機(jī)載LiDAR在林地面積調(diào)查中的工程應(yīng)用

李軼波，李文山

（1.山西華冶勘測工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030000）

土地資源是重要的生產(chǎn)資料，是人們賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，土地利用現(xiàn)狀和變化，不僅影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，而且還間接影響環(huán)境的變化[1-2]。因此，人們迫切期望能快速、客觀、準(zhǔn)確地監(jiān)測土地利用現(xiàn)狀，并及時(shí)掌握變化信息，以實(shí)現(xiàn)土地資源的科學(xué)管理[3]。由于地形、氣候和交通的影響和限制，傳統(tǒng)生態(tài)調(diào)查是非常艱辛的工作，不僅采集數(shù)據(jù)困難、獲取的結(jié)構(gòu)化信息十分有限，而且測量結(jié)果受人為主觀因素的影響較大。

對于林地面積調(diào)查，以往采用的是人工測量與遙感衛(wèi)星影像的方式。人工測量方式需耗費(fèi)大量人力和時(shí)間成本，存在效率低、精度低和更新周期冗長等問題；采用遙感衛(wèi)星影像計(jì)算林地面積的方式雖然節(jié)省了人力和時(shí)間成本，但普通衛(wèi)星影像的分辨率較低，實(shí)時(shí)性相對落后，一般單位獲取高分辨率衛(wèi)星影像較困難。三維激光掃描和無人機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，給林業(yè)測量工作提供了新的技術(shù)方法。機(jī)載激光雷達(dá)（Li-DAR）技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)獲取大范圍的地形與地表數(shù)據(jù)，大大降低了野外測量的工作量，極大地提高了數(shù)據(jù)獲取效率和精度以及林業(yè)資源調(diào)查的效率和準(zhǔn)確度[4-5]，特別是在人員難以到達(dá)的地區(qū)。利用獲取的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可分析林木覆蓋面積變化情況，林木類型、分布情況和生長階段概況等[6]。本文利用Li-DAR系統(tǒng)獲取某區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來調(diào)查該區(qū)域的林地面積以及分布情況。

1 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)以無人機(jī)為平臺(tái)，傳感器包括激光掃描儀（LS）、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和慣性測量單元（IMU）等。LS安裝在無人機(jī)的下端，用于向地面發(fā)射激光脈沖，并采集從發(fā)出到返回所用的時(shí)間、反射強(qiáng)度和掃描角度等信息[7-8]。通過GNSS測得的平臺(tái)坐標(biāo)和IMU獲得的無人機(jī)姿態(tài)信息，計(jì)算得到激光達(dá)到的地面與激光發(fā)出點(diǎn)的距離。GNSS和IMU用于確定無人機(jī)飛行時(shí)的位置和姿態(tài)，從而定義了距離測量值的原點(diǎn)，經(jīng)過坐標(biāo)變換，可精確獲得激光到達(dá)物體表面的三維坐標(biāo)信息。

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)搭載的LS具有多次回波特性，激光脈沖在穿越植被空隙時(shí)，可返回樹冠、樹枝、地面等多個(gè)回波數(shù)據(jù)，具有更強(qiáng)的穿透性[9]；同時(shí)，系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可達(dá)約10 cm的精度，數(shù)據(jù)精度較高；無人機(jī)載體相對于車輛載體，其作業(yè)更加靈活，通達(dá)性更好，能在車載不易采集和無法采集區(qū)域獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在林業(yè)精準(zhǔn)調(diào)查、電力線巡檢和海岸帶檢測等方面具有更強(qiáng)的適用性。

2 作業(yè)方案

在正式開展項(xiàng)目的全流程中，按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行工程過程控制與管理。

1）成立項(xiàng)目組。為保證工程項(xiàng)目生產(chǎn)的順利進(jìn)行，成立項(xiàng)目組，由組長全面協(xié)調(diào)內(nèi)外業(yè)人員的工作。

2）工作質(zhì)量控制。項(xiàng)目組成員嚴(yán)格按照質(zhì)量相關(guān)要求開展數(shù)據(jù)處理和資料整理工作，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理規(guī)范，做好資料的互檢與審核工作，成果資料必須經(jīng)過質(zhì)量審核方可交付。為達(dá)到質(zhì)量管理要求需做到：①切實(shí)重視成果質(zhì)量，對不合格的測量數(shù)據(jù)堅(jiān)決予以否定，推倒重來；②嚴(yán)格按照相關(guān)數(shù)據(jù)處理規(guī)范進(jìn)行作業(yè)，并嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，確保按時(shí)完成；③進(jìn)行工序管理控制，嚴(yán)格抓好各道工序間的過程控制，以保證每一階段數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

