楊庚印

(山西省測繪工程院，山西太原 030002)

山西省高精度數(shù)字高程模型建設(shè)方案設(shè)計與實現(xiàn)

楊庚印

(山西省測繪工程院，山西太原 030002)

結(jié)合山西省高精度數(shù)字高程模型建設(shè)項目，詳細介紹利用機載激光雷達進行大面積數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)方案和數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)，為進行大面積機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取和處理積累了豐富的經(jīng)驗。該項目的建成，滿足了省內(nèi)各類不同行業(yè)用戶以及科學(xué)研究機構(gòu)對本省精密地表數(shù)據(jù)的需求。

機載激光雷達；高精度；數(shù)字高程模型；方案設(shè)計

一、引 言

隨著時代的發(fā)展，建立一個高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋率的全省數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫，成為國土測繪、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、交通建設(shè)、電力建設(shè)、水利建設(shè)、地面沉降測量、工程測量以及城市地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域的迫切需求。為及時滿足山西省內(nèi)各類不同行業(yè)用戶以及科學(xué)研究機構(gòu)對本省精密地表數(shù)據(jù)的需求，實施了山西省高精度數(shù)字高程模型建設(shè)工程。

數(shù)據(jù)獲取方法選擇。傳統(tǒng)數(shù)字高程模型建立的方法有多種，從數(shù)據(jù)源及采集方式講有：①直接從地面測量，如用GPS、全站儀、野外測量等；②根據(jù)航空或航天影像，通過攝影測量途徑獲取，如立體坐標儀觀測及空三加密法、解析測圖、數(shù)字攝影測量等；③從現(xiàn)有地形圖上采集，如格網(wǎng)讀點法、數(shù)字化儀手扶跟蹤及掃描儀半自動采集，然后通過內(nèi)插生成DEM等方法。

最新方法：①合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)，它是使用雷達信號的相位信息提取地球表面三維信息，分為機載和星載兩種；②機載激光雷達(Li-DAR)，它是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統(tǒng)。

根據(jù)以上所述，傳統(tǒng)方法已不適合建立高精度的數(shù)字高程模型的要求。在選擇新技術(shù)時，考慮到機載激光雷達是采用主動對地觀測技術(shù)，并具有全天候、作業(yè)周期短、精度高、費用低等優(yōu)點，并具有攜帶中畫幅可量測相機，同時獲得了影像數(shù)據(jù)，故在項目建設(shè)中選擇了機載激光雷達。

二、激光雷達系統(tǒng)測量原理及系統(tǒng)簡介

1.激光雷達系統(tǒng)測量原理

激光掃描測量是通過激光掃描器和距離傳感器來獲取被測目標的表面形態(tài)。激光掃描器一般由激光發(fā)射器、接收器、時間計數(shù)器、微電腦等組成。激光脈沖發(fā)射器周期地驅(qū)動一激光二極管發(fā)射激光脈沖，然后由接收透鏡接收目標表面后向反射信號，產(chǎn)生一接收信號，利用一穩(wěn)定的石英時鐘對發(fā)射與接收時間差做計數(shù)，經(jīng)由微電腦對測量資料進行內(nèi)部微處理，顯示或存儲輸出距離和角度資料，并與距離傳感器獲取的數(shù)據(jù)相匹配，最后經(jīng)過相應(yīng)系統(tǒng)軟件進行一系列處理，獲取目標表面三維坐標數(shù)據(jù)，從而進行各種量算或建立立體模型。

2.系統(tǒng)簡介

根據(jù)市場現(xiàn)有機載激光雷達設(shè)備情況和項目需求，采用了Leica公司的ALS60機載激光雷達測量系統(tǒng)。

(1)系統(tǒng)主要組成

系統(tǒng)包含激光掃描儀、激光控制器、系統(tǒng)控制器、相機系統(tǒng)、POS系統(tǒng)(GPS＋IMU)、飛行控制系統(tǒng)。

(2)主要技術(shù)參數(shù)

1)飛行相對高度200～6000 m范圍。

2)最大脈沖頻率200 000 Hz。

3)最大掃描頻率100 Hz。

4)回波/強度信號次數(shù)4/3。

5)最大掃描角75°。

6)自適應(yīng)滾動補償最大75°。

7)激光發(fā)散角0.22mr＠1/e2(0.15mr＠1/e)。

8)IPAS型號CUS6。

(3)測量精度

表1為該系統(tǒng)在掃描角為40°時的平面和高程測量精度。

表1

三、方案設(shè)計

1.航線設(shè)計

1)航測基準面高程要略低于航測分區(qū)的平均高程。

2)對于大面積、高航高測量，當?shù)孛娴匦纹鸱南鄬Ω卟钶^小，即一般情況下小于1000 m時，可采用MPiA技術(shù)(空中內(nèi)插多脈沖)；否則應(yīng)采用SPiA技術(shù)(單脈沖)。

