機(jī)載激光雷達(dá)在房地一體地形測繪中的應(yīng)用

胡開桂

（廣西壯族自治區(qū)國土測繪院，廣西 南寧）

1 技術(shù)背景

激光雷達(dá)（LiDAR）測量技術(shù)是集成了激光測距系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）三種技術(shù)于一身，獲取高時空分辨率的地球空間信息的一種全新技術(shù)手段。是一種利用激光反射和時延分析建立精確地表模型的精密地形測量技術(shù)，主要依賴光探測和測距來測量高程數(shù)據(jù)，根據(jù)激光脈沖和反射測量以確定高度。激光雷達(dá)測繪采用激光發(fā)射和探測技術(shù)、掃描和控制力學(xué)、全球定位系統(tǒng)和慣性測量單元（IMU），計算目標(biāo)反射面的精確XYZ 坐標(biāo)，具有垂直精度高、數(shù)據(jù)效率高等優(yōu)點。激光雷達(dá)按照搭載平臺的不同，分為機(jī)載模式，車載模式，背包模式。

2 技術(shù)路線

基于無人機(jī)LiDAR 測量系統(tǒng)的地形測量主要作業(yè)流程包括項目踏勘、項目設(shè)計、無人機(jī)航線布設(shè)、實地外業(yè)航測實施（LiDAR 數(shù)據(jù)采集和影像獲?。⒌孛婵刂茰y量實施、內(nèi)業(yè)POS 解算、空三數(shù)字加密解算、點云數(shù)據(jù)處理、影像數(shù)據(jù)處理、數(shù)字高程模型DEM生產(chǎn)和正射影像DOM生產(chǎn)、地形地物要素采集、地形圖等高線數(shù)據(jù)繪制、地形圖整飾及精度檢查等，其流程見圖1。

圖1 作業(yè)流程圖

3 作業(yè)應(yīng)用

以廣西壯族自治區(qū)梧州市岑溪市城諫鎮(zhèn)大新村房地一體項目為例。

3.1 實地現(xiàn)場踏勘

現(xiàn)場踏勘作業(yè)，需要結(jié)合實驗區(qū)域具體的實際情況，查清測區(qū)內(nèi)部的通信塔、高壓塔以及高大建筑物，并進(jìn)行綜合考慮，采取有效措施合理規(guī)避其對飛行和數(shù)據(jù)獲取的干擾問題，保障飛行作業(yè)的安全和數(shù)據(jù)獲取的順利進(jìn)行。在開展實際生產(chǎn)施工操作的前期階段，需要從改項目去的房地一體測量范圍入手，對測區(qū)的地形地貌資料及當(dāng)?shù)赜跋褓Y料收集分析，確定無人機(jī)的飛行范圍并計算航飛高度等，促進(jìn)實地現(xiàn)場踏勘作業(yè)的順利實施。

在開展現(xiàn)場踏勘作業(yè)時，應(yīng)與當(dāng)?shù)貐^(qū)域的相關(guān)主管部門保持聯(lián)系，在當(dāng)?shù)毓膊块T的幫助下，確?，F(xiàn)場勘探人員能夠與相關(guān)行政主管單位進(jìn)行協(xié)調(diào)，確?，F(xiàn)場踏勘工作能夠順利實施。在現(xiàn)場踏勘作業(yè)的實施階段，應(yīng)提前掌握無人機(jī)的飛行范圍以及確定航飛路線，為測區(qū)項目制定明確的作業(yè)任務(wù)，確保無人飛機(jī)起降點篩選合理和保證GNSS基站建設(shè)得到落實。在無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的運行過程中，保障測繪作業(yè)的安全性。

