone 43。將sbet_Mission.out軌跡文件導(dǎo)入軟件中，并轉(zhuǎn)換格式為*.pof，轉(zhuǎn)換時需選擇軌跡數(shù)據(jù)對應(yīng)的日期和時區(qū)。然后在軟件中根據(jù)軌跡的最大、最小經(jīng)緯度計算感興趣的區(qū)域范圍。

2.3.2 軌跡截取

處理機載數(shù)據(jù)時，一般會選擇測量范圍內(nèi)的長直航線進行解算。在RiProcess軟件中選擇軌跡后，會按照原始的RXP根據(jù)選擇的軌跡進行截取，去除冗余數(shù)據(jù)，保留有效數(shù)據(jù)區(qū)。每一條軌跡均會生成一個RXP文件，后續(xù)將使用這些文件進行解算和航帶平差。如不進行軌跡截取操作，將無法進行激光數(shù)據(jù)調(diào)整。

2.3.3 點云數(shù)據(jù)釋放

在數(shù)據(jù)解算前，需先設(shè)置點云的提取參數(shù)，包括濾波設(shè)置和MTA方法設(shè)置等。其中，MTA方法選擇Auto可有效減少因MTA效應(yīng)造成的噪點。針對本次項目數(shù)據(jù)出現(xiàn)的航高超過設(shè)備建議的最大值導(dǎo)致地面點云缺失、空中噪點嚴(yán)重的情況，可嘗試使用Fixed in zone方法，并選擇對應(yīng)的Zone（通過計算得到）。然而，該方法僅能解算出某個固定的Zone內(nèi)的數(shù)據(jù)，對于跨區(qū)間的數(shù)據(jù)不能用該方法解算出全部的數(shù)據(jù)，但可作為補充。

點云解算需給定設(shè)備的初始解算參數(shù)及激光相對于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的偏移量和旋轉(zhuǎn)角。通過激光數(shù)據(jù)解析、激光和軌跡的融合處理，最后生成可視化的點云數(shù)據(jù)。

2.3.4 點云數(shù)據(jù)航帶調(diào)整

點云解算完成后，航帶與航帶的重復(fù)掃描數(shù)據(jù)之間存在分層，從幾厘米到幾十厘米不等，需通過創(chuàng)建航帶間的公共平面、調(diào)整每條航帶的姿態(tài)角和調(diào)整偏移量來實現(xiàn)對激光數(shù)據(jù)的調(diào)整。

2.3.5 點云重新解算和輸出

激光數(shù)據(jù)調(diào)整后，需重新和軌跡數(shù)據(jù)進行融合，解算點云。解算完成后將成果導(dǎo)出為LAS(V1.2)格式。

2.4 點云去噪分類

因項目點云數(shù)據(jù)存在大量的空中或低于地面的噪點，且無法通過軟件算法一鍵過濾，所以點云后處理的第一步是將噪點手動濾除。點云存在的噪點（如圖2所示）：

圖2 點云噪點

點云分類主要目的是將點云中的構(gòu)筑物、植被等地物濾除，僅保留地面位置的點云，反映實際地形的起伏情況，以供生成數(shù)字高程模型（DEM）。分類使用已有的Macro宏命令在Terrasolid中運行，軟件自動進行去噪、地面點分類等步驟。點云宏命令運行（如圖3所示）：

圖3 點云分類宏命令

自動分類完成后，需檢查地面點的情況。此時需要根據(jù)地面點類別生成可編輯的模型，查看模型中不合理的凹凸，并通過截取剖面查看點云是否存在地面以下的低點或者空中的噪點，若有，通過手動分類的方式將其分類到其他類別。另外，查看模型中是否有未過濾的建筑、植被、架空橋梁等，若有，也需通過手動分類的方式將其分類到其他類別。檢查無問題后，保存當(dāng)前點云，并將地面點類別單獨導(dǎo)出保存。模型檢查分類結(jié)果（如圖4所示）：

圖4 通過可編輯TIN模型檢查分類結(jié)果

2.5 點云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

根據(jù)項目成果坐標(biāo)系要求，點云的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)為：平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用國家大地坐標(biāo)系CGCS2000；高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)；成圖比例尺為1∶2000。

故需將WGS84/UTM_North zone 43坐標(biāo)系下的點云重新投影，采用高斯-克呂格投影，3°分帶，中央經(jīng)線為114°。并通過七參數(shù)進行點云平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到項目要求的CGCS2000國家大地坐標(biāo)系。高程轉(zhuǎn)換利用山西省大地水準(zhǔn)面精化模型，將點云數(shù)據(jù)的大地高轉(zhuǎn)換到1985國家高程基準(zhǔn)。

