奚 歌，張福坤，顏培勝，楊智翔

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院，江西 南昌 330000）

機載激光雷達（LiDAR）系統(tǒng)起源于美國和加拿大，是一種集全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、慣導(dǎo)系統(tǒng)（IMU）、激光測距系統(tǒng)于一體的主動式空間測量系統(tǒng)。目前激光雷達數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于水利、林業(yè)、電力和城市三維建模等領(lǐng)域，而無人機載miniLi-DAR以其機動靈活、低成本和高精度被應(yīng)用到大比例尺高精度測繪、電力巡線和文物保護等諸多領(lǐng)域。2013年高永紅等在黃河流域進行了LiDAR點云數(shù)據(jù)處理流程試驗研究，取得了良好的試驗效果［1］。2015年劉萬華等分別以丘陵地形和山地地形作為試驗樣地，進行機載LiDAR數(shù)據(jù)測繪大比例尺地形圖的研究，對測圖成果精度進行的系統(tǒng)性分析表明，試驗要素精度和DEM精度均可達到1∶2000測圖的要求［2］。

本文利用掃描鷹HS-300小型機載miniLiDAR和CCD相機對某山地庫區(qū)進行1∶1000地形圖測繪，結(jié)果顯示點云和DEM高程中誤差均在10cm以內(nèi)，測繪產(chǎn)品滿足設(shè)計精度要求且縮短了工期、大幅降低了測圖成本，對其它激光雷達測圖應(yīng)用具有一定的參考意義。

1 測區(qū)概況

測區(qū)屬江西省境內(nèi)，位于江西西部羅霄山脈中段。全境自南、北兩側(cè)向中部傾斜，形成不對稱的盆地地貌特征。地貌受構(gòu)造控制明顯，加之河流切割強烈，構(gòu)成以山地、丘陵為主的地形。測區(qū)山地地形特征明顯，且絕大部分地區(qū)沒有道路通達。氣候?qū)賮啛釒駶櫺约撅L(fēng)氣候，雨量充沛，氣候溫和，光照充足，春秋短，冬夏長，霜期短，生產(chǎn)季長。因受季風(fēng)影響，降水和溫度變化大，容易形成干旱、洪澇、酷熱、冰凍等災(zāi)害。為完成該區(qū)的相關(guān)水庫工程建設(shè)，需要開展前期地形圖測繪工作，測圖面積約2km2。

2 技術(shù)方案

技術(shù)流程主要分為LiDAR數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩大步驟，如圖1所示。在申請空域和收集測區(qū)氣象資料的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場踏勘確定起降場地，規(guī)劃航線；基于工期計劃，充分考慮地形要素，利用HS-300低空激光掃描測圖系統(tǒng)（無人機平臺為DJI經(jīng)緯 M600 Pro，激光雷達為 RIEGL mini VUX-1UAV）采集數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，檢查數(shù)據(jù)采集范圍是否符合設(shè)計，是否存在航攝漏洞和航線間拼接精度；外業(yè)采集一定數(shù)量的檢查點，以便檢查點云精度；采用TerraSolid軟件對點云數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換、點云濾波等，分離出地面點與非地面點，利用地面點生成DEM、提取出等高線和高程點，結(jié)合0.1m分辨率影像上矢量化的地物信息進行地形圖制作。

2.1 技術(shù)指標和規(guī)格

平面坐標采用1954北京坐標系，高斯投影3°分帶，中央子午線為114°。高程基準采用1985國家高程基準。

2.1.1 地形圖精度指標

依據(jù)SL197-2013《水利水電工程測量規(guī)范》要求，相關(guān)精度指標應(yīng)滿足表1要求。

表1 地形圖精度要求

2.1.2 DEM精度指標

依據(jù)SL197-2013要求，DEM具體精度指標應(yīng)滿足表2要求。

表2 DEM精度要求

2.1.3 點云精度指標

依據(jù)SL197-2013要求，點云精度指標應(yīng)滿足表3要求。

表3 點云精度要求

2.2 LiDAR數(shù)據(jù)采集

2.2.1 地面基站布設(shè)

在空域可用、氣象和起降場地條件良好的基礎(chǔ)上，航攝實施前應(yīng)先選好基站點。本文所選基站點附近視野開闊，地面穩(wěn)固，點位目標顯著，視場周圍10°以上沒有障礙物遮擋，同時站點遠離大功率無線電發(fā)射源、高壓輸電線和大面積水域。地面基站GPS在啟動機載LiDAR設(shè)備前30min開機，關(guān)閉LiDAR設(shè)備30min后關(guān)機，在此期間，基站運行狀況良好。