3.2 點云數(shù)據(jù)獲取

首先，需要結(jié)合現(xiàn)場條件，保障區(qū)域篩選的合理性，基站架設(shè)作業(yè)的實施階段，為其提供充足的基礎(chǔ)支持。同時，應(yīng)加大對基站架設(shè)作業(yè)的控制力度，保障架設(shè)半徑設(shè)置的科學(xué)性，使其能夠保持在5 km左右。衛(wèi)星觀測角度設(shè)置應(yīng)控制在15°左右，且觀測衛(wèi)星的總量，大于18 顆以上。通過對基站采樣率分析，可得最佳采樣率應(yīng)保持在5 Hz左右。當(dāng)信號發(fā)射塔遠(yuǎn)離基站時，應(yīng)將兩者之間的距離控制在200 m 以上，且高壓線應(yīng)控制在50 m以外。待基站架設(shè)作業(yè)完成后，需要采用2 次測定形式，采用間斷測定的方法，及時獲取與基站大地相關(guān)坐標(biāo)信息，通過計算平均值，在基站點的設(shè)置過程中，將其作為基礎(chǔ)坐標(biāo)。

其次，在數(shù)據(jù)采集作業(yè)的實施過程中，待飛行參數(shù)設(shè)置作業(yè)完成后，應(yīng)合理應(yīng)用手持軟件，獲得更加完善的數(shù)據(jù)采集信息。通過分析設(shè)備的性能參數(shù)，在綜合考慮的基礎(chǔ)上，從實驗區(qū)域出發(fā)，加大對激光線速度的控制力度。在一般情況下，應(yīng)將其設(shè)置為120 線/s，且激光點的頻率應(yīng)保持在550 kHz左右，將最大測距標(biāo)準(zhǔn)控制在300 m 左右。對于起始角的角度來說，應(yīng)將其設(shè)置為106°，而中直角則需要保持在254°左右。在開展數(shù)據(jù)采集作業(yè)的過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照前期階段的航線規(guī)劃要求，將數(shù)據(jù)采集做的時間控制在20 min 左右，順利完成試驗區(qū)數(shù)據(jù)采集作業(yè)任務(wù)。

最后，在無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集作業(yè)完成后，應(yīng)在后續(xù)整合階段，確保無人機(jī)能夠準(zhǔn)確降落，并對降落后無人機(jī)設(shè)備的運行狀況予以檢查，提出有針對性的維護(hù)措施，避免對無人機(jī)帶來損傷。在降落階段，還應(yīng)檢查無人機(jī)的數(shù)據(jù)，確保無人機(jī)能夠全部回收，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行備份處理。

本項目數(shù)據(jù)采集使用曜宇Yunux-Long120 無人機(jī)搭載中海達(dá)ARS-1000L 激光測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，主要獲取的數(shù)據(jù)有點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)，同時采用測量型GNSS接收機(jī)對測區(qū)進(jìn)行高程檢查點采集和基站數(shù)據(jù)的采集。按照農(nóng)村房地一體項目相關(guān)規(guī)范要求，正射影像地面分辨率優(yōu)于0.05 m，點密度500-600 個/平方米，相對航高130 m，航向重疊度為55%，旁向重疊度為70%，采用編制的航測參數(shù)計算軟件計算出外業(yè)飛行參數(shù)。實現(xiàn)全村房屋范圍地形全覆蓋測繪。本測區(qū)獲取的原始數(shù)據(jù)有點云數(shù)據(jù)、pos 數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)以及基準(zhǔn)站靜態(tài)GNSS數(shù)據(jù)等，見圖2。

圖2 曜宇Yunux-Long120 無人機(jī)和中海達(dá)ARS-1000L激光測量系統(tǒng)

3.3 點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)

在完成數(shù)據(jù)采集作業(yè)后，需要及時將相關(guān)數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到電腦系統(tǒng)中，并借助專業(yè)化的軟件形式，對激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，促進(jìn)預(yù)處理工作順利實施。將業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)致劃分，通常是以定位定姿系統(tǒng)位置解算和點云解算這兩個階段為主。

一方面，通過對定位定姿系統(tǒng)位置解算階段加以分析，可以看出需要結(jié)合基點數(shù)據(jù)的實際情況，將其與移動站GPS 數(shù)據(jù)IMU 數(shù)據(jù)以及里程計數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，形成完整的組合形式，促進(jìn)解算作業(yè)的順利實施，確保所輸出的定位定姿數(shù)據(jù)能夠具備精準(zhǔn)性。此外，使用專業(yè)的處理軟件，為數(shù)據(jù)處理工作的開展提供支持，形成完善的導(dǎo)航信息組合，確保信息內(nèi)容的精準(zhǔn)性。

