機載激光雷達在山區(qū)地形圖測繪中的應(yīng)用研究

司大剛，任智龍，柴生亮

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，蘭州 730021）

我國公路建設(shè)飛速發(fā)展，公路的勘察與設(shè)計的任務(wù)逐年增加，而道路勘測周期短、地形復(fù)雜，勘測難度大;傳統(tǒng)測量技術(shù)手段在公路勘測中效率不高等問題日益凸顯;如何快速高效獲取高精度、海量信息的地形數(shù)據(jù)成為制約道路勘察設(shè)計亟需解決的問題，而機載激光雷達掃描測量技術(shù)的應(yīng)用較好地解決了這一難題。

本文結(jié)合廣西高速公路勘測工程實例，以機載激光雷達技術(shù)帶狀地形圖測繪試飛項目為研究背景，對道路勘察測繪地形圖建立數(shù)字地面模型及進行相關(guān)數(shù)學(xué)精度分析研究，實踐了機載LiDAR 在道路勘測中的應(yīng)用的可行性。

1 機載激光雷達系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及其誤差來源

機載激光雷達技術(shù)源自20世紀(jì)60—70年代激光測距之后逐漸發(fā)展起來的一種新型主動式航空遙感對地觀測技術(shù)，該技術(shù)具有極高的角度、距離和速度分辨率，能獲得被照射目標(biāo)的多種空間數(shù)據(jù)信息，因其獲取數(shù)據(jù)速度快、受天氣影響小和數(shù)據(jù)高程精度高等優(yōu)點，使其在當(dāng)代航空測量技術(shù)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

機載LiDAR（Light Laser Detection and Ranging），又稱機載雷達（如圖1所示），是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，集成了現(xiàn)代激光掃描技術(shù)（laser andscanning subsystem）、計算機技術(shù)、高動態(tài)載體姿態(tài)測量技術(shù)（inertial measureunit，IMU）和高精度動態(tài)GPS 差分定位技術(shù)于一體的空間測量系統(tǒng)。其中慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心組成部分。系統(tǒng)的高度集成使得集中被照射目標(biāo)的光斑足跡位置信息能夠準(zhǔn)確可靠地得到，可以提供比其他諸如航空攝影等測量手段更為詳細的地理模型。當(dāng)然，系統(tǒng)的集成使得系統(tǒng)必將受到激光測距、姿態(tài)測量和GPS 定位的精度影響。

圖1 機載激光雷達系統(tǒng)組成略圖

機載激光雷達測量的誤差按其產(chǎn)生的來源可分為以下4 類：①GPS 定位誤差；②激光掃描測距誤差；③測角誤差；④系統(tǒng)集成綜合誤差。GPS 動態(tài)定位誤差是目前影響機載激光雷達測量精度的最主要誤差源之一，一般為厘米級到分米級。

2 機載LiDAR 測圖實驗

2.1 實驗區(qū)概況

本項目測區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)北部資源縣梅溪鎮(zhèn)。受地形地勢的影響，山地立體氣候特征明顯，雨量充沛，年降雨量區(qū)域分布呈現(xiàn)出自北向南逐漸增加的趨勢，降雨量一般在1 431～2 507 mm，春、夏兩季多雨，尤其是5—6月份降雨量最多，占年降雨量的35%。路線所處區(qū)域?qū)偕綆X區(qū)地貌，區(qū)域內(nèi)主要山脈長達40 km 以上，以中山或低中山地形為主，地表植被茂密，沿線山高谷深，交通較為困難，給外業(yè)測量帶來諸多不便。

2.2 項目實施關(guān)鍵技術(shù)

一般來講機載激光雷達作業(yè)過程涉及飛行準(zhǔn)備、航飛實時數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用等關(guān)鍵部分。另外機載激光雷達數(shù)據(jù)量龐大，高效的數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)也至關(guān)重要。

（1）航線設(shè)計

本項目中，高速公路里程約515 km，考慮測區(qū)輪廓線狀分布特點及機場起降線影響，為了提高飛行效率，把整個項目分4 個分區(qū)設(shè)計，并且確保首末2 條航線包含攝區(qū)邊界且實際覆蓋不少于像幅的50%，至少有2 條基線超出航向邊界線。由于本項目地形起伏較大，屬于山地，根據(jù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及精度要求，航攝按平均點云密度不小于1.4 點/m2，點間距0.8 m，點云旁向重疊度不小于20%，影像航向重疊度不小于60%設(shè)計。攝區(qū)共敷設(shè)30 條航線，預(yù)計獲取數(shù)碼影像2 742張，航線總長度720 km，如圖2所示。

