葉 瑋，雷邦俊，周 揚(yáng)

（貴州省第二測繪院，貴州貴陽550004）

一、引 言

為全面掌握我國地理國情現(xiàn)狀，滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的需要，2013年3月5日，《國務(wù)院關(guān)于第一次全國地理國情普查的通知》(國發(fā)〔2013〕9號)印發(fā)，決定于2013年至2015年開展第一次全國地理國情普查工作。隨后，全國地理國情普查第二批試點(diǎn)項目選定，筆者所在單位在生產(chǎn)實踐中，發(fā)現(xiàn)目前貴州省的DEM成果已不能滿足正射影像糾正精度的需求。本文針對這一問題提出了一種解決方案，即利用車載移動測量系統(tǒng)MMS采集物體三維坐標(biāo)點(diǎn)云，并快速高效地獲取變化區(qū)域的數(shù)字高程模型，以解決地理國情普查工作中正射影像糾正精度的問題。

二、車載移動測量系統(tǒng)簡介

車載移動測量系統(tǒng)(mobile mapping system，MMS)是近年來新興的一項測量技術(shù)，其原理主要是利用發(fā)射和接收激光束來量測被測物體與系統(tǒng)之間的相對位置，即通過衛(wèi)星定位設(shè)備獲取系統(tǒng)的地理坐標(biāo)，利用汽車的運(yùn)動和掃描鏡頭的旋轉(zhuǎn)覆蓋地物的表面，獲取地面物體的三維坐標(biāo)點(diǎn)云，并以此獲取高分辨率的數(shù)字高程模型。激光雷達(dá)技術(shù)突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測量方法的限制，具有高效率、高精度、高密度、穿透性、主動性、數(shù)字化、自動化等特性。

三、地理國情普查中遇到的問題

目前貴州省1∶10 000基礎(chǔ)DEM成果數(shù)據(jù)是將貴州省第一代紙質(zhì)地圖矢量化后獲得的。但隨著貴州省近年來經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，不僅新增了大量的工業(yè)園、住宅區(qū)、交通網(wǎng)線、水利設(shè)施，地形地貌也發(fā)生了巨大變化。因此以這樣的DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)將會導(dǎo)致糾正后的影像存在較大偏差，尤其是新建道路及其附屬設(shè)施(橋梁、隧道、路堤、路塹、護(hù)坡等)。

此外，高速公路影像遇橋梁及山體開挖時變形很大，呈扭曲現(xiàn)象。與矢量數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計，高速公路區(qū)域影像糾正后的平面中誤差已經(jīng)超過10 m，部分地區(qū)甚至超過了20 m。因此，急需對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行必要更新。

四、傳統(tǒng)的解決方案

通常對1∶10 000DEM數(shù)據(jù)的更新技術(shù)主要有航測成圖和外業(yè)實地補(bǔ)測兩種方式。

1)航測成圖適合大區(qū)域的更新測量。相對而言，貴州省影像數(shù)據(jù)獲取難度大，是全國公認(rèn)的影像獲取難點(diǎn)區(qū)域。目前，貴州省內(nèi)大部分地區(qū)的影像數(shù)據(jù)仍停留在20世紀(jì)80年代，少部分地區(qū)還停留在70年代，最新的數(shù)據(jù)也僅為2007—2009年左右。在這種數(shù)據(jù)條件下如果用航測的方式根本不能進(jìn)行有效的DEM數(shù)據(jù)更新;而采用航飛的方式獲取最新的影像，一是周期長，二是經(jīng)費(fèi)高，且往往航空攝影的飛機(jī)在貴州等候可飛行的天氣就長達(dá)3～5個月的時間。

2)用全站儀或GPS進(jìn)行外業(yè)實地補(bǔ)測，適合小區(qū)域更新測量。其工作量大、經(jīng)費(fèi)高，也無法進(jìn)行成區(qū)域大面積的數(shù)據(jù)更新。

兩種方式對于時間緊、面積居中的區(qū)域來說，都有一定缺陷。因此，如何快速準(zhǔn)確地更新項目區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，是一項急需解決的重要問題。

五、車載移動測量系統(tǒng)更新DEM的方法

1.移動數(shù)據(jù)采集

移動測量車作業(yè)需要GPS基站提供差分處理數(shù)據(jù)，以提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度。本次試驗架設(shè)的基站位于項目區(qū)。

移動測量車在試點(diǎn)區(qū)域共采集了約100 km的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采集的對象主要是高速公路路面、路堤、護(hù)坡等附屬物，以及城市和開發(fā)區(qū)的街道及建筑物。

2.點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理首先進(jìn)行了濾波處理，以剔除采集過程產(chǎn)生的噪點(diǎn)。濾波處理所使用的軟件為硬件供應(yīng)商提供的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件。點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波處理后效果如圖1所示。