3)如果設(shè)備飛行中采用了MPiA技術(shù)，應(yīng)該務(wù)必保證相對航高的范圍在設(shè)備回波有效范圍之內(nèi)，否則會出現(xiàn)山頭或谷底沒有回波的情況。

4)對于特殊高差較大地區(qū)，可以采用分區(qū)飛行。

5)航線航向的布設(shè)按攝區(qū)的地形來定，盡量減少同一條航線中地形起伏變化太大，如果地面起伏變化大于航高的1/3時，應(yīng)分區(qū)進行設(shè)計。

6)航線設(shè)計時向外擴的安全距離為相對航高× 0.7。

7)每條航線的設(shè)計長度要小于飛機25 min的航程，設(shè)計時要考慮飛機的類型和順風與逆風的速度。

8)航線重合度：旁向15%以上。

9)激光設(shè)備的技術(shù)參數(shù)文件在設(shè)計時需要唯一確定，并在AeroPlan中指定。

10)編制航線示意圖(?.jpg)，編制飛行員GPS領(lǐng)航表(?.xls)。

11)提供航線飛行數(shù)據(jù)(?.fpb)。

12)航線設(shè)計結(jié)束之后，要在Google Earth中檢查設(shè)計的結(jié)果。

2.激光雷達檢校場選擇

激光掃描儀校驗場應(yīng)盡量選擇太原市、長治市、大同市、晉中市等具有1∶500或1∶2000比例尺地形圖的地區(qū)，其條件包括以下3個方面：

1)校準控制場。選擇類似機場跑道或公路、長至少2000 m、寬20～50 m的較大平坦區(qū)域。

2)校準建筑物。校準區(qū)內(nèi)必須有一個較大“人”字形尖頂建筑物。建議建筑物長度大于100 m、寬度大于80 m、高度大于5 m。用于校準側(cè)滾和俯仰姿態(tài)。

3)盡量遠離水面(如湖、江)等低反射率的地區(qū)。

3.激光雷達檢校場布點

布設(shè)激光檢校控制點要求：

1)直線控制點：沿著道路中心，每隔5 m一個控制點，長度大約2 km。

2)零散控制點：在中心區(qū)域均勻布設(shè)10～15個控制點。

3)所有控制點都布設(shè)在路面上，且地物材料均勻。避免高低反射率交接地區(qū)，避免周圍地物遮擋，避免在陡坎和地物過度邊界、便道邊緣布設(shè)。

4.飛行要求

1)飛行前，嚴格按照飛行檢查單的要求進行飛行前檢查，確保設(shè)備安裝和各項設(shè)置正確無誤。

2)飛行轉(zhuǎn)彎角不大于22°。

3)飛行時，飛行Roll角值小于5°，Pitch角值小于6°。

4)在入第一條航線前和出最后一條航線后，都必須進行IMU初始化飛行，即：進入第一條航線前先平飛5 min，然后作“8”字轉(zhuǎn)彎飛行，再平飛2 min進入航線；出最后一條航線后，直飛2 min，再作“8”字轉(zhuǎn)彎飛行。

5)在設(shè)備出現(xiàn)故障時，重新啟動設(shè)備，在進線之前需要進行“8”字重新飛行。

6)如果下一個測區(qū)距現(xiàn)有測區(qū)超過25 min的直飛距離，需要在進下一個測區(qū)之前飛“8”字。

7)飛機上同步觀測數(shù)據(jù)在進入首航線的IMU初始化前5 min至出最后航線IMU初始化后5 min的時間段全程記錄。

8)在規(guī)定的航測期限內(nèi)，選擇地表植被及其他覆蓋物(如積雪)對LiDAR測量影響較小、云霧少、無揚沙的季節(jié)進行攝影。

9)要根據(jù)GPS衛(wèi)星預(yù)報，選擇PDOP值小于3的時間段進行航攝；若3＜PDOP＜6的時間段在20min之內(nèi)時，該時間段也容許進行航攝，但這種時間段一天的航攝過程中不能多于3個。

10)在每個架次飛行時，應(yīng)保證相鄰兩條航線有一次同向飛行或一條航線往返飛行。

5.地面基站

1)基準站采用山西省連續(xù)運行基準站網(wǎng)(SXCORS)，為滿足測量精度要求，最好選擇雙基站，基站距離測區(qū)的邊緣不應(yīng)超過50 km。

