機(jī)載LiDAR在山區(qū)1∶500地形圖測繪中的應(yīng)用

汪家意 王 君 田澤海

（廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

1∶500地形圖測繪是國土空間規(guī)劃的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，精度要求高，測圖時(shí)需要獲取地面精準(zhǔn)的高程信息。以往采用全野外數(shù)字化地形圖測繪，先進(jìn)行圖根控制測量，再利用全站儀在圖根控制點(diǎn)上擺站，施測所有可見的要素，內(nèi)業(yè)計(jì)算出碎步點(diǎn)并打印白紙圖到外業(yè)實(shí)地連線并進(jìn)行屬性調(diào)查，最后根據(jù)成圖要求基于成圖平臺(tái)進(jìn)行內(nèi)業(yè)成圖，外業(yè)工作量大、作業(yè)效率低、可達(dá)性不足。傾斜攝影數(shù)字化地形圖測繪是近幾年興起的一種作業(yè)方法，在地面進(jìn)行像控點(diǎn)測量，利用無人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)，再基于內(nèi)業(yè)處理軟件進(jìn)行空三加密與優(yōu)化、模型構(gòu)建、紋理映射、模型修飾與優(yōu)化等操作，相較于全野外數(shù)字化地形圖測繪的方法，外業(yè)工作量大幅度減少，作業(yè)效率顯著提升[1-2]，但成果精度易受天氣、光線等因素影響，同時(shí)無法應(yīng)用于采密集建筑、植被茂密等有遮擋的區(qū)域，因此難以應(yīng)用于山區(qū)大比例尺地形圖測繪。傾斜攝影測量與全野外數(shù)字化地形圖測繪都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，當(dāng)前主流的全野外數(shù)字化地形圖測繪方法是將兩種方法結(jié)合，在視野開闊的無遮擋區(qū)域，如施工地、路面、水系等區(qū)域使用傾斜攝影測量的方法作業(yè)，在植被遮擋嚴(yán)重和建筑密集區(qū)域使用全野外的方法作業(yè)。這種方法能夠減少外業(yè)工作量，應(yīng)對大部分的大比例尺地形圖測繪應(yīng)用場景[3-4]。但在山區(qū)大比例尺的地形圖測繪應(yīng)用場景下，整個(gè)區(qū)域的植被遮擋都較為嚴(yán)重，傾斜攝影僅能采集少量的要素，大部分工作量都需要全野外完成，嚴(yán)重影響工作效率。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展迅速，已初步應(yīng)用于測繪類項(xiàng)目生產(chǎn)實(shí)踐，為植被茂密、遮擋嚴(yán)重的山區(qū)大比例尺地形圖測繪提供了一種新的解決方案。本文利用機(jī)載LiDAR輔助山區(qū)大比例尺地形圖測繪生產(chǎn)，無須布設(shè)像控點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集效率高，能夠透過植被之間的縫隙穿透到地面，獲取到地面高程數(shù)據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

航線規(guī)劃與參數(shù)設(shè)置如圖1所示。

圖1 航線規(guī)劃及參數(shù)設(shè)置

測區(qū)面積約0.6 km2，屬于典型的廣州山區(qū)，植被茂密、地物復(fù)雜、高壓線路交錯(cuò)，地物以樹木為主。廣河高速橫穿測區(qū)，高差大約100 m，局部坡度在10°以上，地形類型包括平地、丘陵、山地，其中山地占比遠(yuǎn)大于其他地形類型，可將整個(gè)區(qū)域視作山區(qū)。項(xiàng)目使用華測BB4無人機(jī)搭載華測AU20激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 項(xiàng)目實(shí)施流程

項(xiàng)目的技術(shù)流程主要包括前期準(zhǔn)備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、機(jī)載LiDAR點(diǎn)云輔助測圖、生產(chǎn)1∶500地形圖。項(xiàng)目技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目技術(shù)流程