3）安全管理。嚴(yán)格按照安全管理體系要求進(jìn)行信息安全管理，所有測量資料數(shù)據(jù)及其存儲(chǔ)均按照要求嚴(yán)格控制。

4）生產(chǎn)計(jì)劃與接收準(zhǔn)則。按照計(jì)劃對數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，從數(shù)據(jù)預(yù)處理到后處理層層把關(guān)，數(shù)據(jù)提交質(zhì)檢小組進(jìn)行檢查。

整體工作方案分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算和數(shù)據(jù)處理與分析3個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 整體工作方案流程圖

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，測量前充分做好準(zhǔn)備工作，測量中實(shí)時(shí)關(guān)注測量數(shù)據(jù)的完整性，按照計(jì)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，確保獲取的數(shù)據(jù)完整有效。

1）檢核點(diǎn)測量。利用GNSS接收機(jī)鏈接千尋CORS，在測區(qū)內(nèi)采集一定數(shù)量的檢核點(diǎn)，用于后期成果的精度檢查。

2）基準(zhǔn)站架設(shè)。為保證POS系統(tǒng)的定位精度，航攝飛行前30 min，需在測區(qū)附近（距離小于30 km）建立GNSS基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站上架設(shè)高精度GNSS信號(hào)接收機(jī)，該接收機(jī)與無人機(jī)POS同步記錄?；鶞?zhǔn)站架設(shè)時(shí)嚴(yán)格對中整平，量取天線高，基準(zhǔn)站開機(jī)采集采樣間隔為1 Hz的靜態(tài)數(shù)據(jù)。后處理中利用PPK后處理差分技術(shù)解算得到無人機(jī)的精確位置。

3）儀器安裝。不用時(shí)儀器應(yīng)存放于常溫、干燥的環(huán)境中，保持機(jī)身清潔。長時(shí)間使用后，鏡頭上往往會(huì)沾有灰塵，需用專用鏡頭紙擦拭干凈。

儀器安裝過程中應(yīng)確保每一根連接線和每一個(gè)連接件都連接緊。檢查通電后的指示燈情況，確保儀器正常工作。若無人機(jī)長期不用或無人機(jī)飛行方向明顯不正確，則需進(jìn)行磁羅盤校準(zhǔn)。檢查通電后3個(gè)指示燈的情況（表1），3個(gè)燈常亮表示儀器正常工作。

表1 儀器燈狀態(tài)說明表

4）飛行航線規(guī)劃。航線設(shè)計(jì)可在測量實(shí)施前或現(xiàn)場進(jìn)行規(guī)劃，利用地面站軟件生成相應(yīng)測區(qū)的測線。

5）機(jī)載LiDAR掃描。由于IMU易受累計(jì)誤差的影響，因此正式開始測量前，需對IMU進(jìn)行初始化，以提高IMU的后處理精度。具體實(shí)施方法為：無人機(jī)繞“8”字飛行，觀察儀器的PDOP值，若PDOP值穩(wěn)定在1.5以下，說明初始化已完成，可開始測量。無人機(jī)按照行高50 m，飛行速度5 m/s，航線間隔60 m的規(guī)劃進(jìn)行作業(yè)。飛行過程中無人機(jī)飛行范圍超出規(guī)定范圍線50 m，以保證飛行數(shù)據(jù)的精度和數(shù)據(jù)的完整性。

6）過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。測量中可實(shí)時(shí)觀察INS數(shù)據(jù)和激光數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，INS存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量穩(wěn)定在0.01 MB/s，激光存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量控制在2.50 MB/s左右。

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算

利用Inertial Explorer軟件對無人機(jī)POS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)站獲得的GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，得到作業(yè)過程中無人機(jī)的準(zhǔn)確位置信息與姿態(tài)信息；再將導(dǎo)出的POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入ScanLookPC軟件，解算得到具有準(zhǔn)確姿態(tài)位置的點(diǎn)云。如圖2所示，經(jīng)過高程渲染的點(diǎn)云數(shù)據(jù)滿足后續(xù)作業(yè)處理要求。

圖2 機(jī)載LiDAR點(diǎn)云（高程渲染）

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的點(diǎn)云去噪

LiDAR點(diǎn)云是通過LiDAR掃描獲得的，以離散、不規(guī)則的方式分布在三維空間中的點(diǎn)的集合[10]。由于周圍環(huán)境或掃描儀本身特性，激光束在數(shù)據(jù)獲取過程中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生異常點(diǎn)，即噪聲點(diǎn)。常見的噪聲點(diǎn)主要包括高位粗差和低位粗差，高位粗差通常是由于數(shù)據(jù)采集過程中受鳥類等低飛飛行物的影響，誤將這些物體反射回來的信號(hào)當(dāng)作被測目標(biāo)的反射信號(hào)記錄下來所產(chǎn)生的；低位粗差則是由于測量過程中的多路徑誤差或掃描儀誤差產(chǎn)生的極低點(diǎn)，如由水漬導(dǎo)致的低于路面的點(diǎn)。如圖3所示，a區(qū)域的離散點(diǎn)為高位噪聲點(diǎn)，b區(qū)域的離散點(diǎn)為低位噪聲點(diǎn)。