另一方面，在點云解算階段，應(yīng)結(jié)合無人機(jī)在激光雷達(dá)系統(tǒng)實際情況，結(jié)合多個傳感器的測量數(shù)據(jù)，形成完善的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)模式，加強(qiáng)各項數(shù)據(jù)之間的融合力度，進(jìn)一步分析被測目標(biāo)情況，結(jié)合三維幾何空間坐標(biāo)，對相關(guān)屬性予以充分還原。另外，使用專業(yè)軟件對采集階段的原始數(shù)據(jù)予以妥善處理。采用融合處理生成點云文件信息，將此類數(shù)據(jù)信息應(yīng)用于其他系統(tǒng)軟件中，促進(jìn)后續(xù)數(shù)據(jù)處理作業(yè)的有序進(jìn)行。

本項目點云數(shù)據(jù)的處理主要對航攝獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行POS 解算、點云融合、點云濾波和點云分類等工作。

LiDAR 數(shù)據(jù)的處理主要步驟分為3 步，POS 解算、點云融合和點云后處理。3 個步驟分別在Inertial Explorer 8.70、HDDataCombine 海達(dá)融合軟件、Terrasolid軟件中完成。LiDAR 原始數(shù)據(jù)記錄的脈沖發(fā)射角度、脈沖發(fā)射與返回時間、脈沖返回強(qiáng)度、回波的次數(shù)等信息，在海達(dá)融合軟件中加載激光原始數(shù)據(jù)RXP 文件及航跡文件，設(shè)置系統(tǒng)檢校參數(shù)、坐標(biāo)變換矩陣，根據(jù)激光點反射率及距離進(jìn)行粗濾波過濾噪點，并將其轉(zhuǎn)換為LAS 點云通用格式文件，最后在Terrasolid 軟件中進(jìn)行點云精分類獲取高精度著色地面點數(shù)據(jù)，采用Terrasolid 軟件進(jìn)行點云質(zhì)量檢查，主要檢查以下幾點：（1）點密度檢查；（2）航帶相對誤差檢查；（3）絕對精度檢查。

正射影像的數(shù)據(jù)處理采用Pix4dMapper 軟件生產(chǎn)。主要步驟有：（1）新建工程，導(dǎo)入影像、POS 數(shù)據(jù)，設(shè)置相機(jī)參數(shù)；（2）自由網(wǎng)平差，控制網(wǎng)平差，優(yōu)化處理；（3）生成密集點云；（4）生成DSM成果；（5）生成DOM成果。

生產(chǎn)成果主要有點云數(shù)據(jù)成果（圖3）、數(shù)字高程模型DEM及等高線（圖4）、數(shù)字正射影像DOM。

圖3 點云成果

圖4 DEM成果（疊加等高線）

3.4 EPS軟件三維點云測圖

在房地一體測繪作業(yè)的實施過程中，為了保證最終測繪結(jié)果的精準(zhǔn)程度，需要在采集數(shù)據(jù)的過程中，對點云高程切片進(jìn)行調(diào)整，保障房屋邊點云數(shù)據(jù)的清晰程度，為采集作業(yè)的順利實施提供充足的數(shù)據(jù)支持。在全面檢查點云數(shù)據(jù)的過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照地籍測圖作業(yè)的規(guī)范要求，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行全面轉(zhuǎn)換，使其能夠形成以矢量測圖軟件的格式，通過對數(shù)據(jù)的全面加載，完成階段性的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

對于部分缺乏清晰性的邊線和房角來說，應(yīng)按照具體要求，結(jié)合內(nèi)業(yè)測圖進(jìn)行處理，要求外人員能夠結(jié)合每一條房邊，促進(jìn)外業(yè)勘丈工作的順利實施。不僅如此，還需要在房屋測繪數(shù)據(jù)采集作業(yè)中，以按邊采集的方式，對無法確定的房角進(jìn)行標(biāo)記，保障標(biāo)記的清晰性與明確性，及時返回外業(yè)核查作業(yè)階段。與此同時，還需要對圖面進(jìn)行檢查，若出現(xiàn)遺漏或者錯誤等情況時，還應(yīng)對錯誤環(huán)節(jié)予以修改。

