韓　磊,張漢德,邵成立,蔣旭惠

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033；2.中國海監(jiān)北海航空支隊，山東 青島 266061)

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無地面控制的海岸帶航空遙感測量精度研究
——機載LiDAR用于膠州灣海岸帶測量

韓磊1,張漢德2,邵成立1,蔣旭惠2

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033；2.中國海監(jiān)北海航空支隊，山東 青島 266061)

摘要：海島海岸帶地區(qū)，地理位置特殊，不便地形測量；對該區(qū)域進行航空遙感測量時，由于區(qū)域內(nèi)大部分為低紋理地區(qū)，進行同名點匹配有困難，且不易進行野外控制點加密測量。機載(LIDAR)因其發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹林遮擋，具有一定的透水性能，能獲得灘涂地區(qū)的高程，并且其系統(tǒng)配備的全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性測量系統(tǒng)(INS)，使其定位精度得到很好的保證。文中選用膠州灣沿岸為試驗區(qū)域，采用Leica公司的ALS70在低潮時進行測區(qū)的數(shù)據(jù)獲取，并對結(jié)果進行精度分析，得出在該區(qū)域采用機載激光掃描系統(tǒng)ALS70進行無野外控制點加密的航空遙感，成果精度能滿足1∶5 000比例尺測圖的需要。

關(guān)鍵詞：機載LiDAR;數(shù)字高程模型(DEM);數(shù)字正射影像(DOM)

機載LiDAR系統(tǒng)是一種集激光測距、GPS和INS3種技術(shù)于一體的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確三維地形(DEM)。這3種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準(zhǔn)確地定位激光束打在物體上的光斑。機載LiDAR的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史，在地形測繪、環(huán)境檢測、三維城市建模等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，這項技術(shù)的出現(xiàn)是繼GPS以來在遙感測繪領(lǐng)域的又一場技術(shù)革命[1-4]。機載LiDAR進入我國以來，在相關(guān)行業(yè)也得到了充分的應(yīng)用與發(fā)展。其中，在海島、海岸帶的航空遙感測量方面已經(jīng)有了相關(guān)案例。在海島海岸帶調(diào)查和江蘇省沿海灘涂、海島礁的1∶10 000比例尺的測繪中取得了成功的應(yīng)用[5-6]。

由于海岸帶地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅猛，對地形圖和相關(guān)測繪成果的精度要求越來越高。本文用機載LiDAR系統(tǒng)ALS70對海岸帶進行1∶5 000比例尺的航空遙感測量，數(shù)據(jù)處理采用無地面控制點的處理方式，相片定位完全采用機載GPS和地面基站的差分解算結(jié)果以及慣性測量單元的測量結(jié)果，分析了其成果數(shù)字正射影像圖和數(shù)字高程模型的精度。

1實驗概況

1.1總體技術(shù)流程

技術(shù)流程見圖1。

圖1　技術(shù)路線

1.2測區(qū)選擇

膠州灣為封閉性海灣，且大部分河流從海灣北部入海，造成海灣的北部特別是西北部和東北部波浪作用很弱，而入海物質(zhì)相對又較多，形成以潮汐作用為主的海岸地貌單元。其北部灣頂多為寬坦的粉砂淤泥質(zhì)潮灘，僅紅島附近有基巖海岸、礫石灘海岸分布[1]，此次實驗選擇膠州灣北部區(qū)域為實驗區(qū)域。

1.3執(zhí)行情況

1.3.1數(shù)據(jù)獲取設(shè)備

本次數(shù)據(jù)獲取采用的設(shè)備為機載激光掃描集成系統(tǒng)ALS70-HP，系統(tǒng)由激光掃描儀LS70、系統(tǒng)控制箱SC70、操作終端OC52和相機系統(tǒng)RCD30組成，如圖2所示。傳感器位置與姿態(tài)參數(shù)獲取設(shè)備為IPAS20。