2.2.2 機載m iniLiDAR航攝

本文充分考慮地形要素，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上采用掃描鷹HS-300低空激光掃描測圖系統(tǒng)進行了測區(qū)激光雷達點云數(shù)據(jù)的采集?；谇捌谔た被A(chǔ)上，現(xiàn)場規(guī)劃航線，測圖面積為2km2，無人機飛行高度為200m左右，分五個架次共1.5h完成測區(qū)點云數(shù)據(jù)的獲取，雷達實際掃描覆蓋面積約為5km2。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.3.1 機載m iniLiDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理

獲取的原始數(shù)據(jù)共分為兩部分：軌跡數(shù)據(jù)和激光點云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要工作為軌跡線解算、激光點云數(shù)據(jù)解算和航帶拼接［3］。軌跡數(shù)據(jù)利用GNSS基準站觀測數(shù)據(jù)，采用POSPAC軟件對飛行的軌跡姿態(tài)數(shù)據(jù)進行后處理差分解算，平均航跡線解算精度為0.01m；運用RiPROCESS對各航帶數(shù)據(jù)進行分別解算、導(dǎo)出和拼接，如圖2所示。由于山區(qū)氣流較為紊亂，導(dǎo)致飛機平臺不穩(wěn)定，航跡姿態(tài)解算精度有所降低，因此，各航帶間的拼接誤差相比平原地區(qū)略大，經(jīng)過對各航帶數(shù)據(jù)的拼接處理，各航帶間的拼接中誤差整體平均在0.05m左右。

2.3.2 點云數(shù)據(jù)處理

本文平面坐標采用1954北京坐標系，高程基準采用1985國家高程基準。利用測區(qū)控制點成果求取了WGS 84和北京54坐標系之間的7個轉(zhuǎn)換參數(shù)，使用TerraSolid軟件進行數(shù)據(jù)處理，對點云數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換。點云數(shù)據(jù)分塊后對點云數(shù)據(jù)進行分類處理。

首先是噪聲點濾波，將明顯低于地面的點或點群（低點）和明顯高于地表目標的點或點群（空中點）以及移動地物點定義為噪聲點。在進行地面點分類前，先將這類點分離出來。其次是點云自動分類，利用基于反射強度、回波次數(shù)、地物形狀等的算法或算法組合，對點云數(shù)據(jù)進行自動分類［4］。裸露地表處有且只有一次回波，此次回波對應(yīng)的反射點即為地面點。植被覆蓋區(qū)域可能對應(yīng)多次回波，正常的地面點是最后一次回波對應(yīng)的反射點。相對于地物點，地面點的高程是最低的。從較低的激光點中提取初始地表面；基于初始地表面，設(shè)置地面坡度閾值進行迭代運算，直至找到合理的地面。最后是人工編輯分類結(jié)果，結(jié)合正射影像采用人工手動拉取斷面的方法，人工對分類錯誤的點重新進行了分類。人工分類前后對比效果如圖3所示。

圖2 測區(qū)各航帶拼接圖

圖3 人工分類前后對比示意圖

2.3.3 制作DEM和地形圖

（1）基于ArcGIS軟件，利用點云分類后的所有地面點數(shù)據(jù)生成柵格文件，設(shè)置DEM格網(wǎng)間距為1m，制作完成DEM數(shù)據(jù)。

（2）地形圖要素的采集包括地貌和地物兩部分［5］。地貌要素的采集主要是利用點云精分數(shù)據(jù)提取出地面點，從地面點數(shù)據(jù)中分離出等高線關(guān)鍵點，利用等高線關(guān)鍵點生成的模型，進而生成等高線和高程點數(shù)據(jù)。

地物要素以采集的同時期0.1m分辨率正射影像圖為基礎(chǔ)，以外業(yè)調(diào)繪、點云分類成果為輔，編輯完成1∶1000地形圖地物要素的采集。

地物、地貌符號以及注記嚴格執(zhí)行 GB／T20257.1-2007《國家基本比例尺地圖圖式第1部分：1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖圖式》的要求。地物框架要素、地貌要素符號的編輯參照調(diào)繪片，按測圖定位表示。地物測繪采用了內(nèi)業(yè)判繪和外業(yè)調(diào)繪相結(jié)合的測繪方法。利用正射影像套合點云分類成果查找電線桿等變化地物，并進行標注。采集時，嚴格按照調(diào)繪片進行采集，對內(nèi)業(yè)判不清楚和外業(yè)漏調(diào)的內(nèi)容加以圈注，由外業(yè)人員進行檢查核對。測繪地物、地貌元素做到無錯漏、不變形、不移位?？山Y(jié)合分類點云對一些特征地物（如建筑物）的輪廓線進行采集。溝渠、河道寬度按照圖式要求采集了單線、雙線。對防洪堤、堤壩進行了準確測繪，并按照相應(yīng)符號進行表示。植被根據(jù)影像采集圖斑輪廓線。

