高文明

(北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100038)

對穿越地形復(fù)雜，基本沒有道路可以通行，植被茂密、通視條件差、山坡陡峭的大面積測區(qū)進行地形圖測量，常規(guī)工程地形圖測量方法具有受通視條件影響大、外業(yè)工作強度大、采集的地貌特征點密度不夠或采集點不均勻、地形起伏很難精確表示等缺點，因此在該類測區(qū)采用全站儀采集數(shù)據(jù)獲取地形圖的方法已無優(yōu)勢?，F(xiàn)階段隨著航空攝影測量、機載激光雷達(dá)(以下簡稱機載LiDAR)、衛(wèi)星遙感等技術(shù)應(yīng)用相對成熟，可以綜合利用多源測量數(shù)據(jù)技術(shù)各自優(yōu)勢，為道路工程勘測提供高精度測量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為提高數(shù)據(jù)精度和測量效率，本文介紹了一種采用機載LiDAR主動測量技術(shù)，結(jié)合高分遙感影像的多源數(shù)據(jù)融合的技術(shù)方法，為工程勘測提供一種新的技術(shù)選擇。

1　機載LiDAR技術(shù)

機載LiDAR技術(shù)是一種將激光技術(shù)、高動態(tài)載體姿態(tài)測定技術(shù)和高精度動態(tài)GPS差分定位技術(shù)相融合的技術(shù)，具有采集密度高、數(shù)據(jù)精度高、植被穿透能力強、不受陰影和太陽高度角影響等特點[1-4]。

機載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)的主要組成部分為：動態(tài)差分GNSS接收機，用于確定激光雷達(dá)信號發(fā)射參考點的空間位置；姿態(tài)測量裝置(一般為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或多天線陳列GNSS系統(tǒng))，用于測定掃描裝置的主光軸姿態(tài)參數(shù)；激光掃描儀，用于測定激光雷達(dá)信號發(fā)射參考點到地面激光腳點間的距離[5-6]。機載LiDAR測量作業(yè)原理如圖1所示，機載LiDAR測量激光采集方式如圖2所示，機載LiDAR技術(shù)的作業(yè)流程[7-8]如圖3所示。

機載LiDAR系統(tǒng)主要優(yōu)勢和用途之一就是利用采集的點云數(shù)據(jù)快速制作高精度數(shù)字高程模型(DEM)，平原、丘陵地區(qū)的高程中誤差可達(dá)0.14 m，山地地區(qū)的高程中誤差可達(dá)0.41 m[9]，滿足1∶1000地形圖的精度要求[10-11]。缺點是與航空影像提取地物特征點的能力相比，利用機載LiDAR點云數(shù)據(jù)進行自動識別地物和提取特征點的準(zhǔn)確度相對較低。

圖1　機載LiDAR測量作業(yè)原理

圖2　機載LiDAR測量激光采集方式

圖3　機載LiDAR技術(shù)作業(yè)流程

2　衛(wèi)星遙感技術(shù)

基于遙感影像的測量方法是利用遙感影像獲取高精度地物數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，具有被動式取光成像、地物影像識別率高、生產(chǎn)周期短、不受地形情況限制等優(yōu)點[12-13]。因此，自20世紀(jì)80年代初，我國陸續(xù)應(yīng)用美國TM陸地衛(wèi)星及法國SPOT等衛(wèi)星圖像，通過對衛(wèi)星圖像的判釋，查明線路經(jīng)過地區(qū)的工程地質(zhì)和地形條件，為線路初選階段的優(yōu)化設(shè)計和技術(shù)決策提供科學(xué)依據(jù)。

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是近幾年衛(wèi)星成像的空間幾何分辨率逐步提高，目前最新一代商用遙感衛(wèi)星分辨率已經(jīng)達(dá)到0.31 m，通過高分辨率衛(wèi)星影像可以準(zhǔn)確解譯出更詳細(xì)的地物要素，為遙感數(shù)據(jù)在大比例尺地形高精度勘測中提供新的技術(shù)應(yīng)用方向。

衛(wèi)星影像生產(chǎn)流程[14-15]如圖4所示。

圖4　衛(wèi)星影像生產(chǎn)流程

該方法的缺點是在植被茂密、地面難以到達(dá)的區(qū)域，外業(yè)工作難度大，且很難采集到植被遮擋處的真實地面點數(shù)據(jù)，故高程精度一般難以滿足大比例尺道路工程勘測的需求。

3　多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用技術(shù)路線

機載LiDAR在高程信息獲取中具有先天技術(shù)優(yōu)勢，并利用衛(wèi)星影像進行輔助地物解譯和平面定位?；谏鲜鰞煞N數(shù)據(jù)源提出以下生產(chǎn)工藝流程(如圖5所示)：

