湯建鳳(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)Research on Using Ortho Image Based Lidar Data to Produce 1∶2 000 Topographic MapTANG Janfeng

基于Lidar數(shù)據(jù)的正射影像制作1∶2 000地形圖研究

湯建鳳(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063)Research on Using Ortho Image Based Lidar Data to Produce 1∶2 000 Topographic MapTANG Janfeng

摘要根據(jù)中開高速公路勘察項(xiàng)目的實(shí)例，介紹一種利用Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類中的地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，通過疊加正射影像來修改地物投影差，判別地貌特征，制作1∶2 000地形圖的方法，打破傳統(tǒng)繪制地形圖必須立體量測(cè)的思路。采用Lidar數(shù)據(jù)生產(chǎn)地形圖使成圖周期更短、自動(dòng)化程度更高，能滿足工程設(shè)計(jì)的規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞Lidar點(diǎn)云正射影像制作地形圖

1概述

地形圖一般指的是地表起伏形態(tài)和地理位置、形狀在水平面上的投影圖。即將地面上的地物和地貌沿鉛垂線方向投影到水平面上，并按一定的比例尺縮繪到圖紙上。在鐵路工程、公路工程等項(xiàng)目中，地形圖需要比較精確而詳細(xì)地表示地面地貌水文、地形、土壤、植被等自然地理要素，以及居民點(diǎn)、交通線、境界線、工程建筑等社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素。地形圖的測(cè)繪有野外實(shí)測(cè)制圖、室內(nèi)航空攝影測(cè)繪和航天遙感測(cè)繪等方法。

目前，地形圖的測(cè)繪以航空攝影立體測(cè)繪為主要手段。從GB/T7930—2008 《1∶5001∶1 0001∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》、TB10050—2010《鐵路工程攝影測(cè)量規(guī)范》、JTG/T C10—2007《公路勘測(cè)細(xì)則》、JTG C10—2007《公路勘測(cè)規(guī)范》可見，無論是精密立體測(cè)圖儀、解析測(cè)圖儀還是全數(shù)據(jù)攝影測(cè)圖系統(tǒng)，都規(guī)定了定向、空三加密、立體測(cè)圖、成圖各過程的精度要求。

結(jié)合中開高速公路項(xiàng)目，介紹一種基于Lidar點(diǎn)云，利用正射影像制作1∶2 000地形圖的方法。

2工程要求

中開高速公路項(xiàng)目位于廣東省中山市至開平市，正線約150 km，比較線約70 km，成圖寬度600 m范圍。測(cè)區(qū)呈東西走向，東起東經(jīng)113°37′，西至東經(jīng)112°29′，北起北緯22°41′，南至北緯22°17′。地處繁華發(fā)達(dá)地區(qū)，水系發(fā)達(dá)，電網(wǎng)密布，各類工廠林立，交通便利，氣候宜人，地形等級(jí)為平坦微丘地形，最高海拔約120 m。

根據(jù)中開高速公路項(xiàng)目合同要求，地形圖圖上地物點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為：重要地物不大于圖上0.6 mm，一般地物不大于圖上0.8 mm。高程注記點(diǎn)的中誤差：平原不大于0.23 m、微丘不大于 0.35 m。等高線的高程中誤差：平原不大于0.33 m、微丘不大于 0.50 m[1，2]。這樣的精度要求相當(dāng)于國標(biāo)1∶2 000地形圖的平面精度和1∶500地形圖的高程精度。

如果應(yīng)用一般的膠片航空攝影或者數(shù)碼影像攝影，為了滿足工程要求都必須以成圖比例尺為1∶500來設(shè)計(jì)航空攝影的比例尺或地面分辨率，這會(huì)加大航攝的成本投入和內(nèi)業(yè)制圖工作。如果以成圖比例尺為1∶2 000來設(shè)計(jì)航空攝影的比例尺或地面分辨率，則航測(cè)內(nèi)業(yè)制圖必須采取全野外高程控制點(diǎn)和大量實(shí)測(cè)的高程散點(diǎn)相結(jié)合，大大增加了外業(yè)人員的工作量。在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，總體思路是找到一種既不增加成本投入，又能減少內(nèi)外業(yè)工作量，最終成果滿足工程需求的作業(yè)方法；采用Lidar技術(shù)，利用正射影像制作地形圖就成為了研究首選。