圖2　ALS70-HP系統(tǒng)組成

1.3.2數(shù)據(jù)獲取

1)航線設(shè)計。飛行前對飛行區(qū)域及其鄰近地區(qū)進行相關(guān)資料收集與實地勘查，主要內(nèi)容：飛行區(qū)域的行政區(qū)劃、通訊、交通和自然地理等情況；飛行區(qū)域及鄰近地區(qū)內(nèi)各類型地面控制點、GPS水準(zhǔn)點的情況；飛行區(qū)域的地形類別、地面覆蓋類型、植被覆蓋密度、坡度、開發(fā)現(xiàn)狀等。并對飛行區(qū)域及其周邊區(qū)域的潮汐資料收集。

2)飛行時間確定。根據(jù)調(diào)查區(qū)域的海洋觀測站分布情況，搜集附近2～3個海洋觀測站5～7 d的驗潮資料，分析潮汐變化規(guī)律，推算5～7 d低潮時，根據(jù)該時間和日照條件制定飛行時間安排，為保證低潮時間的準(zhǔn)確、可靠，應(yīng)依照當(dāng)天的潮汐實際觀測值，對潮汐預(yù)測做出修正。在該實驗中，根據(jù)實驗測區(qū)待測范圍，基于海事服務(wù)網(wǎng)潮位預(yù)報，推算了低潮時間窗口。

3)數(shù)據(jù)獲取。按照時間窗口進行數(shù)據(jù)獲取飛行，數(shù)據(jù)獲取的同時，在測區(qū)范圍內(nèi)的一個已知地面點架設(shè)GPS進行靜態(tài)觀測，在后期數(shù)據(jù)處理時，將其數(shù)據(jù)與機載GPS數(shù)據(jù)進行差分解算，從而提高機載數(shù)據(jù)的定位精度。若測區(qū)內(nèi)無已知高精度的地面控制點，則可以在GPS信號好的地方架設(shè)GPS進行同步觀測，后期該地面點的坐標(biāo)則可通過精密單點定位技術(shù)獲得。

該架次飛行結(jié)束后，獲取的數(shù)據(jù)包括：數(shù)字影像數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)、定位定向數(shù)據(jù)3組機載傳感器數(shù)據(jù)和1組地面GPS基站數(shù)據(jù)；飛行高度為3 000 m，獲取的數(shù)字影像分辨率為0.36 m。

1.3.3數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

1)飛行質(zhì)量檢查。對獲取的數(shù)據(jù)進行了全面的質(zhì)量檢查。航線設(shè)計合理，獲取的影像數(shù)據(jù)覆蓋全測區(qū)，沒有航攝漏洞，航向重疊率為60%～70%；旁向重疊率為30%～35%，地面分辨率為0.36 m，最大旋偏角沒有超過10°，符合規(guī)范要求。

2)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。對獲取的數(shù)字影像進行了質(zhì)量檢查，影像清晰，反差適中，色彩飽和度好，地物有較豐富的層次，能辨別與地面分辨率相適應(yīng)的細小地物影像，獲取的航空影像資料質(zhì)量符合規(guī)范要求。

3)IMU/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。對機載的定位數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量檢查。下載IMU/GPS數(shù)據(jù)并存儲，進行預(yù)處理后，進行檢查分析。經(jīng)檢查，IMU數(shù)據(jù)正常、連續(xù)；Event Mark值正常，不存在重號、漏號。GPS數(shù)據(jù)無失鎖現(xiàn)象發(fā)生，進行差分GPS處理計算，觀測質(zhì)量、共星情況和解算精度均滿足精確后處理的要求。