圖2 測區(qū)航線敷設(shè)示意圖

2.2.2 檢校場設(shè)計

為了消除儀器本身由安裝、運輸和振動所帶來的相對位置的偏移，主要是IMU 記錄的角度值和激光點的角度值有一定的系統(tǒng)誤差。在飛行任務(wù)開始前或者飛行任務(wù)結(jié)束后，需要對整個激光設(shè)備進行本地檢校。在測區(qū)中峰鄉(xiāng)選擇了檢校場，選擇十字相交（接近90°）的2 條長2 km 以上的路面平坦的寬闊公路；攝區(qū)相對平坦，并且包含平坦裸露地形，有明顯的凸出地物，有尖頂房屋，屋頂朝向各方向都有；存在明顯地物點（如道路拐角點等）與基站的距離宜在10 km 范圍內(nèi)；飛行安全性；相對航高1 300 m。檢校場選擇滿足選擇原則。檢校場共設(shè)計6 條航線：AB、BA、CD、EF、FE 和GH。其中，AB 垂直于EF，CD 平行于AB，旁向重疊度為60%，GH 平行于EF，旁向重疊度為60%，BA 為AB 的對飛航線，F(xiàn)E 為EF 的對飛航向。

2.2.3 GPS 基站設(shè)置

本次項目控制測量采用標(biāo)稱精度為5 mm+1 ppm的徠卡1 230/530 雙頻GPS 接收機，其中天線安置采用對中精度不大于1 mm 的光學(xué)對中器和三腳架。在外業(yè)測量作業(yè)前必須對GPS 接收機及光學(xué)對中器等進行檢驗和校正。沿線路以每30 km 為半徑布設(shè)國家三等GPS 控制點（高程為大地高）作為LiDAR 航飛時的地面基站，全線需布設(shè)3 個控制點。

2.2.4 飛行操作與數(shù)據(jù)采集

為測區(qū)飛行作業(yè)的方便，機場選擇應(yīng)以綜合考慮飛行保障條件、空中管制力度和攝區(qū)飛行距離等因素的同時顧及目前國內(nèi)航攝飛機狀況、租機費用和飛行安全等條件。通過比較分析，本項目確定使用衡陽航校的運-五飛機及桂林兩江機場，在規(guī)定的航攝期限內(nèi)，選擇地表植被較少，其他覆蓋物對成像影響較小，云霧少、大氣透明度高，無揚塵（沙），光照充足的季節(jié)進行攝影。

2.2.5 數(shù)據(jù)處理

本項目主要利用Leica 公司設(shè)備配套軟件和TerraSolid 軟件對機載LiDAR 數(shù)據(jù)進行激光雷達數(shù)據(jù)處理。包括在IPAS 軟件中對所獲取GPS 及IMU 數(shù)據(jù)進行綜合處理，利用ALS Post Processor 解算原始記錄數(shù)據(jù)，利用FramePro 確定影像的初始外方位元素；在Terrasolid 軟件中進行數(shù)據(jù)處理，在Terra Scan 模塊中進行點云濾波分類，在Terra Modeler 模塊中制作數(shù)字地面模型和數(shù)字高程模型，在Terra Photo 模塊制作數(shù)字正射影像圖。

3 精度分析

3.1 誤差統(tǒng)計

本次實驗結(jié)果的數(shù)學(xué)精度采用外業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測的方法進行，其中高程精度檢查采用GPS-RTK 和含四等水準(zhǔn)成果的控制網(wǎng)數(shù)據(jù)對比數(shù)字地模高程精度的方法進行檢測。

通過精度統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)（如圖3所示），激光點云高程和外業(yè)實測高程的誤差在-0.5～0 m 之間占比約36%，在0～0.5 m 之間占比約43%，在0.5 ～1 m 之間占比約17%。激光點云高程和外業(yè)實測高程的誤差絕大部分分布在0.5 m 以內(nèi)，占比為79%。而誤差1 m 以內(nèi)則占比為96%。

圖3 高差分布圖

3.2 地形等級和植被覆蓋疏密程度的影響分析

3.2.1 誤差與地形等級的關(guān)系統(tǒng)計分析

根據(jù)誤差與地形關(guān)系數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對比分析地形和誤差之間的關(guān)系，將誤差與地形之間的關(guān)系按照平地、丘陵和山地3 個類別進行統(tǒng)計。

從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，誤差0.4 m 以內(nèi)山地和平地的數(shù)量相當(dāng)；誤差0.4 m 以外，山地數(shù)量明顯上升，而平地數(shù)量增加較少，分布曲線如圖4所示。

圖4 誤差與地形關(guān)系曲線

究其原因，平地上，由于地形起伏不大，其高程變化較小，即使利用穿過茂密植被的極少數(shù)的點構(gòu)建地膜，與實地的高程差值也會較??；而山地，由于高程變化較大，需要較多點參與構(gòu)建地膜，才能與實地地形較好地吻合，如果植被較多導(dǎo)致到達地面的激光點數(shù)據(jù)很少，則很難擬合出真實的地表，從而導(dǎo)致擬合高程與實地高程差值較大。