(1) 利用機載LiDAR技術(shù)獲取點云數(shù)據(jù)。

(2) 對點云數(shù)據(jù)預(yù)處理解算、航帶校正、濾波剔除非地面點后，提取地面點，制作DEM模型和等高線數(shù)據(jù)。

(3) 在衛(wèi)星影像的基礎(chǔ)上，利用激光點云數(shù)據(jù)和控制點進行影像定向和正射糾正，制作DOM數(shù)據(jù)。

(4) 利用DOM數(shù)據(jù)進行地物矢量采集，結(jié)合點云數(shù)據(jù)及外業(yè)調(diào)繪成果對地物要素進行判讀。結(jié)合已制作的等高線數(shù)據(jù)，綜合編輯制作DLG成果數(shù)據(jù)。

圖5　多源遙感數(shù)據(jù)制作DLG成果

4　工程應(yīng)用案例

本文以興延路工程第2標(biāo)段為例，介紹利用機載LiDAR技術(shù)與遙感技術(shù)相結(jié)合的方法進行內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的過程。

4.1　工程概況

興延路工程第2標(biāo)段位于昌平區(qū)西北方向，屬于規(guī)劃興延路最北邊的一段，大致為南北走向，南起北京市昌平區(qū)北禾路千龍灘，北至延慶縣康莊鎮(zhèn)。地跨115°55′28″E—116°00′59″E、40°14′10″N—40°22′45″N之間，全線長19.8 km(如圖6所示)。測區(qū)以陡峭山地為主，海拔最低處約358 m，最高處山頭高約993 m，絕對高差635 m；且測區(qū)內(nèi)多為懸崖峭壁、植被覆蓋率非常高，交通不便，部分地區(qū)人跡罕至。

圖6　興延路工程第2標(biāo)段工作范圍示意圖

該項目需要對線路中心線兩邊各500 m范圍內(nèi)進行地形測量，提供1∶2000地形圖成果。

4.2　機載LiDAR作業(yè)與成圖

由于工期緊張，項目在航飛設(shè)計時，只采集激光點云數(shù)據(jù)，不兼顧影像質(zhì)量成果。這樣可以大大避免太陽高度角、不利天氣的影響，增加航攝時間窗口，短期內(nèi)能快速獲取有利數(shù)據(jù)成果。

該項目選用徠卡ALS70機載LiDAR系統(tǒng)進行航飛作業(yè)采集，航攝參數(shù)設(shè)置見表1，航飛線路如圖7所示。

表1　機載LiDAR航攝參數(shù)

圖7　航線設(shè)計

4.2.1基站與控制點測量

本項目采用了1個市級地面CORS站為地面基站，GPS采樣間隔設(shè)置為1 s。

基于CORS站，采用了網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)方式，在測區(qū)共布設(shè)了26個像控點。點位的選取原則為：選取地面明顯地物點，點位區(qū)域高程相對平坦，盡量選在旁向重疊中線附近，使控制點在相鄰航線能共用。

4.2.2坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

采用七參數(shù)模型，利用2套已知控制點坐標(biāo)，將原始WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成所需平面坐標(biāo)系統(tǒng)。結(jié)合大地水準(zhǔn)精化成果將轉(zhuǎn)換控制點大地高推算出對應(yīng)的地方高程系，利用二次曲面擬合方式和2套坐標(biāo)成果，將點云數(shù)據(jù)批量改正成地方高程。

4.2.3點云數(shù)據(jù)分類

利用TerraSolid軟件實現(xiàn)不同航帶點云數(shù)據(jù)的校正、分類濾波，剔除植被、構(gòu)筑物等非地面點數(shù)據(jù)，得到真實地面點數(shù)據(jù)，并利用地面點制作數(shù)字高程模型(DEM)，如圖8所示。

4.3　遙感底圖與DLG成果的制作

本文利用3景0.4 m WorldView影像，可以覆蓋整個線路區(qū)域。

充分利用已有點云數(shù)據(jù)，并結(jié)合外業(yè)測量，在單景衛(wèi)星影像四周和中間位置布設(shè)控制點，進行影像定向和糾正，制作數(shù)字正射影像圖(DOM)成果。

圖8　基于地面點云數(shù)據(jù)制作的DEM和等高線成果

利用ArcGIS軟件對影像進行內(nèi)業(yè)矢量采集。首先，在DOM基礎(chǔ)上描繪地物要素，以圖幅為單位回放紙圖；其次，進行野外調(diào)繪與補測，主要對漏測的地物進行補測，對新增地物進行采集，對被遮擋地物進行編輯；然后，根據(jù)外業(yè)調(diào)繪成果和內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)，再對矢量數(shù)據(jù)進行編輯、處理；最后結(jié)合等高線數(shù)據(jù)形成DLG數(shù)據(jù)成果，如圖9所示。