4)激光(LiDAR)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。下載該架次的原始激光點云(Lidar)數(shù)據(jù)，使用ALS PP軟件將激光數(shù)據(jù)進行處理，對Lidar數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，同時將空間信息賦予Lidar數(shù)據(jù)。經(jīng)檢查，該架次的LiDAR數(shù)據(jù)獲取不存在遺漏或中斷；激光點分布合理、不存在漏掃的現(xiàn)象；LiDAR點云覆蓋滿足要求；航線間LiDAR數(shù)據(jù)的重疊率滿足要求；航線數(shù)量、飛行高度、掃描角等參數(shù)與計劃一致，文件數(shù)量與航線長度相符合；將LiDAR數(shù)據(jù)分別按回波次數(shù)、高程、航線、強度、距離進行顯示，不存在異常。任意選取一個剖面，剖面上的Lidar數(shù)據(jù)立體分布未顯示異常，航線軌跡生成和激光數(shù)據(jù)預(yù)處理能順利進行。

5)地面GPS基站數(shù)據(jù)初檢。地面GPS基站數(shù)據(jù)主要檢查GPS數(shù)據(jù)記錄的起止時間、衛(wèi)星數(shù)量、DOP值等信息，經(jīng)檢查:采用預(yù)報星歷，進行GPS觀測質(zhì)量檢查，其中高度角在10°以上的有效觀測量大于觀測量的95%，符合要求；測距觀測質(zhì)量MP1和MP2小于0.5 m；采集時段與飛行時段符合，GPS基站數(shù)據(jù)的采集頻率符合要求。

1.3.4數(shù)據(jù)處理

1)定位定向數(shù)據(jù)處理 。機載IPAS設(shè)備主要獲取數(shù)據(jù)的定位定向數(shù)據(jù)，包含GPS數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)。IMU/GPS數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)分離、GPS數(shù)據(jù)差分、數(shù)據(jù)擬合、外方位元素生成幾個步驟。根據(jù)IMU/GPS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)記錄的定位定向數(shù)據(jù)，與地面GPS基站的數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算，得出具有更高精度的定位定向信息。并由此計算出航空相片的6個外方位元素。

2)數(shù)字高程模型生成。機載LiDAR設(shè)備將三維激光掃描儀和定位定向系統(tǒng)相結(jié)合，以發(fā)射激光束并接收回波的方式，獲取目標(biāo)三維信息，主要獲取的數(shù)據(jù)為激光點云數(shù)據(jù)。激光點云數(shù)據(jù)經(jīng)過噪聲點去除、地表覆蓋物點(建筑物、植被等)分離后得到地面激光返回點的集合，從而生成地表的數(shù)字高程模型。在實驗中，激光數(shù)據(jù)的處理分為3個步驟：原始數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、激光點云分類和DEM生成。3個步驟分別在ALS PP、Terra Solid及Erdas Imagine軟件中完成。

3)正射影像制作。采用ALS70系統(tǒng)配備的IPAS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，能準(zhǔn)確計算出相機曝光瞬間相機的姿態(tài)數(shù)據(jù)，直接得到相片的6個外方位元素，較傳統(tǒng)的攝影測量生產(chǎn)減少了相對定向的步驟，內(nèi)定向后可直接引入相片的6個外方位元素進行絕對定向；系統(tǒng)配備的LiDAR系統(tǒng)，能直接獲得地面高程模型，DEM生成步驟簡單；將DEM數(shù)據(jù)直接引入正射變換，得到正射影像，整個影像數(shù)據(jù)處理工作流程自動化程度高。如圖3、圖4所示為所得到的正射影像的局部細節(jié)圖。

圖3　正射影像圖區(qū)域1

圖4　正射影像圖區(qū)域2

1.3.5精度檢核

對整個測區(qū)布設(shè)一定密度的檢核點，到實地進行GPS測量。據(jù)此對處理得到的數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)的精度進行評價,分析成果是否滿足1∶5 000比例尺測量成果的要求。

1)DOM平面精度。利用外業(yè)檢測點對DOM影像成果進行精度檢測，共用到點63個，DOM地物點相對于外業(yè)檢測點的最小誤差為0 m，最大誤差值為1.190 9 m。