圖3 噪聲示意圖

這兩類噪聲點(diǎn)以及路面上方的電力線等將影響后續(xù)處理，針對該問題，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程直方圖統(tǒng)計(jì)規(guī)律，將高低噪聲和路面上方的散亂點(diǎn)去除。首先將分段后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)垂直投影到XOY平面，根據(jù)式（1）和式（2）建立C列R行的規(guī)則格網(wǎng)，確定每個(gè)點(diǎn)的格網(wǎng)行列號(hào)；然后對每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行高程直方圖統(tǒng)計(jì)，繪制高程頻數(shù)分布直方圖，橫軸為高程值，縱軸為單組高程范圍的點(diǎn)數(shù)量；再根據(jù)地物點(diǎn)云的高程連續(xù)性和頻數(shù)差值特征，判斷高程閾值Z1、Z2，保留該格網(wǎng)內(nèi)高程值大于Z1且小于Z2的點(diǎn)；最后將高程較小或較大，且數(shù)量較少的異常點(diǎn)刪除，如高低位噪點(diǎn)，路面正上方的電力線點(diǎn)、交通標(biāo)志牌等。

式中，Xmax、Xmin、Ymax、Ymin分別為點(diǎn)云區(qū)域X、Y坐標(biāo)的最大值和最小值；GSD為格網(wǎng)分辨率。

式中，col、row為當(dāng)前點(diǎn)的格網(wǎng)列號(hào)和行號(hào)；X、Y為當(dāng)前點(diǎn)的平面坐標(biāo)值。

對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，得到的數(shù)據(jù)通過高程渲染如圖4所示。該數(shù)據(jù)為鄉(xiāng)村區(qū)域的點(diǎn)云，地形復(fù)雜、起伏較大；林地分布散亂，且高度不均，既有多年的喬木，又有栽種不久的小樹苗；同時(shí)存在低洼區(qū)域和房屋，以及零星的燈桿等。通過高程渲染，大部分樹木和燈桿等被渲染為紅色，道路和大棚區(qū)域被渲染為黃色，地面被渲染為綠色，低洼區(qū)域被渲染為藍(lán)色，因此可通過高程區(qū)分得到林地范圍。

圖4 去噪后的點(diǎn)云

3.2 地面點(diǎn)分離

為減少不必要的數(shù)據(jù)量，本文采用CSF[11]方法將地面點(diǎn)分離，選取陡坡模式，設(shè)置分辨率為0.5 m、距離閾值為0.3 m、迭代次數(shù)為500，去除地面點(diǎn)后的結(jié)果如圖5所示，可以看出，地面點(diǎn)被分離，樹木點(diǎn)云仍然保留，減少了數(shù)據(jù)量，便于后期處理。

圖5 分離地面點(diǎn)

3.3 林地面積計(jì)算對比

獲取非地面點(diǎn)云后，通過高程判斷，利用點(diǎn)云處理軟件在三維視圖中勾畫林地范圍，如圖6所示；再根據(jù)式（3），利用軟件自動(dòng)計(jì)算單個(gè)多邊形的面積，并將林地區(qū)域的多邊形面積累加，即可得到準(zhǔn)確的林地面積。

圖6 林地范圍示意圖

式中，S為多邊形面積；n為多邊形頂點(diǎn)數(shù)量；X、Y為頂點(diǎn)的坐標(biāo)；Xn+1=X1；Y n+1=Y1。

為驗(yàn)證該技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性，通過人工多次測量的手段取均值，統(tǒng)計(jì)不同區(qū)塊的林地面積記為S P，通過軟件在點(diǎn)云中多次計(jì)算取均值的林地面積記為S，并計(jì)算偏差P。測量結(jié)果以及對比數(shù)據(jù)如表2所示，可以看出，大部分區(qū)塊的點(diǎn)云測量面積大于人工測量，經(jīng)過計(jì)算，人工測量面積為9 001.15 m2，點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何計(jì)算的面積為9 665.67 m2，偏差平均值為6.11%，結(jié)果偏差符合要求，同時(shí)機(jī)載LiDAR系統(tǒng)獲取機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算林地面積的測量計(jì)算方法減少了人工作業(yè)難度，提高了效率。

表2 不同方式調(diào)查的林地面積對比

4 結(jié)語

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)是一種較為高效的新型測繪技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了測區(qū)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速采集，數(shù)據(jù)精度高、測區(qū)覆蓋全，對地貌地形具有三維實(shí)景還原能力。本文利用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)獲取某區(qū)域的機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算和后處理，根據(jù)高程判別林地范圍，利用點(diǎn)云處理軟件在三維視圖中確定林地范圍并計(jì)算林地面積。通過實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)證明了機(jī)載LiDAR技術(shù)在林地面積調(diào)查等領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢，是一種較為完善的解決方案。