機(jī)載激光雷達(dá)在密林山區(qū)大比例尺測(cè)圖的應(yīng)用

[摘要]針對(duì)密林山區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪有效采集地表特征點(diǎn)的相關(guān)問題，提出了無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)通過點(diǎn)云采集、濾波技術(shù)獲取地表坐標(biāo)信息。基于機(jī)載激光雷達(dá)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)RTK測(cè)量采集的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：無人機(jī)機(jī)載雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)外業(yè)效率高、周期短、精度高，研究結(jié)果可應(yīng)用于密林山區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪。

[關(guān)鍵詞]密林山區(qū)；大比例尺地形圖測(cè)繪；機(jī)載激光雷達(dá)；點(diǎn)云

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來的一種新興航測(cè)技術(shù)，是繼攝影測(cè)量技術(shù)之后一場(chǎng)新的技術(shù)變革。該測(cè)繪系統(tǒng)集飛行平臺(tái)、GPS、IMU、相機(jī)、激光掃描儀于一體，屬于主動(dòng)測(cè)量手段[1]。通過對(duì)地發(fā)射激光脈沖記錄反射脈沖的時(shí)間間隔，進(jìn)而計(jì)算脈沖路徑距離，結(jié)合POS和IMU數(shù)據(jù)從而計(jì)算出大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息。在植被覆蓋密集山區(qū)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪，攝影測(cè)量方法受地表植被影響，無法采集植被遮擋下的地表數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的工測(cè)技術(shù)手段，周期長、效率低、人員安全和工程進(jìn)度無法得到有效保障。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備輕巧、安裝方便、不受天氣影響。激光脈沖能夠穿透植被，快速獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]，在高植被覆蓋區(qū)域的地形圖測(cè)繪中優(yōu)勢(shì)明顯。高植被覆蓋山區(qū)植被茂密，地形復(fù)雜，通過機(jī)載激光雷達(dá)掃描的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過濾波技術(shù)過濾植被和地表構(gòu)筑物等，進(jìn)而準(zhǔn)確獲取地表高程數(shù)據(jù)是關(guān)鍵所在。目前，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力巡檢、林業(yè)普查、地質(zhì)勘查、城市三維建模等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本文從機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)的原理、構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)等角度，以實(shí)際項(xiàng)目為背景，利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)高植被覆蓋山區(qū)大比例地形圖測(cè)繪的可行性進(jìn)行研究分析。

1.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)是一種新型的測(cè)量技術(shù)，通過發(fā)射激光脈沖，快速獲取大量地表的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[3]。激光雷達(dá)向被測(cè)物體發(fā)射激光束，通過比較處理發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)，然后獲得目標(biāo)物的形狀、位置、速度、姿態(tài)等參數(shù)。該系統(tǒng)通過非接觸式測(cè)量，受天氣影響小，可以24小時(shí)全天候作業(yè)，能夠在不同高度獲取大范圍高密度點(diǎn)云。因此，在超大面積區(qū)域和在人員無法到達(dá)的復(fù)雜地形以及受植被遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1.1機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)原理

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)由飛行平臺(tái)、GPS、IMU、相機(jī)、激光掃描儀組成。激光雷達(dá)由激光發(fā)射器，反射激光接收器，數(shù)據(jù)處理端組成[4]。激光具有直線發(fā)射，不易散射，能夠穿透植被，不受天氣影響等特點(diǎn)。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是基于激光的這些特性而研發(fā)。在測(cè)量過程中，由激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖，激光接收器接收反射回來的激光脈沖，根據(jù)記錄的激光束往返發(fā)射器和接收器之間的時(shí)間間隔T，和激光束在空氣中的傳播速度V，計(jì)算得到激光發(fā)射器距離被測(cè)物體的距離S，S=（T×V）/2[5]。結(jié)合慣性傳感器IMU測(cè)量的角元素（λψω）和GPS測(cè)量激光發(fā)射器的線元素（XYZ），可以精確地計(jì)算得到被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)。將海量的被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)值離散的展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)處理器上便形成了激光點(diǎn)云。

1.2機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2.1機(jī)載激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)

1）具有極高的精確度、較高的靈活性及安全性。

2）理論上可以24小時(shí)全天候作業(yè)，對(duì)天氣條件依賴較小，傳統(tǒng)無人機(jī)攝影測(cè)量對(duì)風(fēng)速、太陽高度角、日照光線依賴性較強(qiáng)，需要良好的天氣條件。

3）在外業(yè)作業(yè)過程中不需要采集控制點(diǎn)，通過激光掃描可以在很短的時(shí)間內(nèi)獲取大區(qū)域地表數(shù)據(jù)信息，與傳統(tǒng)的測(cè)量手段相比，極大地減少了外業(yè)的工作量，縮短了工作周期，提高了工作效率[6]。

4）在高密度植被覆蓋區(qū)域傳統(tǒng)無人機(jī)攝影測(cè)量無法穿透植被，需要配合RTK、全站儀進(jìn)行實(shí)地補(bǔ)測(cè)和調(diào)繪或者采用量取植被高預(yù)估地表高程的方法，而機(jī)載激光雷達(dá)可以穿透植被，通過濾波可以獲取地表高程數(shù)據(jù)。