從而得出結(jié)論：在植被覆蓋密集的區(qū)域，激光點云在平地的平均精度要高于激光點云在山地的精度。

3.2.2 誤差與地貌的關(guān)系統(tǒng)計分析

根據(jù)誤差與地貌關(guān)系數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對比分析地貌和誤差之間的關(guān)系，此次地貌類型按照裸露地、莊稼地、稀灌、稀樹、樹林、密灌和密林為類別進行誤差統(tǒng)計。從統(tǒng)計表結(jié)果可以看出，大部分裸露地表的激光高程與外業(yè)實測高程之差在0.2 m 以內(nèi)，占比63.6%，而誤差0.4 m 以內(nèi)則占比90.9%；莊稼地的誤差大部分集中在0.1 m 以內(nèi)，占比75%，如果將誤差設(shè)置為0.4 m，則占比為87.5%；稀灌地區(qū)的誤差也主要集中在0.4 m 以內(nèi)，占比81.8%；而樹林里面60%點精度在0.3 m 以內(nèi)，而密灌則44.4%的點精度在0.4 以內(nèi)，48.1%的點精度集中在0.4～1 m 之間；7.4%的點精度在1 m 以上，分布曲線如圖5所示。

圖5 誤差與地貌關(guān)系曲線

從而得出結(jié)論：地表植被越稀疏，激光點越容易到達地面，其精度越高。

3.2.3 誤差與地表覆蓋物激光穿透難度系數(shù)的關(guān)系

為了確認(rèn)誤差大小與激光穿透難度的關(guān)系，根據(jù)地表植被的覆蓋程度，將難度分為5 等。分別為：非常容易、容易、困難、非常困難和幾乎不可能。

對于激光非常容易穿透到達地面的區(qū)域，其精度在0.3 m 以內(nèi)部分，達到了87%，而對于容易穿透的區(qū)域，其精度在0.4 m 以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比也達到了55%。而困難地區(qū)，更是達到了73%，這說明稍微多一點植被，只要沒有成片，達到“密不透風(fēng)”，對點云精度的影響是有限的。而對于非常困難的區(qū)域，精度0.4 m 內(nèi)的點只占到45%，而0.4～1 m 精度范圍內(nèi)的點占比達到41%，分布曲線如圖6所示。

圖6 誤差與地表覆蓋物激光穿透難度系數(shù)的關(guān)系

結(jié)論：激光點云的精度和地表植被的易穿透程度有密切關(guān)系，在容易穿透的區(qū)域，由于到達地面的激光點多，其擬合的DEM 精度就高；相反，在難以穿透的區(qū)域，由于到達地面的激光點少，其擬合的DEM 精度低。

3.2.4 誤差與陡坎的關(guān)系

從誤差與地形、地貌、植被覆蓋程度關(guān)系曲線可以看出有5 個點，其點位均位于平地上，且地物也大多為稀灌和裸露地，激光穿透也非常容易，可其精度均比較大，甚至達到0.6 m 多。

由于激光點云數(shù)據(jù)的點與點之間有一定的間距，很難剛好在陡坎邊或者坡腳線上有點，如果激光點云和真實地表的關(guān)系如“激光點云地面和真實關(guān)系示意圖——陡坎”圖7所示，這時，中樁位置剛好在坡腳線A 點或陡坎最邊緣B 點，則會導(dǎo)致兩者之間的高程差異最大。

圖7中的點表示激光點云數(shù)據(jù)；ab、cd 連線表示點云數(shù)據(jù)構(gòu)建的地膜；各點連線表示地面；BE、AF 連線表示真實地表和激光點云數(shù)據(jù)構(gòu)建的地表之差。

圖7 激光點云地面和真實地表關(guān)系示意圖——陡坎

總結(jié)規(guī)律如以下2 點：

（1）點云密度越大，則激光點越接近A 點和B 點，則兩者之間的差值就會越小；

（2）在坡腳A 處，地表高程會低于激光高程；而在B 點處，地表高程會高于激光高程。

總結(jié)得出具體的解決辦法如下：

（1）提高點云密度，使其高差在容許限差范圍內(nèi)；

（2）通過同步影像，采集特征線，利用特征線參與構(gòu)建地膜，提高地膜精度，使兩者之差滿足限差要求。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合工程實例闡述機載LiDAR 技術(shù)用于道路勘測設(shè)計快速獲取數(shù)據(jù)，在地形條件復(fù)雜的山區(qū)或植被茂密、覆蓋范圍較多的工程作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)，利用機載LiDAR 可以快速高效獲得高精度的數(shù)字高程模型，并能提取到多種勘測成果，這對于縮短公路勘測周期和減少工程勘測難度，有很大的現(xiàn)實意義。