2.6 點云分塊

在CoProcess軟件中，采用1∶2000比例尺的標(biāo)準(zhǔn)分幅（50cm×50cm）對點云進行分塊處理。點云分塊后再進行DEM或者DSM的生產(chǎn)，將大大減少軟件同時處理的數(shù)據(jù)量，在海量點云數(shù)據(jù)的處理中是必不可少的。點云分塊轉(zhuǎn)換（如圖5所示）：

圖5 CoProcess分塊轉(zhuǎn)換

2.7 成果輸出

點云分塊后，使用分塊點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字高程模型DEM和數(shù)字表面模型DSM。根據(jù)項目成果要求，設(shè)置格網(wǎng)間距為0.5米，邊界外擴50米。為達到外擴50米要求，軟件會自動調(diào)用相鄰點云數(shù)據(jù)參與模型生成。模型生成后，檢查模型是否存在空洞和因噪點導(dǎo)致的不合理凹凸、DEM是否存在未濾除的建筑等，若存在此類問題應(yīng)使用CoProcess軟件進行高程修補、刪除、平滑、置平等編輯處理。DEM生成（如圖6所示）：

圖6 生成DEM

3.質(zhì)量控制

3.1 總體要求

首先，加強數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)督和控制，實行生產(chǎn)人員自查、質(zhì)檢人員抽查的總體原則，技術(shù)管理人員加強數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的技術(shù)指導(dǎo)和疑難解答，使生產(chǎn)人員對有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)知清晰準(zhǔn)確，提高效率，確保質(zhì)量。

其次，加強成果質(zhì)量控制，在生產(chǎn)人員自查的基礎(chǔ)上，質(zhì)檢人員進行二次檢查，對于檢查不合格的成果退回生產(chǎn)環(huán)節(jié)重新處理，直至所有成果檢查合格，保證提交的成果無質(zhì)量問題。

3.2 檢查內(nèi)容

3.2.1 點云質(zhì)量及覆蓋度檢查

結(jié)合本次河流治導(dǎo)線及外擴范圍，檢查解算后點云的覆蓋情況，如，是否存在局部漏洞、是否未涉及外擴范圍邊界等，確保點云的完整性。初步查看點云的密度、坐標(biāo)基準(zhǔn)和噪點情況，對于點云中出現(xiàn)的大量噪點情況，嘗試修改RiProcess中解算的相關(guān)參數(shù)來對點云進行改進。

3.2.2 點云分類成果檢查

通過目視檢查的方式，將點云數(shù)據(jù)通過類別或者高程渲染查看；重點檢查地面點類別分類是否正確，最有效的方法是將地面點類別生成可編輯模型，查看模型高程不連續(xù)處、凹凸不平處，借助繪制剖面圖進行分析判斷。當(dāng)檢查出分類錯誤的點時，使用手動分類的工具改變錯誤點的類別。

3.2.3 DEM、DSM模型檢查

查看DEM、DSM模型的空間參考信息、格網(wǎng)大小、分幅和模型外擴等是否符合項目要求；查看DEM、DSM模型是否存在不合理空洞和凹凸；查看DEM、DSM模型不同圖幅接邊處數(shù)據(jù)是否連續(xù)。

檢查DEM、DSM模型的高程精度，需在軟件中同時導(dǎo)入河流實測的高程檢查點坐標(biāo)和DEM、DSM模型做對比，軟件自動提取同名點高程信息，并輸出對比報告，可精確反映DEM、DSM模型的高程精度。

4.結(jié)束語

機載激光雷達新技術(shù)在本次生產(chǎn)中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢與發(fā)展前景，驗證了機載激光雷達新技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢，對今后的日常生產(chǎn)工作起到指導(dǎo)作用。其優(yōu)勢表現(xiàn)為：（1）獲取空間信息的速度快、效率高，作業(yè)安全；（2）獲取的數(shù)據(jù)精度較高；（3）機載激光雷達技術(shù)提供的信息較為豐富。

新技術(shù)的使用，讓我們感受到了作業(yè)的高效便捷，但是機載激光雷達技術(shù)也表現(xiàn)出一些不足的地方：機載激光雷達技術(shù)采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)真實性存疑，需要人工辨別；機載激光雷達技術(shù)比較復(fù)雜，專業(yè)性強，數(shù)據(jù)處理需要系統(tǒng)化的提高；機載激光雷達數(shù)據(jù)解算有限制，硬件產(chǎn)品依賴國外進口。

即使這樣，機載激光雷達新技術(shù)應(yīng)用前景在各行各業(yè)依然看好。特別是在測繪行業(yè)，機載激光雷達與其他設(shè)備的配合采集，大大提高了一次性獲取多源數(shù)據(jù)的能力，省時省力，數(shù)據(jù)精度符合生產(chǎn)需要，能滿足大比例尺地圖測繪、工程測量、變形監(jiān)測等不同測繪行業(yè)的各種需求。隨著智能化的發(fā)展，機載激光雷達新技術(shù)在國民生產(chǎn)中一定會發(fā)揮更大的作用。