3作業(yè)方法

中開高速公路項(xiàng)目采用機(jī)載雷達(dá)(Lidar)掃描技術(shù)，設(shè)備為德國TopoSys公司的Harrier68i系統(tǒng)(見圖1)，飛機(jī)采用直升飛機(jī)。數(shù)碼相機(jī)為德國TopoSys公司的Rollei Metric AIC Pro(像素6 000萬)；慣導(dǎo)系統(tǒng)型號(hào)為Applanix POS/AV 系列，采樣頻率200 Hz；激光掃描儀的型號(hào)為Harrier68i，最大脈沖頻率240 kHz，掃描角度45°/60°。該技術(shù)是以激光為測(cè)量媒介的新型遙感技術(shù)。設(shè)備參數(shù)見表1，相機(jī)參數(shù)見表2。

項(xiàng)目實(shí)施總體技術(shù)路線見圖2。

3.1　航攝設(shè)計(jì)

綜合考慮Lidar儀器設(shè)備的性能，南方廣東省的地形、地勢(shì)、氣侯、高差和方案走向等情況，對(duì)攝區(qū)的分區(qū)、航高、航向重疊度、旁向重疊度和航行協(xié)調(diào)等一系列要素進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)。本次航攝總計(jì)拍攝航片4 182張，有效航片數(shù)3 493張，飛行平均航高700 m。航向重疊度平均約為57%，旁向重疊度約為35%，旋偏角不大于15°，航線彎曲度不大于3%，點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)密度為9點(diǎn)/m2。

3.2　地面參考站的架設(shè)

地面參考站采用采樣間隔為1 s的天寶5800和天寶5700雙頻接收機(jī)。在線路的沿線作業(yè)范圍內(nèi)測(cè)量一些高程和平面數(shù)據(jù)來保證后期數(shù)據(jù)處理的精度，消除系統(tǒng)誤差。本項(xiàng)目每隔5 km左右設(shè)計(jì)一個(gè)參考面，共布設(shè)了27個(gè)參考面(見圖3)。平面測(cè)量使用GDCORS網(wǎng)絡(luò)RTK、GPS-RTK和全站儀幾種方式進(jìn)行，主要采集路邊線和有規(guī)則的房屋等，得到參考面上的平面數(shù)據(jù)，每處一般為20個(gè)，總點(diǎn)數(shù)不少于10個(gè)。為保證精度，流動(dòng)站與基準(zhǔn)站的最大距離不超過5 km。高程測(cè)量參考面全部選在比較平整的堅(jiān)硬地面，旁邊無障礙物阻擋。高程采用水準(zhǔn)測(cè)量，每個(gè)參考面總點(diǎn)數(shù)不少于20個(gè)。高程起算點(diǎn)必須在四等水準(zhǔn)高程或以上，由起算點(diǎn)引到參考面附近固定點(diǎn)，參考面觀測(cè)按照五等水準(zhǔn)觀測(cè)技術(shù)要求進(jìn)行，得到參考面上的高程數(shù)據(jù)。

3.3　機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用航飛時(shí)同步觀測(cè)的基站數(shù)據(jù)，與機(jī)上GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分定位，解算出航跡位置文件。聯(lián)合航跡位置文件和機(jī)上IMU觀測(cè)數(shù)據(jù)，解算最終航跡文件?；谧罱K航跡文件和原始激光觀測(cè)文件及影像曝光點(diǎn)，解算初步激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和影像的外方位元素。

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖4所示。

3.4　點(diǎn)云數(shù)據(jù)精化

根據(jù)CH/T 8023—2011《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》中的點(diǎn)類定義，將有效范圍內(nèi)的點(diǎn)分到不同類別中。在DEM制作的基礎(chǔ)上，分別把地面點(diǎn)[3]和非地面點(diǎn)存儲(chǔ)在不同的文件里，利用DEM和航攝影像數(shù)據(jù)制作單幅正射影像(DOM)，利用影像處理軟件對(duì)其進(jìn)行拼接、勻色、分幅，制作50 cm×50 cm的正射影像圖。

