廉鐵輝,徐寅生

(1.天津市引灤工程于橋水庫(kù)管理處，天津 301900；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)04—0023—04

機(jī)載LiDAR技術(shù)在柬埔寨1∶2000地形圖測(cè)量中的應(yīng)用

廉鐵輝1,徐寅生2

(1.天津市引灤工程于橋水庫(kù)管理處，天津 301900；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

結(jié)合柬埔寨項(xiàng)目1∶2 000地形圖測(cè)繪項(xiàng)目，介紹機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在植被茂盛的密林地區(qū)測(cè)繪中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了項(xiàng)目實(shí)施中技術(shù)方案的制定和數(shù)據(jù)后處理的過程。試驗(yàn)表明，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以解決大面積森林覆蓋地區(qū)、沙漠、沼澤、草原等困難地區(qū)及其他無法到達(dá)或危險(xiǎn)區(qū)域的測(cè)繪工作，能夠大量減少人工成本并獲取豐富的地形測(cè)量成果，成果精度滿足相關(guān)規(guī)范要求。

LiDAR；點(diǎn)云處理；高程擬合

0 前 言

柬埔寨1∶2 000地形圖測(cè)量項(xiàng)目位于東南亞幾何中心——柬埔寨王國(guó)國(guó)公省西南部基里沙果縣海濱，接壤西哈努克市，總占地面積約450 km2，測(cè)區(qū)為丘陵地帶，沒有公路相通，僅有國(guó)公省至西哈努克市海域快艇和貨運(yùn)船只往返，途經(jīng)西部某島與海岸線有渡船相通，交通不便、植被茂密[1]。

激光雷達(dá)測(cè)量(LiDAR)作為一種快速獲取空間數(shù)據(jù)的新手段，在地球空間信息科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。LiDAR是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng),它集成了GPS、慣性導(dǎo)航、激光測(cè)距等先進(jìn)技術(shù),具有控制測(cè)量依賴性少、受天氣影響小、自動(dòng)化程度高、成圖周期短等特點(diǎn)。機(jī)載LiDAR作為一種新型的對(duì)地觀測(cè)技術(shù),由于具有主動(dòng)性、受天氣影響小、不受陰影影響以及對(duì)地物間縫隙具有一定的穿透性等優(yōu)點(diǎn),備受應(yīng)用者和研究者的廣泛關(guān)注。目前,機(jī)載UDAR已逐漸應(yīng)用于三維城市建模、大范圍高精度數(shù)字地面模型的獲取、高精度真正射影像的制作、森林資源的管理和評(píng)估、管線勘察等多個(gè)領(lǐng)域[2]。

1 測(cè)量方案比選

(1) 常規(guī)的地形圖測(cè)量需要人工測(cè)出各特征點(diǎn)，測(cè)區(qū)植被比較發(fā)育發(fā)達(dá)，視線遮擋率高達(dá)90%，并且測(cè)區(qū)內(nèi)的一些紅樹林是柬埔寨國(guó)家保護(hù)樹種，不能砍伐，這樣工期和精度均無法保證。

(2) 由于測(cè)區(qū)植被覆蓋較密，交通不便，傳統(tǒng)攝影測(cè)量的像控點(diǎn)布設(shè)困難，相片聯(lián)測(cè)困難，并且受限于人工立體采集的精度，高程精度很難保證。

(3) 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)是安裝在飛機(jī)上的激光雷達(dá)系統(tǒng)，是一種將激光測(cè)量距離、全球定位系統(tǒng)、和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3種技術(shù)集成于一體的系統(tǒng)[3]，概括起來機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 航空攝影測(cè)量和傳統(tǒng)測(cè)量高程地貌點(diǎn)相結(jié)合的方式，快速獲取數(shù)據(jù)，外業(yè)工作量小，可以解決測(cè)區(qū)內(nèi)部分沼澤區(qū)和紅樹林區(qū)的地形圖測(cè)量。

2) 數(shù)據(jù)精度高、密度高，測(cè)量范圍大，測(cè)量效率高。系統(tǒng)采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)非常密集，精度也高，通常激光點(diǎn)距離1～2 m，平面絕對(duì)精度0.3 m，高程絕對(duì)精度0.2 m。

3) 穿透植被能力強(qiáng)。由于激光探測(cè)具有多次回波的特性，能夠有效克服植被的影響，可以更精確地探測(cè)地面真實(shí)地形地貌。

4) 數(shù)據(jù)處理效率高。從航飛數(shù)據(jù)獲取到生成符合精度要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果，自動(dòng)化程度高，一般無需人工干預(yù)，其生產(chǎn)DEM和DOM的時(shí)間要比傳統(tǒng)攝影測(cè)量快4～5倍。