本項目測圖采用EPS2016 測圖軟件對生成的點云數(shù)據(jù)（las 格式）轉(zhuǎn)化為.pcd 格式數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，在點云高程切片視圖中采用多點交會法和直接從點云采集房屋邊線的方法成圖（如圖5），加載正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行平面地物的矢量化。利用EPS成圖系統(tǒng)將等高線和地形矢量圖進(jìn)行拼接，生產(chǎn)要素完整的符合規(guī)范要求的房地一體地形圖，圖內(nèi)各要素及地物符號嚴(yán)格按照圖式規(guī)定進(jìn)行繪制編輯。最終得到房地一體地形圖數(shù)據(jù)成果。

圖5 地物繪制

4 精度檢查

對于本測量任務(wù)區(qū)來說，在順利完成作業(yè)后還需要采用人工檢查核對的方法，以人機(jī)交互的檢查形式對實驗區(qū)的測圖成果進(jìn)行檢測，對間距精度加以驗證，確保點位設(shè)置的精確性，滿足房地一體測繪作業(yè)的質(zhì)量要求。

一方面，應(yīng)保障點位的精準(zhǔn)度。通過分析外業(yè)實測數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)予以綜合考慮，全面對比實際所采集的圖形數(shù)據(jù)，合理應(yīng)用數(shù)據(jù)抽檢方法，以人工檢查形式為主，仔細(xì)核對信息對比結(jié)果，發(fā)揮出人機(jī)交互檢查方式實效性，從實驗區(qū)域出發(fā)，形成優(yōu)質(zhì)的測圖檢測質(zhì)量。

另一方面，應(yīng)結(jié)合外業(yè)踏丈距離，將其與內(nèi)業(yè)出圖標(biāo)注距離進(jìn)行對比，在全面驗證的過程中，可以看出部分邊長能夠保持在1 cm～2 cm的區(qū)間范圍內(nèi)，且間距的精準(zhǔn)程度能夠滿足1.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)，并且符合房地一體測繪作業(yè)要求。

房地一體項目規(guī)范對高程精度要求為優(yōu)于0.15 m，要求較低，本次實例不對高程精度做檢查。平面精度檢測采用外業(yè)實測方法，實測13 個檢查點，點云精度平面中誤差為0.065 m，優(yōu)于房地一體規(guī)范的0.075 m，滿足房地一體地形圖的要求。檢查成果見圖6。

圖6 平面精度檢查表

5 結(jié)論

機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)獲取地面三維數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)具有全天候高精度、高機(jī)動性和低成本等優(yōu)點，在各行業(yè)中都具有廣泛的應(yīng)用前景，通過本次案例和精度分析可以得到如下結(jié)論：（1） 數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富：數(shù)字表面模型（DSM）、正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字線劃圖（DLG）。（2） 成果精度高：機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能夠獲取到大量高精度地形表面數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)精度高，可以滿足應(yīng)用需求。（3） 約束條件少：激光雷達(dá)可穿透茂密植被的縫隙直達(dá)地面，不受光照和陰影的限制。（4） 生產(chǎn)效率高：應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以快速獲取到大范圍、大區(qū)域內(nèi)的地表信息和空間信息，無需布設(shè)大量像控點和檢查點，極大減少了外業(yè)工作量，縮短作業(yè)時長，快速完成項目作業(yè)。

結(jié)束語

無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在房地一體測繪作業(yè)中能夠保障點云數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度，在矢量測圖軟件的共同作用下，完成階段性的房地一體化測繪生產(chǎn)實驗任務(wù)。在使用無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)時，不僅能夠滿足精確度等方面的要求，還可以在提高回波技術(shù)的應(yīng)用頻率，使其能夠順利穿透植被，并且解決覆蓋度等方面的問題，獲得更加精準(zhǔn)的測量結(jié)果，發(fā)揮出無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢，在房地一體測繪精度、成本以及工期等方面得以體現(xiàn)。