2)測繪基準：國家CGCS2000。

3)觀測要求：

a.與機載GPS同步觀測。

b.GPS衛(wèi)星高度角≥15°。

c.有效觀測衛(wèi)星個數(shù)≥5。

d.衛(wèi)星觀測值象限分布(25±10)%。

e.GPS接收機采樣間隔為0.5″。

f.提供基站觀測數(shù)據(jù)(?.Dat、?.T01)。

6.檢查點布點方案及要求

依據(jù)全省1∶10 000圖幅分幅范圍，根據(jù)地形類別，山地、高山地四幅圖布設(shè)一個平面點和一個高程點，平地、丘陵地每幅圖布設(shè)一個平面點和一個高程點，在全省呈均勻分布形態(tài)。

檢查點平面點點位應(yīng)選擇在明顯地物的角點上，并盡量在平坦地區(qū)；高程點點位必須選擇在面積不小于10 m2的平坦地面上。

所有點位的選擇必需滿足RTK觀測要求。

四、數(shù)據(jù)處理

1.工作流程

機載激光雷達數(shù)據(jù)處理工作流程如圖1所示。

圖1 機載激光雷達數(shù)據(jù)處理工作流程

2.數(shù)據(jù)釋放及處理

(1)激光點云數(shù)據(jù)定位定向

對原始IPAS數(shù)據(jù)進行處理，得到精確的導(dǎo)航文件。一般分為3步：

1)解壓原始IPAS數(shù)據(jù)，得到GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)。

2)進行GPS差分解算，提高GPS的定位精度。

3)融合GPS和IMU數(shù)據(jù)，進行內(nèi)插處理，得到精確的導(dǎo)航文件。

POS系統(tǒng)是機載激光探測和測距系統(tǒng)的關(guān)鍵，其核心是采用動態(tài)差分技術(shù)和慣性導(dǎo)航測量裝置，在航攝飛行過程中測量傳感器的位置和姿態(tài)，經(jīng)嚴格的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，獲得高精度的傳感器外方位元素，從而實現(xiàn)沒有或極少地面控制的傳感器定位和定向。

在該項目中GPS動態(tài)差分采用SXCORS系統(tǒng)站點進行解算。

(2)生成標準激光數(shù)據(jù)LAS文件

利用原始激光點云文件、導(dǎo)航文件和激光檢校文件，在ALS Post Processing軟件中生成標準激光點LAS文件。此文件可以在任何激光數(shù)據(jù)處理軟件中打開。如TerraSolid、Mars View等軟件。

3.激光點云數(shù)據(jù)的檢校

在飛行過程中，IMU和激光掃描儀的相對姿態(tài)可能會發(fā)生微小的變化，從而對激光數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，為消除這種影響，通常要對定位定向后的激光數(shù)據(jù)進行檢校。

檢校分為視準軸檢校(boresight calibration)和距離檢校(range calibration)，通常需要檢校的參數(shù)為偏心分量：側(cè)滾角(roll)，俯仰角(pitch)和航偏角(heading)。roll視準軸偏差定義了IMU和激光發(fā)射器之間在X軸方向上的偏差，單位是弧度。任何掃描鏡編碼器的誤差也包含在roll誤差中。pitch視準軸偏差定義了IMU和激光發(fā)射器之間在Y軸方向上的偏差，單位是弧度。heading視準軸偏差定義了IMU和激光發(fā)射器之間在Z軸方向上的偏差，單位是弧度。range糾正可以補償激光掃描儀中電子器件延遲所產(chǎn)生的誤差。這個誤差一般是一個常數(shù)。由于大量數(shù)據(jù)同時運行速度較慢，實際生產(chǎn)中，為較快地得到較好的檢校參數(shù)，首先在檢校場數(shù)據(jù)中選擇一塊典型地形進行自動檢校，讓系統(tǒng)自動生成全區(qū)最優(yōu)的檢校參數(shù)。如果在實際測區(qū)發(fā)現(xiàn)有細微的差別，這時可以進行手動微調(diào)，即可滿足對測區(qū)激光數(shù)據(jù)的檢校。

針對rroll、pitch、heading模型檢校結(jié)果應(yīng)滿足表2要求。

表2m

4.數(shù)據(jù)分類及成果制作

在機載LiDAR預(yù)處理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行手動精細分類濾波，將LiDAR點云數(shù)據(jù)地表點(含植被、水系、構(gòu)筑物等自然人工地物表面點)精確分類出來，對手動精細分類后的地表點云數(shù)據(jù)進行最終DSM、DEM產(chǎn)品的構(gòu)建與輸出。點云分類要求如下。

(1)點云數(shù)據(jù)自動濾波、分類

利用TerraSolid公司提供的專用軟件，在Terra-Scan和TerraModel模塊中對激光條帶數(shù)據(jù)進行分塊處理，并利用編寫的宏命令逐塊進行濾波分類，區(qū)分出地面點、植被、水域等類別。