5）在進(jìn)行帶狀地形圖測(cè)繪或者電力巡檢、大比例尺地形圖生產(chǎn)方面，機(jī)載激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)無人機(jī)攝影測(cè)量無法比擬的。

6）在地形復(fù)雜危險(xiǎn)區(qū)域，利用激光雷達(dá)非接觸式掃描可以使作業(yè)安全得到有效保障。比如在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)、毒氣排放等危險(xiǎn)區(qū)域測(cè)繪作業(yè)。

7）隨著激光雷達(dá)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，點(diǎn)云采集密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測(cè)繪，測(cè)點(diǎn)的密度和精度都比較均勻。

1.2.2機(jī)載激光雷達(dá)的缺點(diǎn)

1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)量龐大，對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備的性能要求較強(qiáng)。

2）高精度的機(jī)載激光雷達(dá)相對(duì)于最新涌起的大疆無人機(jī)攝影測(cè)量設(shè)備來說價(jià)格昂貴，價(jià)格制約著機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的普及。

3）機(jī)載激光雷達(dá)內(nèi)業(yè)處理方面自動(dòng)化程度較低，對(duì)作業(yè)人員的操作水平要求較高。機(jī)載激光雷達(dá)在航跡解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類、點(diǎn)云濾波自動(dòng)化處理等方面仍有較大的提升空間。

4）目前無人機(jī)電池技術(shù)并沒有獲得質(zhì)的突破，導(dǎo)致無人機(jī)滯空時(shí)間比較短，可以連續(xù)測(cè)量作業(yè)的范圍不夠大。

5）在大比例地形圖測(cè)繪方面，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不一定落在溝坎等特征線上，仍需要搭配相機(jī)采集的航攝影像來補(bǔ)充采集特征點(diǎn)數(shù)據(jù)。在大比例測(cè)圖領(lǐng)域機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)仍受天氣條件的制約。

1.3機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)的應(yīng)用

1）通過航跡解算、點(diǎn)云分類濾波等處理可以生成DSM、DEM、DOM、DTM等，這些數(shù)據(jù)均可以直接運(yùn)用于各類大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用[7]。

2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合航攝相片可以制作生產(chǎn)城市三維模型，在智慧城市、數(shù)字城市方面應(yīng)用廣泛。

3）在土建施工方面，可以快速獲取地表高程數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM，極大地方便了土石方量計(jì)算。

4）在森林調(diào)查方面，可以定期監(jiān)測(cè)森林資源的覆蓋范圍、樹木的生長狀況、植被覆蓋率等，方便進(jìn)行林業(yè)資源管理。

2.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)在1∶500地形圖中的應(yīng)用及精度分析

2.1項(xiàng)目區(qū)概況

本文主要以實(shí)例項(xiàng)目證明在高植被覆蓋山區(qū)利用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，獲取的地表高程點(diǎn)的數(shù)量及精度能滿足1∶500比例尺地形圖測(cè)繪的要求。根據(jù)工程的需要，對(duì)山西省忻州市代縣新高鄉(xiāng)趙村進(jìn)行1∶500地形圖測(cè)繪。其地理坐標(biāo)為東經(jīng)112.913788°～112.944885°，測(cè)區(qū)東西長2.4km，南北長0.5km，測(cè)區(qū)面積1.714km2。趙村村與董家寨村、張村村、周流村、謝家寨村等村相鄰。測(cè)區(qū)植被茂盛，以灌木叢、酸刺、樹木為主。地貌特征主要為山地。測(cè)區(qū)最高海拔為1071m，最低海拔為868m。最大高差約為200m。實(shí)地地形復(fù)雜，采用傳統(tǒng)工測(cè)手段外業(yè)工作量大，難度系數(shù)高，且人員及設(shè)備的安全無法得到有效保障。無人機(jī)航空攝影測(cè)量由于無法穿透植被[8]，無法有效采集地表高程，如果配合傳統(tǒng)工測(cè)方法進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)，外業(yè)工作量很大。為了完成工作任務(wù)，本次采用飛馬D2000無人機(jī)，搭載D2000機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)。

2.2數(shù)據(jù)采集

①儀器設(shè)備安裝與調(diào)試。飛馬D2000無人機(jī)、機(jī)載激光雷達(dá)、計(jì)算機(jī)等地面監(jiān)控站。

②起降點(diǎn)選擇及航線規(guī)劃。為了有效監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行狀態(tài)及節(jié)省電源消耗，并且考慮飛機(jī)起降的安全應(yīng)實(shí)地選擇合理的起降點(diǎn)。航高設(shè)置為130m，航速13.5m/s，航線間距92m，航帶重疊度50%。飛行總里程26.936km，飛行時(shí)間為36分鐘。