外業(yè)調(diào)繪并準確合理的表示各種地物、地貌，不完整的補測完整，不合理的修改合理［6］。對內(nèi)業(yè)判讀不清楚的問題，外業(yè)均進行了處理和解決。并做到了描繪清楚，地形圖符號運用恰當，注記準確無誤。

地形圖編輯主要包括地形要素編輯、居民地編輯、點狀地物編輯、交通編輯、等高線編輯、植被編輯、注記編輯等。按照相關(guān)技術(shù)規(guī)定，對點云生成的等高線、高程點、補測地物進行編輯，按照調(diào)繪成果對新增地物進行了編輯，做到了圖面清晰易讀，主次分明，取舍恰當，合理地顯示各種地理要素。

3 精度分析

項目運行期間，從航攝設(shè)計到航攝實施、點云數(shù)據(jù)處理、地形圖測量，每個環(huán)節(jié)均按照設(shè)計要求進行，并進行了必要的過程檢測工作，所有資料均進行兩級檢查，各項指標均符合設(shè)計要求。

3.1 點云精度評定

依據(jù)21個有效檢查點數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)處理軟件TerraScan中的“Output ControlReport”對點云高程進行精度評價。具體見表4、5，點云高程精度滿足測圖要求。

表4 檢查點與對應(yīng)位置點云高程統(tǒng)計表 單位：m

表5 點云高程精度統(tǒng)計表

3.2 地形圖精度評定

（1）根據(jù)外業(yè)實測的檢查點中房角以及電線桿等特征檢查點以及部分像控點檢查地形圖平面精度。統(tǒng)計見表6。

表6 地形圖平面精度統(tǒng)計表

（2）地形圖高程精度主要包括圖幅高程注記點精度與圖幅等高線精度，可以參照點云高程精度統(tǒng)計。

綜上所述，地形圖的平面坐標精度和高程精度均達到規(guī)范要求。

3.3 數(shù)字高程模型（DEM）精度評定

DEM是通過點云成果生成的，篩除電線桿和房角等非地面高程外業(yè)檢查點，選取有效地面檢查點共18個，提取相應(yīng)位置的18個檢查點對應(yīng)DEM高程，將外業(yè)實測檢查點高程與對應(yīng)DEM點高程進行對比分析，見表7、8。

表7 檢查點與對應(yīng)位置DEM高程統(tǒng)計表 單位：m

依據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》相關(guān)規(guī)定，對整個項目區(qū)進行檢查，檢查結(jié)果全部符合規(guī)范要求，能夠真實反應(yīng)本次測圖精度。

4 結(jié)論

本文主要討論了運用無人機載LiDAR進行山地庫區(qū)1∶1000地形圖測繪的實施過程及可靠性，結(jié)果表明其產(chǎn)品精度遠大于設(shè)計規(guī)范要求，完全可以滿足工程生產(chǎn)的實際需求，且可以應(yīng)用到更大比例尺地形圖測繪。無人機載miniLiDAR測圖系統(tǒng)具有投入小、成圖效率高和數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢［7］，降低了三維激光掃描測圖的應(yīng)用門檻，使一些投入較小的工程項目也能運用此套測圖系統(tǒng)，高效經(jīng)濟地為工程項目提供準確可靠的測繪產(chǎn)品。

表8 DEM高程精度統(tǒng)計表

［1］高永紅，韓少紅.LiDAR點云數(shù)據(jù)在河道三維地形數(shù)據(jù)獲取中的應(yīng)用［J］.測繪技術(shù)裝備，2013，15（04）：55-57.

［2］劉萬華，劉超祥，原野.基于機載LiDAR數(shù)據(jù)測繪大比例尺地形圖的研究與應(yīng)用——以山地城市為例［J］.城市勘測，2015（02）：9-12.

［3］熊登亮，柯尊杰，陳舫益，等.機載LiDAR技術(shù)在測制城市1∶1000地形圖中的應(yīng)用［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2015（01）：44-46+58.

［4］王舉.基于激光掃描技術(shù)的水庫大壩三維變形動態(tài)監(jiān)測方法研究［D］.鄭州大學(xué)，2015.

［5］孫洋.無人機遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2017（06）：89-92.

［6］王永亮.新時期3S技術(shù)在水文監(jiān)測中的作用初探［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2017，25（01）：30-31+137.

［7］梁東業(yè).LiDAR技術(shù)及其在水利中的應(yīng)用研究［D］.長江科學(xué)院，2010.