(2)點云精細分類

對自動分類的成果參照獲取的影像數(shù)據(jù)進行手動精細分類濾波，以獲得高精度的數(shù)字高程模型。結(jié)合項目要求，將LiDAR點云數(shù)據(jù)分為water、ground、noise、default、temp、lowpoint六類。

(3)點云分類的原則

1)地貌、土質(zhì)以及與地面相連而成的道路、水系、高臺等地物應(yīng)表示。

2)建筑物、高塔等人工地物(如架空跨越的橋梁)、植被、地物應(yīng)與地面點進行區(qū)分。

3)臨時地物(如臨時土堆等靜地物，車輛、行人、飛鳥等動地物)、粗差點等應(yīng)剔除。

4)地物尺寸小于產(chǎn)品格網(wǎng)間距的可作忽略處理。

5)地物高程差異小于相應(yīng)比例尺DEM中誤差的可做忽略處理。

6)對于制作DEM需要濾除的地物應(yīng)放到相應(yīng)的類別，不能刪除。

7)手動分類前對于靜止水域如池塘、湖泊應(yīng)進行置平處理。

8)河流水涯線上的高程應(yīng)從上游到下游逐漸降低，水涯線同一平面位置水涯線高程值置平。

(4)水域置平處理

在點云分類前應(yīng)先進行水域置平處理，步驟如下：

1)在Microstation軟件中畫水域邊界范圍線，統(tǒng)一歸層。

2)將范圍線內(nèi)ground類點云分到water類中。

3)將水域所有范圍線畫完后，參考范圍線內(nèi)的已有water層點云，統(tǒng)一修改閉合多邊形內(nèi)符合實際情況的指定線高度。

4)關(guān)閉所有點云層，選中全部所畫水域范圍線，在Terramodel中進行Triangulate Survey(壓平、置平)，然后使用Insert Breakline Element工具參考閉合多邊形內(nèi)插特征點。

5)將生成的水域邊界點導(dǎo)出生成XYZ文本格式文件，在Terrascan中讀入，將該文件和原始點云文件一起保存，并將線上特征點分到water類。

(5)點云分類方法

1)對高程突變的區(qū)域，調(diào)整參數(shù)或算法，重新進行小面積的自動分類。

2)對分類錯誤的點重新進行分類。分類時，以點云切剖面為主要依據(jù)，DOM僅作參考；在比較平滑、直線區(qū)域切剖面時，剖面寬度可適當放大，在拐角尤其是立交橋、高架公路等接地與架空的臨界區(qū)域，切剖面一定要盡量窄，務(wù)求精確；溝渠寬度5 m以內(nèi)的可不作水域點的精細分類；寬度大于5 m和面狀水域在制作DEM時均需要置平。生成的水域邊界breakline特征點在讀入后分類為temp。

(6)DSM成果制作

利用TerraSolid公司提供的專用軟件，在Terra-Scan模塊下，利用分類點云數(shù)據(jù)建立數(shù)字表面模型后，再輸出符合設(shè)計要求的數(shù)據(jù)格式。

(7)DEM成果制作

對經(jīng)過自動濾波、手動精細分類后的地面點云數(shù)據(jù)作為特征點以及帶有高程信息的特征線進行數(shù)字高程模型的構(gòu)建。

五、精度檢測

通過對布設(shè)的1865個野外檢查點檢查，高程方向上的差值基本呈正態(tài)分布，h方向最大較差為＋0.49 m；高程中誤差為±0.18 m。整體精度優(yōu)于項目設(shè)計中規(guī)定的精度指標。

六、結(jié)束語

本文結(jié)合山西省高精度數(shù)字高程模型建設(shè)項目，詳細論述了高精度數(shù)字模型數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)方案，為進行大面積機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取積累了豐富的經(jīng)驗。同時，該項目的完成，將用來全面更新山西省數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫，為全省的基礎(chǔ)測繪、應(yīng)急保障、災(zāi)害分析、研究機構(gòu)及各行各業(yè)應(yīng)用提供了精確地表數(shù)據(jù)，將在全省的轉(zhuǎn)型跨越發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

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Design and Implementation of Shanxi High-precision Digital Elevation Models

YANG Gengyin

P237

B

0494-0911(2014)09-0076-05

2013-07-17

楊庚印(1974—)，男，山西萬榮人，高級工程師，主要研究方向為數(shù)字航空攝影及數(shù)據(jù)處理。

楊庚印.山西省高精度數(shù)字高程模型建設(shè)方案設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪通報，2014(9)：76-80.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0299