2.1 前期準(zhǔn)備

收集測區(qū)內(nèi)已有的地形資料并進(jìn)行現(xiàn)場踏勘、飛行計(jì)劃制訂等。航飛點(diǎn)云采集參數(shù)如表1所示。

表1 航飛點(diǎn)云采集參數(shù)

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

航線規(guī)劃與參數(shù)設(shè)計(jì)：保證獲取的數(shù)據(jù)涵蓋測區(qū)范圍，確定航飛采集的點(diǎn)云密度，即單位面積內(nèi)點(diǎn)云的平均采集量，保證點(diǎn)云密度符合1∶500地形圖技術(shù)要求。

控制測量與架設(shè)基站：用于數(shù)據(jù)解算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需要至少利用外業(yè)數(shù)據(jù)采集的4對均勻分布于測區(qū)內(nèi)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，將點(diǎn)云成果轉(zhuǎn)換至目標(biāo)坐標(biāo)系。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

利用LiDAR360、華測CoProcess等軟件對外業(yè)質(zhì)量檢查的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云軟件噪聲點(diǎn)濾除、航線重疊區(qū)處理、自動(dòng)分類、人工干預(yù)精細(xì)化分類提取地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。

2.4 機(jī)載LiDAR點(diǎn)云輔助測圖

利用經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行等高線測制、高程點(diǎn)采集以及遮擋區(qū)域輔助判斷。

2.4.1 軟件自動(dòng)生產(chǎn)等高線本文是將數(shù)據(jù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入eps軟件，利用軟件中的生成等高線功能生產(chǎn)等高線。

2.4.2 人工輔助修線與高程點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

自動(dòng)生成的等高線未切割路面、斜坡等區(qū)域，且存在大量尖銳角，美觀性欠佳。對于自動(dòng)生成的不平滑等高線，會(huì)產(chǎn)生大量的修線工作量，不利于項(xiàng)目的推進(jìn)以及高效率的生產(chǎn)要求。

本文采用兩種方法處理等高線折點(diǎn)多、尖銳角突出的問題。方法一是基于ArcGIS的平滑線操作，在導(dǎo)eps修線之前增加了一步預(yù)處理，本次預(yù)處理是在ArcGIS中操作，利用軟件中3DAnlyst工具的“平滑線”功能對等高線進(jìn)行平滑處理，平滑容差需要根據(jù)圖幅地勢的具體情況試驗(yàn)選取最佳值。方法二是基于eps的平滑線操作，直接使用eps的自帶平滑線功能，選擇合適的平滑參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)修線工作，平滑后還存在明顯尖銳角區(qū)域進(jìn)行人工手動(dòng)再修線的工作，手動(dòng)再修線區(qū)域可保留計(jì)曲線，首曲線通過修線后的計(jì)曲線內(nèi)插得到。

方法一修線成果相對更平滑，但方法二不需要多格式、多軟件來回轉(zhuǎn)換使用，本項(xiàng)目的最終成圖是基于eps平臺(tái)，經(jīng)過軟件與人工修線后的等高線成果平滑美觀、無尖銳角。

修線前、后對比如圖3所示。

圖3 修線前、后對比

2.4.3 結(jié)合三維模型

在eps中加載三維模型，利用分屏裸眼3D測圖，內(nèi)業(yè)采集其他要素。

2.4.4 外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)充屬性數(shù)據(jù)以及采集傾斜攝影和機(jī)載LiDAR

無法采集的要素，對于大面積缺失的區(qū)域使用全野外數(shù)字化的方式采集要素。

2.4.5 內(nèi)業(yè)成圖

利用eps平臺(tái)按照成圖標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)業(yè)成圖。

3 項(xiàng)目成果分析

3.1 地面點(diǎn)云密度分析

1∶500地形圖測量中對于地面點(diǎn)云密度還沒有相關(guān)要求，故參考使用《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》（CH/T 8024—2011）[5]中對1∶500內(nèi)插數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的點(diǎn)云密度要求。