3.5　1∶2 000線劃圖繪制

1∶2 000地形圖采用“激光點(diǎn)云輔助正射影像進(jìn)行矢量化法”進(jìn)行繪制，外業(yè)調(diào)繪成圖。此方法與傳統(tǒng)航測(cè)地形圖有諸多不同。

(1)在繪圖前首先檢查正射影像和激光點(diǎn)的匹配情況，如果二者不符應(yīng)及時(shí)查明原因，確定不符對(duì)象及其范圍，并采取合理可行的補(bǔ)救措施。

(2)根據(jù)正射影像圖繪制明顯的地物，包括道路、房屋、水塘等。獨(dú)立地物一般按比例尺繪出其外輪廓，不能按比例尺表示的，要求表示出其定位線或定位點(diǎn)。

(3)在地物判別不太明顯的情況下一定要參考原始影像。其中繪制房屋和橋梁時(shí)一定要考慮其投影變形，在正射影像上先繪出建筑物的大小和形狀，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)里對(duì)應(yīng)的非地面點(diǎn)和地面點(diǎn)來確定其位置。由于激光點(diǎn)是直接的三維坐標(biāo)，沒有投影差，因此其平面精度是非常高的[4]。建筑物、構(gòu)筑物輪廓凹凸在圖上小于0.5 mm時(shí)，可用直線連接。街道上面積大于10 m2的安全島、花壇、街心公園，寬度在1 m以上的綠化帶和隔離帶等均要表示。水系及其附屬物按實(shí)際形狀測(cè)繪，水塘要注意判別坎頂?shù)臏?zhǔn)確位置，坎頂、水邊要注高程點(diǎn)。河流、溝渠、池塘、湖泊、運(yùn)河、水庫當(dāng)水涯線于岸邊線的投影距離圖上大于1 mm時(shí)要分別繪出，小于1 mm的可只繪輪廓線[2]。水渠在圖上寬度小于2 mm時(shí)可用單線表示。

(4)繪制地類界、田埂、陡坎、水溝等，要按公路勘測(cè)細(xì)則盡量繪詳細(xì)一點(diǎn)，以方便實(shí)際調(diào)繪。采樣點(diǎn)間隔不要太大；陡坎可以根據(jù)給出的激光點(diǎn)高程值和原始影像進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)激光點(diǎn)高差比較大，從影像上判斷又是陡坎或斜坡時(shí)，應(yīng)該繪制陡坎或斜坡。

(5)原始影像主要是用來對(duì)正射影像上判斷不清楚的地物進(jìn)行區(qū)分，將與正射影像對(duì)應(yīng)的原始影像打開，旋轉(zhuǎn)到同一方向，就可以很好的對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。

(6)利用精化處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成等高線，將等高線上的毛刺和多余數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。為了滿足地形圖的美觀要求，還要進(jìn)行圓滑處理，測(cè)區(qū)內(nèi)的特征點(diǎn)要保留下來，并篩選及標(biāo)注高程點(diǎn)。

(7)地物、地貌的綜合取舍應(yīng)滿足公路勘測(cè)細(xì)則要求，梯田以梯田坎和等高線表示，坎高小于1/2等高距的可以不繪，兩坎間距在圖上小于5 mm的可進(jìn)行取舍，田埂寬度在圖上小于1 mm時(shí)用單線表示，大片居民地內(nèi)可不繪等高線。

(8)植被的測(cè)繪按成圖面積大小適當(dāng)取舍，經(jīng)濟(jì)作物要重點(diǎn)繪出。

3.6　地形圖的外業(yè)調(diào)繪與修補(bǔ)測(cè)量

地形圖調(diào)繪與修補(bǔ)測(cè)量嚴(yán)格按照《公路勘測(cè)細(xì)則》進(jìn)行，調(diào)繪的工作底圖為經(jīng)過數(shù)字化作業(yè)的1∶2 000圖并結(jié)合影像圖進(jìn)行。

結(jié)合測(cè)區(qū)和公路設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行著重調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)：

(1)調(diào)繪過程中對(duì)室內(nèi)影像判別與實(shí)地有誤的地方應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，并在圖上進(jìn)行修改，確保相對(duì)位置準(zhǔn)確，圖式符號(hào)應(yīng)用恰當(dāng)，各種注記準(zhǔn)確無誤。