DOM平面點位中誤差[8]：

(1)

式中：RMS為DOM平面點位中誤差；n為檢查點個數(shù)；xi，yi表示DOM影像上檢查點的坐標(biāo)；Xi，Yi為檢查點的實地坐標(biāo)。

依據(jù)中誤差公式，計算出DOM檢查點較差中誤差為0.46 m，如表1所示。

表1　DOM精度檢查表

2)DEM精度檢查。利用外業(yè)檢測點對DEM成果進行精度檢測，共用點73個，其中高程最大誤差0.233 7 m；最小誤差0.000 2 m。

DEM高程中誤差依據(jù)下式進行計算[8]：

(2)

式中：RMS為DEM高程中誤差；n為檢查點個數(shù)；zi為DEM影像上檢查點的坐標(biāo)；Zi為檢查點的實地坐標(biāo)。

DEM數(shù)據(jù)成果立體模型符合情況良好，高程中誤差為0.11 m，如表2所示。

表2　DEM精度檢查表

2結(jié)束語

此次試驗中，后期進行數(shù)據(jù)處理時，完全采用機載GPS與地面基站的差分解算結(jié)果和慣性測量單元的測量記錄進行一系列的處理得到激光點云和數(shù)字影像的坐標(biāo)和方位。實驗結(jié)果表明這完全能滿足1∶5 000比例尺測圖的要求。若測區(qū)絕大部分為灘涂，無已知地面點進行基站架設(shè)，可以考慮采用精密單點定位方法獲得地面基站的坐標(biāo)，將其與機載GPS進行差分解算，以提高整個架次的成果精度[5]。若要對海岸帶區(qū)域進行更大比例尺的測圖，則需要降低飛行高度，增加航帶重疊度，放慢飛行速度，以保證激光點云有足夠的密度。

海岸帶灘涂地區(qū)由于地形復(fù)雜，人力通常難以到達，而且即便人力到達，潮汐時間的要求對測量速度和測量質(zhì)量都提出很高的要求，因此，灘涂地區(qū)的一直是地形圖測量領(lǐng)域的難點區(qū)域，機載激光雷達的機動性、測量精度提供一個很好的解決辦法。機載LiDAR正在包括海岸帶區(qū)域在內(nèi)的傳統(tǒng)測量難以完成的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著越來越大的作用。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

Research of the precision on aerial remote sensing in the coastal area without ground control points—application of aerial LiDAR to Jiaozhou Bay

HAN Lei1，ZHANG Hande2，SHAO Chengli1，JIANG Xuhui2

(1．Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Institute，Qingdao 266033，China;2．Northern Sea Air-Borne Detachment of China Marine Surveillance，Qingdao 266061，China)

Abstract：Topographic surveying in the island and coastal zone is very hard because of its special geographical position and properties.During aerial remote sensing in this kind of area,point matching and ground control points measurement are difficult to carry out owing to the low texture and too many rocks or tidal flat.The Light Detection and Ranging system (LIDAR) can emit the pulse which can penetrate wood block and go through water to a certain extent. So it can get the elevation of the coastal area. The positioning precision can be guaranteed as for the equipments such as Global Positioning System (GPS) and Inertial Navigation System (INS). Due to the good penetration performance and positioning capability, LiDAR has been applied to the island and coastal zone surveying since its appearance. In this paper, Jiaozhou Bay is chosen as the experimental region. Airborne LiDAR ALS70 is adopted to take the data acquisition at the time of low tide. The data processing flow is studied. The result indicates that, ALS70 can satisfy the precision requirement of 1∶5 000 scale surveying in coastal area without ground control points.

Key words：aerial LiDAR;digital elevation model(DEM);digital orthoimage(DOM)

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.07.008

收稿日期：2015-04-14；修回日期：2015-10-10

作者簡介：韓磊(1981-)，男,工程師，碩士.

中圖分類號：P237

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)07-0036-04