測區(qū)面積為0.6 km2，實(shí)際航飛采集點(diǎn)云覆蓋面積0.9 km2，經(jīng)過分類后的地面點(diǎn)數(shù)量約3 000萬個(gè)，地面點(diǎn)平均點(diǎn)云密度約32 點(diǎn)/m2，符合《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》（CH/T 8024—2011）中要求的16 個(gè)/m2。水面等區(qū)域地面點(diǎn)數(shù)據(jù)空白，但計(jì)算地面點(diǎn)平均點(diǎn)云密度時(shí)將水面的面積計(jì)算在其中，實(shí)際地面點(diǎn)平均點(diǎn)云密度更大。

3.2 地面點(diǎn)精度分析

針對生產(chǎn)的地面點(diǎn)，利用全站儀、RTK實(shí)地外業(yè)采集了部分檢測點(diǎn)驗(yàn)證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的成果精度，按照同精度檢測統(tǒng)計(jì)最終的精度。

本次外業(yè)實(shí)地采集的108個(gè)檢測點(diǎn)全部分布在山區(qū)，地面基本都有植被覆蓋遮擋。實(shí)際的精度分析方法是利用已有的點(diǎn)云成果先預(yù)生成等高線，再將檢查點(diǎn)與同一等高線范圍內(nèi)的最近點(diǎn)云成果進(jìn)行對比，不選取與檢查點(diǎn)不在同一等高線內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。相較于直接與檢查點(diǎn)最近點(diǎn)云高程比較，本方法可進(jìn)一步降低檢測誤差，確保山區(qū)地面點(diǎn)云位置與檢查點(diǎn)之間未發(fā)生較大的高程變化。點(diǎn)云高程精度要求參考《城市測量規(guī)范》（CJJ/T 8—2011）[6]中山區(qū)1∶500地形圖等高線插求點(diǎn)的高程精度要求，即高程中誤差約等于33 cm。

山區(qū)的原始檢查點(diǎn)有108個(gè)，其中14個(gè)檢查點(diǎn)位于山區(qū)與路邊相連的斜坡頂?shù)碾p線溝渠底部。溝渠太窄且有茂密的草叢遮擋，點(diǎn)云無法穿透到水渠底部，統(tǒng)計(jì)時(shí)剔除了此類數(shù)據(jù)，因此最終參與統(tǒng)計(jì)的山區(qū)檢查點(diǎn)數(shù)量為94個(gè)。

本方法檢測得到點(diǎn)云的高程中誤差為12 cm，能夠滿足規(guī)范要求。

3.3 成圖精度分析

本項(xiàng)目的點(diǎn)云高程精度符合山區(qū)1∶500地形圖成圖要求，因此可以對地面點(diǎn)云成果進(jìn)一步處理成圖，成圖高程中誤差不得超過33 cm，特殊困難地方可以放寬50%。

本文利用外業(yè)采集的實(shí)測點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，與相應(yīng)位置等高線插求點(diǎn)進(jìn)行對比，統(tǒng)計(jì)分析了成圖精度，均采用同精度統(tǒng)計(jì)，中誤差按照33 cm進(jìn)行計(jì)算，檢測的粗差率、高程中誤差都滿足規(guī)范要求。成圖精度檢查如表2所示。

表2 成圖精度檢查

局部成果如圖4所示。

圖4 局部成果

4 結(jié)語

本研究的地面點(diǎn)云密度、高程中誤差都能滿足規(guī)范要求，最終的成圖高程中誤差為14 cm，不僅能夠滿足山地成圖要求，還能夠滿足建筑區(qū)和基本等高距為0.5 m平坦地區(qū)的成圖高程精度要求，為山區(qū)大比例尺地形圖測繪生產(chǎn)提供了一定的參考。但機(jī)載激光設(shè)備通常造價(jià)昂貴，一些小型測繪作業(yè)隊(duì)伍難以承擔(dān)如此高昂的成本支出，是機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)輔助測圖未來大規(guī)模應(yīng)用推廣的重點(diǎn)問題。