(2)對(duì)建筑物屬性(層數(shù))、材質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)繪，對(duì)于在圖上無法識(shí)別的建筑物，利用全站儀或RTK進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，以反映出建筑物之間的相對(duì)關(guān)系。

(3)對(duì)于在影像圖上無法識(shí)別或分不清楚的獨(dú)立地物，當(dāng)?shù)孛俗婢庸示?、墳、風(fēng)水樹、廟宇、地下管線等，利用RTK或全站儀進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，以反映出與周邊建筑物之間的相對(duì)關(guān)系。

(4)各類地理名稱和工礦企業(yè)名稱、植被等按現(xiàn)有的名稱準(zhǔn)確調(diào)注。

(5)對(duì)于設(shè)計(jì)圖中的橋頭、隧道口、立交互通處的地物準(zhǔn)確調(diào)繪及測(cè)注。

(6)實(shí)測(cè)中心線300 m以內(nèi)的各類管線及附屬設(shè)施，高壓線實(shí)測(cè)其塔架或電桿位置并注明電壓值及線名，110 kV以上高壓塔要注塔號(hào)，并測(cè)量懸高及線高程。低壓線和通訊線要測(cè)出各個(gè)桿位，并分清走向。與設(shè)計(jì)公路相交時(shí)，測(cè)注交叉點(diǎn)與地面的垂直距離。各類地下管線沿地面標(biāo)識(shí)測(cè)注平面位置，注明其用途走向。

(7)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的道路按規(guī)范、圖式要求注記等級(jí)和建筑材料。公路實(shí)測(cè)里程碑并注里程數(shù)，鐵路要實(shí)測(cè)并標(biāo)注軌面高程，鐵路曲線段要注外軌面高程。鐵路和公路分別按每20 m、地形變化處、橋隧構(gòu)造物處測(cè)注高程。

(8)對(duì)已有的橋梁其橋墩位置需要測(cè)量表示。

(9)對(duì)于控制線路方案的重點(diǎn)路段，如隧道、特大橋、大型互通式立交、重大不良地質(zhì)地段、隱蔽地段等，要仔細(xì)測(cè)量、調(diào)繪；不能遺漏重要水渠(特別是山腳的水溝)、地物等對(duì)設(shè)計(jì)有重要意義的地形地貌，不能遺漏每一條寬大于0.5 m的小水溝或人行小路。

(10)當(dāng)陡坎的高度超過1.5 m時(shí)，應(yīng)測(cè)量坎的上、下高程點(diǎn)。

(11)地形圖的文字注記應(yīng)使用統(tǒng)一字體，字體大小按《地形圖圖式》GB/T20257.1—2007國家標(biāo)準(zhǔn)，文字寬高比為0.8，一般不得另行改動(dòng)和變更。但沿線村名的字體應(yīng)比國標(biāo)大一號(hào)，并且用紅顏色標(biāo)注，以表示與其他字體的明顯區(qū)別。在線路經(jīng)過處，須標(biāo)明各市、縣的分界線。

(12)注意統(tǒng)一大面積的地物符號(hào)填充間距，高程點(diǎn)注記小數(shù)點(diǎn)后1位。

(13)提交地形圖時(shí)，要及時(shí)展繪控制點(diǎn)。地形圖上的平面、高程控制點(diǎn)如在測(cè)圖范圍以外，需在點(diǎn)之記上繪出控制點(diǎn)所在位置簡(jiǎn)易地形圖。

(14)其它地物的調(diào)繪應(yīng)參照規(guī)范、圖式執(zhí)行。

4精度統(tǒng)計(jì)

對(duì)完成的DOM、DEM進(jìn)行外業(yè)檢查。DOM平面檢查采用GPS RTK測(cè)量和GDCORS相結(jié)合的方法進(jìn)行，采用GPS RTK測(cè)量控制點(diǎn)，全站儀在GPS RTK圖根點(diǎn)上直接設(shè)站，對(duì)定向點(diǎn)檢查無誤后，再測(cè)量房角、高壓桿、通訊桿、道路邊線等平面地物特征點(diǎn)，與DOM同名特征點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)。 DEM高程精度檢查采用GPS-RTK/CORS測(cè)量檢查的方法進(jìn)行，實(shí)地測(cè)量旱地高程檢查點(diǎn)、路面高程檢查點(diǎn)、坎上高程檢查點(diǎn)等，采集其高程，與點(diǎn)云成果對(duì)比。DLG成果利用外業(yè)實(shí)測(cè)的地物點(diǎn)、高程點(diǎn)與內(nèi)業(yè)成圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