圖1 經(jīng)過濾波處理的高速公路點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果圖

3.DEM制作

獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中大量存在道路上的車輛，道路兩旁的樹木、行人等其他非地形點(diǎn)，因此采用合適的濾波方法快速檢測出有效的地面數(shù)據(jù)是能否快速更新DEM數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。筆者在與移動測量系統(tǒng)提供商充分交流合作后，應(yīng)用了移動窗口濾波法對地面激光數(shù)據(jù)進(jìn)行快速過濾處理。其基本原理是建立一個與點(diǎn)云密度有關(guān)系的尺度的移動窗口，找到最低點(diǎn)，計算出地形模型。

（1）濾波格網(wǎng)建立

根據(jù)移動測量設(shè)備激光點(diǎn)云密度確定窗口取舍大小，若地面激光點(diǎn)云密度高，移動濾波窗口可選取小一些;若地面激光點(diǎn)云密度低，移動濾波窗口需要選擇大一些。本次試驗過程中選取的移動濾波窗口為1～2 m。

（2）濾波方法

確定窗口后可將窗口內(nèi)的離散激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，根據(jù)實際地形選擇過濾最高點(diǎn)、平均點(diǎn)、最低點(diǎn)的方式進(jìn)行濾波處理。本次試驗中大量的點(diǎn)云為高速公路周邊激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此在高速公路中采用最低點(diǎn)過濾方式;在開發(fā)區(qū)道路及城市道路中根據(jù)點(diǎn)云密度及道路周邊地表物復(fù)雜程度分別選取了最低點(diǎn)與平均值兩種方式進(jìn)行多次濾波處理。

（3）DEM 生成

對濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立TIN不規(guī)則三角網(wǎng)，并內(nèi)插為所需要的DEM數(shù)據(jù)。采用常用的GIS軟件制作DEM會出現(xiàn)無數(shù)據(jù)區(qū)域的TIN，因此需要單獨(dú)對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪或利用TIN工具的功能避免無數(shù)據(jù)區(qū)的TIN生成。

4.影像糾正效果對比

使用更新后的DEM對衛(wèi)星影像進(jìn)行糾正試驗，并與原始DEM糾正的影像進(jìn)行對比測試，如圖2、圖3所示。

圖2 DEM更新前糾正的影像三維、二維效果圖

圖3 DEM更新后糾正的影像三維、二維效果圖

DEM更新前后糾正的影像，在高速公路區(qū)域采集具有高速公路數(shù)據(jù)的1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)同名點(diǎn)，并進(jìn)行比較。由于控制點(diǎn)離項目區(qū)距離較遠(yuǎn)，將近25 km，同時控制數(shù)據(jù)的精確WGS-84坐標(biāo)沒有獲取到，因此平面位置精度較好，高程精度一般，但都能達(dá)到地理國情普查的需求。結(jié)果見表1。

表1 同名點(diǎn)精度比較

由圖3可以看出，利用更新后的DEM數(shù)據(jù)糾正影像，地形變化較大部分有了很大改善，能夠正確地反映出實際的道路、橋梁、護(hù)坡等建筑與地形，同時精度依然可靠有效，滿足了地理國情普查的成果數(shù)據(jù)要求。

六、結(jié) 論

根據(jù)以往的作業(yè)經(jīng)驗，針對本試驗區(qū)域，對航測成圖、外業(yè)實測與車載移動測量系統(tǒng)采集3種DEM制作方法作一個理論上的簡單比較，見表2。

表2 不同DEM更新方法比較

從表2看出，利用車載移動測量系統(tǒng)采集相對于傳統(tǒng)的DEM制作方法有著無可比擬的高效性。

近年來貴州經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，貴州省交通運(yùn)輸廳提供的資料顯示，至2013年底，貴州全省高速公路里程將達(dá)到3281 km，而到2015年，高速公路里程將超過4500 km，基本實現(xiàn)“縣縣通高速”的目標(biāo)。貴州山區(qū)高速公路建設(shè)基本按照開山架橋的方式進(jìn)行，地形破壞嚴(yán)重，單靠軟件和傳統(tǒng)的測量手段進(jìn)行DEM更新，在時間和精度上已經(jīng)不能滿足需求;并且地形地貌變化較大的區(qū)域主要集中在人類經(jīng)常活動、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的區(qū)域，因此DEM的更新不但要快速，而且精度要可靠、地域要有針對性。

綜合來看，車載移動測量系統(tǒng)具有不受空中交通管理限制的優(yōu)勢;在人類?；顒?、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域可進(jìn)行無限制數(shù)據(jù)采集;受天氣限制因素小，在多云甚至小雨天氣都可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，利用車載移動測量系統(tǒng)對1∶10 000DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行更新具有速度快、效率高、針對性強(qiáng)的優(yōu)勢。

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