圖9　DLG成果

4.4　成果形式和精度驗證

利用機載LiDAR和遙感數(shù)據(jù)結(jié)合技術(shù)路線，本文除提供了項目規(guī)定的DLG成果以外，還提供了分類點云、DEM、DOM成果，如圖10所示，大大提高了后續(xù)線路設(shè)計的質(zhì)量和效率。

圖10　DLG套合DOM成果

DLG成果質(zhì)量檢測采用點位檢測的方法，分別利用全站儀和單基站RTK測量方式進行DLG的全野外檢測。檢測點的選取原則為在測區(qū)均勻分布、隨機選取的明顯地物點，1幅圖至少選取檢測點20個，檢測點總數(shù)不少于100個。

全線共55幅圖，共檢測7個圖幅共計334點，檢測結(jié)果為：平地、丘陵地區(qū)平面中誤差1.05 m、高程中誤差0.23 m；山地區(qū)域平面中誤差1.13 m、高程中誤差0.52 m。詳見表2、表3。

表2　平面中誤差統(tǒng)計

表3　高程中誤差統(tǒng)計

按照《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》中對1∶2000地形圖的平面位置中誤差(見表4)、高程中誤差(見表5)的要求，從檢測結(jié)果來看，利用LiDAR技術(shù)與遙感衛(wèi)星影像融合測制的1∶2000比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表4　1∶2000地形圖的平面位置中誤差　m

表5　1∶2000地形圖的高程中誤差　m

5　結(jié)　語

利用機載LiDAR、衛(wèi)星影像等多源數(shù)據(jù)融合制作工程所需地形成果的方法，在本項目中具有較強的實用性，在成果質(zhì)量和成果形式完全滿足技術(shù)要求的同時，還大大縮短了工期，降低了外業(yè)工作強度，今后類似工程可以借鑒參考使用。

另外，隨著今后低空飛行平臺的不斷成熟，小型化激光掃描儀、數(shù)碼相機、傾斜攝影等多樣化的數(shù)據(jù)采集方式不斷涌現(xiàn)，大大降低航空數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用門檻。同時，大量國產(chǎn)商用衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)也逐步提高，不同空間分辨率的可用遙感衛(wèi)星逐步增多。因此，今后多源空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)相互融合、借鑒及創(chuàng)新應(yīng)用是未來幾年新的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)工程測量將從單一依靠外業(yè)實測，發(fā)展成不同觀測手段相結(jié)合的綜合應(yīng)用領(lǐng)域，利用多源多尺度數(shù)據(jù)優(yōu)勢，大大降低外業(yè)工作強度，提高效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王繼承.機載激光雷達(dá)技術(shù)和攝影測量匹配技術(shù)在DEM生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2015，38(5)：128-130.

[2] 劉光慶,杜勰.淺談基于LiDAR數(shù)據(jù)與常規(guī)航空攝影測量制作3D產(chǎn)品的流程區(qū)別和優(yōu)勢[J].低碳世界，2014(21):181-183.

[3] 黃勵鑫,王麗園.機載激光雷達(dá)技術(shù)在困難復(fù)雜地區(qū)公路勘察設(shè)計中的應(yīng)用[J].交通科技，2009(1):59-61.

[4] 黃克城,宋時文,閻鳳霞.機載LiDAR技術(shù)在地形圖測繪中的應(yīng)用[J].地理空間信息,2016,14(4):99-101.

[5] 張小紅.機載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[6] 陳璞然.機載激光雷達(dá)(LiDAR)測量技術(shù)在公路勘測設(shè)計中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2016(2)：124-125.

[7] 趙云昌,丁瑩瑩,李通.機載LiDAR技術(shù)在高速公路勘測中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2014，37(10):199-200.

[8] 李勇,黃金浪.利用LiDAR數(shù)據(jù)測制城市大比例尺地形圖的研究與實踐[J].城市勘測，2010(2):94-95.

[9] 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(1)：44-46.

[10]胡耀鋒,張志媛,林鴻.利用機載LiDAR測繪大比例尺數(shù)字地形圖的可行性研究[J].測繪通報，2015(5):87-90.

[11]王煒.利用機載LiDAR測繪大比例尺數(shù)字地形圖的精度分析[J].測繪通報，2012(6):34-36.

[12]孫家抦.遙感原理與應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[13]劉美娟，謝金華,邱振戈,等.TerraSAR-X衛(wèi)星影像中大比例尺測圖應(yīng)用研究[J].測繪科學(xué),2015，40(9):143-148.

[14]陳春華,周軍元,鄭明燈,等.資源三號衛(wèi)星影像在1∶1萬DLG生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].測繪地理信息,2013,38(5):65-67.

[15]肖鋒，李思杰.衛(wèi)星遙感影像在1∶1萬比例尺基礎(chǔ)測繪中的應(yīng)用[J].城市勘測，2010(6):82-84.