4.1　DOM檢查

對(duì)全線的DOM進(jìn)行外業(yè)檢查，全區(qū)面積327 km2，554幅1∶2 000 DOM數(shù)據(jù)成果。由于測(cè)區(qū)為帶狀地形，不滿幅的DOM較多，外業(yè)儀檢28幅，抽取位置相對(duì)均勻，檢查基本可以反映全區(qū)域1∶2 000 DOM的基本情況，平面點(diǎn)共檢查582個(gè)，中誤差為0.33 m，小于限差1.2 m，平面誤差滿足《規(guī)范》要求。圖幅中誤差統(tǒng)計(jì)見表3。

4.2　DEM檢查

高程點(diǎn)外業(yè)共檢查905個(gè)，中誤差為0.10 m，小于限差0.2 m(平原地區(qū)地類)，高程誤差滿足《規(guī)范》要求(見表4)。

4.3　DLG檢查

對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)DLG中房屋、道路、鐵塔、圍墻等地物的平面絕對(duì)位置和相對(duì)位置都進(jìn)行外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與圖上測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比檢查，平面點(diǎn)共抽查360個(gè)，相對(duì)位置距離抽查226處，平面點(diǎn)位絕對(duì)中誤差為0.83 m，相對(duì)中誤差為0.21 m，小于限差1.2 m，平面誤差滿足《規(guī)范》要求。表5是部分檢查數(shù)據(jù)。

通過實(shí)測(cè)測(cè)區(qū)中道路、水田、陡坎等地物的高程數(shù)據(jù)與DLG測(cè)量高程進(jìn)行檢查比較，高程點(diǎn)共檢查364個(gè)，高程點(diǎn)的中誤差為0.17 m小于限差0.2 m，高程誤差滿足《規(guī)范》要求。

5結(jié)論

(1)通過中開高速公路項(xiàng)目的生產(chǎn)實(shí)例可以看出:機(jī)載雷達(dá)掃描技術(shù)為用戶提供了高密度的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，只要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理和分類，就可以得到高精度的DEM，基于DEM和數(shù)碼影像可以制作單幅正射影像DOM，在DOM中直接測(cè)繪地物、地貌，利用分類后的點(diǎn)云來修改地物的投影差。精度統(tǒng)計(jì)說明， 這種方法能夠滿足公路1∶2 000地形圖的規(guī)范要求。

(2)利用Lidar數(shù)據(jù)和正射影像制作線劃圖不需要布設(shè)像控點(diǎn)和建立立體像對(duì)，影像清晰容易判別，不需要量測(cè)高程注記點(diǎn)，測(cè)繪等高線，自動(dòng)化程度較高，可以提高效率，縮短作業(yè)周期[6]。

(3)應(yīng)該承認(rèn)，LIDAR技術(shù)雖可以得到高精度DEM和高程點(diǎn)，地形圖的平面精度還是比立體量測(cè)要低，因?yàn)榈匚锏耐队安罡恼扰c點(diǎn)云的密度有關(guān)，點(diǎn)密度大，平面精度就高，地物的中心位置、建筑物的四角和邊緣不可能全部都有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以只能根據(jù)點(diǎn)云的位置和形狀來修正大部分投影差。

(4)地面點(diǎn)和等高線的精度與Lidar航攝質(zhì)量有關(guān)，減少了人工判別的誤差，高精度的DEM直接可以應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的定測(cè)階段，可以制作設(shè)計(jì)專業(yè)需要的橫縱斷面圖，減少外業(yè)測(cè)量人員的工作。

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中圖分類號(hào)：P225.1； P231.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)06-0008-05

作者簡(jiǎn)介：湯建鳳(1968—)，1989年畢業(yè)于西南交通大學(xué)攝影測(cè)量與遙感專業(yè)，高級(jí)工程師。

收稿日期：2015-08-24