5) 成果運(yùn)用豐富。系統(tǒng)配備有高清數(shù)碼相機(jī)，在測(cè)量地面激光點(diǎn)坐標(biāo)的同時(shí)，還能同時(shí)采集同一區(qū)域高分辨率影像數(shù)據(jù)。經(jīng)過加工處理后，可以得到DEM、DOM、DSM等數(shù)據(jù)產(chǎn)品[4-5]。

2 項(xiàng)目實(shí)施總結(jié)

(1) 總體技術(shù)方案

機(jī)載激光雷達(dá)攝影測(cè)量工作主要分為3個(gè)階段：首先做測(cè)區(qū)的基礎(chǔ)資料收集、分析及空域申請(qǐng)工作；其次開展地面控制測(cè)量和機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取工作；最后進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)的后處理工作。具體的實(shí)施過程如圖1所示。

(2) 設(shè)備的檢校

設(shè)備在安裝過程中存在安裝誤差，可以通過高精度檢校手段有效剔除姿態(tài)誤差，明顯提高數(shù)據(jù)精度。檢校區(qū)域布設(shè)了4條航線，2條低航高，2條高航高。檢校區(qū)域選擇在平坦且具有明顯線狀物的區(qū)域。

(3) 地面基站布設(shè)與觀測(cè)

在飛行區(qū)域內(nèi)，架設(shè)GPS固定基準(zhǔn)站，用地面GPS固定基準(zhǔn)站采集的數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部的雙頻GPS接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分測(cè)量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得連續(xù)的、更精確的傳感器位置。本次收集了全球高程異常分布圖，發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)的高程異常相差不大，結(jié)合高程異常和IMU漂移精度不大于0.002 7 (°)/s 的技術(shù)要求，GPS基站與機(jī)載GPS距離不能大于15 km。根據(jù)這一要求，在航測(cè)區(qū)域內(nèi)平均每30 km距離布設(shè)1臺(tái)地面GPS基站[6-7]。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)攝影測(cè)量工作步驟圖

(4) 航空攝影

項(xiàng)目的航飛飛機(jī)采用了ECUREUIL AS350直升飛機(jī),機(jī)載激光雷達(dá)采用Leica ALS50Ⅱ三維激光掃描系統(tǒng)實(shí)施，其中相機(jī)為L(zhǎng)eica RCD105。本次作業(yè)高度為750 m，航線總條數(shù)106條，總長(zhǎng)度約1 135 km，像元6.8 μm。

(5) 機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理

1) 機(jī)載LiDAR接收機(jī)質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)航飛獲取的所有機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查和評(píng)估，檢測(cè)影像色彩、點(diǎn)云密度噪音情況、航線覆蓋范圍等各項(xiàng)指標(biāo)。

2) 機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)檢校

利用外業(yè)GPS聯(lián)測(cè)的控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的航帶拼接和高程精度進(jìn)行檢測(cè)和改正[8]。

(6) 機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)后處理

1) 點(diǎn)云分類處理

點(diǎn)云分類處理包括點(diǎn)云自動(dòng)分類和手工分類。點(diǎn)云自動(dòng)分類是選用合適的濾波算法將點(diǎn)云中的低點(diǎn)、空中點(diǎn)等噪聲點(diǎn)剔除，并分類出地表點(diǎn)，然后針對(duì)自動(dòng)處理無法分類的部分再結(jié)合軟件生成的可實(shí)時(shí)編輯的模型進(jìn)行精細(xì)化處理，分類后的地表點(diǎn)數(shù)據(jù)就可以用來制作DEM成果。

2) 使用POS數(shù)據(jù)采用無控方式制作DOM

先利用經(jīng)過相機(jī)檢校后的航攝影像數(shù)據(jù)及影像外方位元素?cái)?shù)據(jù)，并結(jié)合點(diǎn)云對(duì)航攝像片進(jìn)行無控的空三加密；然后利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逐塊數(shù)字微分糾正；最后通過影像鑲嵌、調(diào)色、裁切后生成DOM。

3) 等高線與高程點(diǎn)制作

等高線是根據(jù)分類好的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取等高線關(guān)鍵點(diǎn)后由軟件自動(dòng)生成，然后再結(jié)合DOM和點(diǎn)云模型渲染圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉?。溝谷、坎、水系邊緣等激光無法穿透或地形變化區(qū)域需重點(diǎn)檢查。

高程點(diǎn)的制作需根據(jù)實(shí)際地面分布特征選取合適的點(diǎn)位，利用DEM成果對(duì)其自動(dòng)賦高程值，并結(jié)合DLG要素的相互關(guān)系等進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉嫛?/p>