③數(shù)據(jù)采集。本次共采集數(shù)據(jù)量21G，點(diǎn)云數(shù)量3.6億。

④數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。用無人機(jī)飛行管家鏈接無人機(jī)導(dǎo)出POS數(shù)據(jù)，包括GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)。有地面基準(zhǔn)站的還需導(dǎo)出地面基準(zhǔn)站坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

⑤航跡解算。將POS數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)等導(dǎo)入無人機(jī)管家智激光聯(lián)合平差進(jìn)行航跡解算[9]。航跡解算結(jié)果如圖2所示。

⑥點(diǎn)云解算。航跡數(shù)據(jù)、飛機(jī)姿態(tài)旋偏角數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)S、激光掃描角度數(shù)據(jù)導(dǎo)入智激光軟件進(jìn)行融合解算，可以計(jì)算得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的CGCS坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)（XYZ）。在同一空間參考系下海量測(cè)點(diǎn)的集合即為點(diǎn)云。常見的點(diǎn)云格式為Las格式[10]。附色之后的點(diǎn)云解算結(jié)果如圖3所示。

⑦激光濾波和點(diǎn)云分類。將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程異常突變點(diǎn)、噪聲等異常值進(jìn)行剔除處理，并將地面點(diǎn)數(shù)據(jù)和非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，其中包括建筑物、植被、地面點(diǎn)數(shù)據(jù)?？梢岳弥羌す廛浖?duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面檢查。

⑧利用分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM、DSM、DLG。同時(shí)可以結(jié)合航攝相片生成DOM。測(cè)區(qū)1∶500DLG數(shù)據(jù)如圖4所示。

2.3精度檢核

經(jīng)過點(diǎn)云過濾與分類處理后，獲取地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)1.72G，共2916萬個(gè)點(diǎn)。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中抽取22個(gè)點(diǎn)進(jìn)行外業(yè)精度檢核。抽取原則應(yīng)顧及激光雷達(dá)的植被穿透能力測(cè)驗(yàn)。同時(shí)為了檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在地形高程變化突變處不應(yīng)選點(diǎn)。外業(yè)采用南方銀河1PlusRTK分別采集平地、山地、建筑區(qū)、植被高密度區(qū)、植被稀疏區(qū)、巖石裸露地表等不同地形類型的高程，檢核點(diǎn)均勻分布整個(gè)測(cè)區(qū)。將RTK實(shí)時(shí)差分采集的高程與相應(yīng)的點(diǎn)云高程進(jìn)行對(duì)比分析[11]，分析結(jié)果見表1。

外業(yè)檢核結(jié)果對(duì)比分析表明：22個(gè)檢核點(diǎn)的最大高程誤差為0.052m，測(cè)區(qū)整體平均高程誤差小于0.1cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0025m，說明測(cè)量數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值的程度比較小，測(cè)量精度比較高，數(shù)據(jù)誤差非常穩(wěn)定。經(jīng)22個(gè)檢核點(diǎn)的高程計(jì)算得到點(diǎn)位高程中誤差為0.03m。數(shù)據(jù)表明隨著機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代激光雷達(dá)設(shè)備已經(jīng)能夠達(dá)到很高的精度水平。

激光實(shí)際并不能直接穿透植被的枝葉，而是激光脈沖能夠穿過枝葉的縫隙并能反射回波，從而獲取地表DEM的數(shù)據(jù)信息。激光脈沖透過樹冠達(dá)到地面的單位面積的點(diǎn)云密度也是驗(yàn)證機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備能否高質(zhì)量完成大比例尺地形圖測(cè)繪的重要指標(biāo)。目前雷達(dá)技術(shù)突飛猛進(jìn)，在疏林區(qū)、地表裸露區(qū)激光雷達(dá)掃描均能夠達(dá)到很高的點(diǎn)云密度水平。本次基于密林區(qū)域提取地表點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)計(jì)算密林區(qū)域的點(diǎn)云密度。測(cè)區(qū)共隨機(jī)圈分了3個(gè)密林區(qū)域，點(diǎn)云密度提取結(jié)果見表2。

由上表可知密林區(qū)地表點(diǎn)云密度單位面積內(nèi)能達(dá)到2個(gè)以上的水平。實(shí)驗(yàn)表明應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在高程精度上及地表點(diǎn)云密度上均能夠滿足丘陵地區(qū)1∶500地形圖測(cè)圖的精度要求。

3.結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)區(qū)按照1∶500地形圖測(cè)量規(guī)范的技術(shù)要求，以飛馬D2000機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備為測(cè)量平臺(tái)，通過獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云高程精度和密度的分析試驗(yàn)。結(jié)果表明，無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)軟件處理后，無論是高程精度還是點(diǎn)云密度均能夠達(dá)到很高的水平，無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能夠滿足丘陵地區(qū)大比例尺地形圖測(cè)圖的精度要求。隨著軟件技術(shù)、硬件平臺(tái)的多樣化發(fā)展，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)未來仍會(huì)有很大的發(fā)展?jié)摿?。未來在工程測(cè)量、林業(yè)管理、智慧城市建設(shè)、國土資源監(jiān)察等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。

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