4) 精度指標(biāo)：① Lidar數(shù)據(jù)(地面點(diǎn))精度指標(biāo)。經(jīng)過質(zhì)量檢測(cè)，DOM平面中誤差優(yōu)于±0.8 m，DEM高程精度優(yōu)于±0.25 m，高程中誤差平原地區(qū)0.25 m、丘陵地0.35 m，符合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)DOM和DEM中誤差的精度要求；② 數(shù)碼影像精度要求。地面分辨率達(dá)到18 cm，精度滿足攝影測(cè)量國(guó)標(biāo)[9-11]要求。

(7) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

機(jī)載激光雷達(dá)直接得到的原始坐標(biāo)為WGS84坐標(biāo)系坐標(biāo)，而生產(chǎn)項(xiàng)目一般都是平面直角坐標(biāo)系坐標(biāo)。這樣就必須進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換結(jié)果直接決定了生產(chǎn)成果的精度和可靠性。

1) 平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

本項(xiàng)目成果要求為GRS80橢球UTM投影的WGS84平面坐標(biāo)，而機(jī)載雷達(dá)通過GPS技術(shù)獲取的原始坐標(biāo)為WGS84大地坐標(biāo)，需要通過3個(gè)以上地面公共控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2) 高程轉(zhuǎn)換

本項(xiàng)目成果高程系統(tǒng)要求為當(dāng)?shù)貒?guó)家高程基準(zhǔn)，而機(jī)載激光雷達(dá)通過GPS技術(shù)獲取三維坐標(biāo)中的高程為大地高，起算點(diǎn)為橢球面。兩者基準(zhǔn)存在高程異常，不能直接應(yīng)用，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[12]。

在測(cè)區(qū)布設(shè)了水準(zhǔn)測(cè)量路線，聯(lián)測(cè)了測(cè)區(qū)內(nèi)的所有GPS點(diǎn)，根據(jù)選擇的2套坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，建立布爾莎七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式[13]，反算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后利用EGM2008高程模型和實(shí)地外業(yè)測(cè)量高程點(diǎn)的方案進(jìn)行了驗(yàn)證，精度完全滿足規(guī)范要求。

(8) 精度統(tǒng)計(jì)

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，按照規(guī)范要求，在野外測(cè)量高程點(diǎn)對(duì)成圖精度進(jìn)行了檢查，經(jīng)過內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)，成圖精度完全滿足1∶2 000航空攝影測(cè)量成圖精度，部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1、2所示。

表1 地形圖抽查檢測(cè)平面檢查精度統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)順利完成了項(xiàng)目的測(cè)繪工作，并形成了DEM、DOM、DLG等一系列產(chǎn)品。經(jīng)過外業(yè)的實(shí)際檢測(cè)，項(xiàng)目的精度完全滿足規(guī)范(采用中國(guó)相關(guān)規(guī)范)要求。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以解決大面積森林覆蓋地區(qū)、沙漠、沼澤、草原等困難地區(qū)及其他無法到達(dá)或危險(xiǎn)區(qū)域的測(cè)繪工作，能夠大量減少人工成本并獲取豐富的地形測(cè)量成果。在綜合吸取了多個(gè)項(xiàng)目的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和積極探索創(chuàng)新下，形成了一套從航飛設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)加工和成果應(yīng)用的完整流程，并取得了良好的效果。

表2 地形圖抽查檢測(cè)圖幅等高線中誤差統(tǒng)計(jì)表

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Application of Aircraft-carrying LiDAR Technology in Surveying of 1∶2000 Topographic Map

LIAN Tie-hui1, XU Yin-sheng2

(1.Tianjin Municipal Yuqiao Reservoir Management Center of Lian River Diversion Project, Tianjin 301900,China;2.China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co., Ltd., Tianjin 300222,China)

With practice of the surveying of 1∶2000 topographic map in Cambodia project, application of the aircraft-carrying laser radar technology in surveying in the region where vegetation is flourishing and dense. Preparation of the technical proposal and course of the post data processing in the project implementation are introduced especially. The tests prove that the aircraft-carrying laser radar technology can realize the surveying and mapping of the regions where forests cover in a large area, deserts, marshland and grass land, etc and it is difficult to reach and perform the surveying or the area where is dangerous, and it is impossible to survey. The technology can largely reduce manpower cost and obtain abundant topographic surveying results. The surveying precision satisfies the requirements of relevant specifications.Key words: LiDAR; dot cloud handling; elevation fitting

2015-02-10

廉鐵輝(1976- )，男，天津市人，高級(jí)工程師，從事水文水資源利用研究.

P231

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.006