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(北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038)

對(duì)穿越地形復(fù)雜，基本沒(méi)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(cè)區(qū)進(jìn)行地形圖測(cè)量，常規(guī)工程地形圖測(cè)量方法具有受通視條件影響大、外業(yè)工作強(qiáng)度大、采集的地貌特征點(diǎn)密度不夠或采集點(diǎn)不均勻、地形起伏很難精確表示等缺點(diǎn)，因此在該類(lèi)測(cè)區(qū)采用全站儀采集數(shù)據(jù)獲取地形圖的方法已無(wú)優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段隨著航空攝影測(cè)量、機(jī)載激光雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)載LiDAR)、衛(wèi)星遙感等技術(shù)應(yīng)用相對(duì)成熟，可以綜合利用多源測(cè)量數(shù)據(jù)技術(shù)各自?xún)?yōu)勢(shì)，為道路工程勘測(cè)提供高精度測(cè)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為提高數(shù)據(jù)精度和測(cè)量效率，本文介紹了一種采用機(jī)載LiDAR主動(dòng)測(cè)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(cè)提供一種新的技術(shù)選擇。

1　機(jī)載LiDAR技術(shù)

機(jī)載LiDAR技術(shù)是一種將激光技術(shù)、高動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)定技術(shù)和高精度動(dòng)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(qiáng)、不受陰影和太陽(yáng)高度角影響等特點(diǎn)[1-4]。

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分為：動(dòng)態(tài)差分GNSS接收機(jī)，用于確定激光雷達(dá)信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)的空間位置；姿態(tài)測(cè)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(cè)定掃描裝置的主光軸姿態(tài)參數(shù)；激光掃描儀，用于測(cè)定激光雷達(dá)信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)到地面激光腳點(diǎn)間的距離[5-6]。機(jī)載LiDAR測(cè)量作業(yè)原理如圖1所示，機(jī)載LiDAR測(cè)量激光采集方式如圖2所示，機(jī)載LiDAR技術(shù)的作業(yè)流程[7-8]如圖3所示。

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)和用途之一就是利用采集的點(diǎn)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(diǎn)是與航空影像提取地物特征點(diǎn)的能力相比，利用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別地物和提取特征點(diǎn)的準(zhǔn)確度相對(duì)較低。

圖1　機(jī)載LiDAR測(cè)量作業(yè)原理

圖2　機(jī)載LiDAR測(cè)量激光采集方式

圖3　機(jī)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(cè)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(dòng)式取光成像、地物影像識(shí)別率高、生產(chǎn)周期短、不受地形情況限制等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。因此，自20世紀(jì)80年代初，我國(guó)陸續(xù)應(yīng)用美國(guó)TM陸地衛(wèi)星及法國(guó)SPOT等衛(wèi)星圖像，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星圖像的判釋?zhuān)槊骶€路經(jīng)過(guò)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(jì)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(guò)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(cè)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(diǎn)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(shí)地面點(diǎn)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(cè)的需求。

3　多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用技術(shù)路線

機(jī)載LiDAR在高程信息獲取中具有先天技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并利用衛(wèi)星影像進(jìn)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(jī)載LiDAR技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(2) 對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理解算、航帶校正、濾波剔除非地面點(diǎn)后，提取地面點(diǎn)，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(diǎn)云數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)進(jìn)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(jìn)行地物矢量采集，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)及外業(yè)調(diào)繪成果對(duì)地物要素進(jìn)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(jī)載LiDAR技術(shù)與遙感技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的過(guò)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(zhǎng)19.8 km(如圖6所示)。測(cè)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(duì)高差635 m；且測(cè)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(xiàng)目需要對(duì)線路中心線兩邊各500 m范圍內(nèi)進(jìn)行地形測(cè)量，提供1∶2000地形圖成果。

4.2　機(jī)載LiDAR作業(yè)與成圖

由于工期緊張，項(xiàng)目在航飛設(shè)計(jì)時(shí)，只采集激光點(diǎn)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(yáng)高度角、不利天氣的影響，增加航攝時(shí)間窗口，短期內(nèi)能快速獲取有利數(shù)據(jù)成果。

該項(xiàng)目選用徠卡ALS70機(jī)載LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行航飛作業(yè)采集，航攝參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1，航飛線路如圖7所示。

表1　機(jī)載LiDAR航攝參數(shù)

圖7　航線設(shè)計(jì)

4.2.1基站與控制點(diǎn)測(cè)量

本項(xiàng)目采用了1個(gè)市級(jí)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(cè)區(qū)共布設(shè)了26個(gè)像控點(diǎn)。點(diǎn)位的選取原則為：選取地面明顯地物點(diǎn)，點(diǎn)位區(qū)域高程相對(duì)平坦，盡量選在旁向重疊中線附近，使控制點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)大地高推算出對(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)批量改正成地方高程。

4.2.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)

利用TerraSolid軟件實(shí)現(xiàn)不同航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的校正、分類(lèi)濾波，剔除植被、構(gòu)筑物等非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到真實(shí)地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，并利用地面點(diǎn)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(gè)線路區(qū)域。

充分利用已有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并結(jié)合外業(yè)測(cè)量，在單景衛(wèi)星影像四周和中間位置布設(shè)控制點(diǎn)，進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)制作的DEM和等高線成果

利用ArcGIS軟件對(duì)影像進(jìn)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(jìn)行野外調(diào)繪與補(bǔ)測(cè)，主要對(duì)漏測(cè)的地物進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，對(duì)新增地物進(jìn)行采集，對(duì)被遮擋地物進(jìn)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(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)證

利用機(jī)載LiDAR和遙感數(shù)據(jù)結(jié)合技術(shù)路線，本文除提供了項(xiàng)目規(guī)定的DLG成果以外，還提供了分類(lèi)點(diǎn)云、DEM、DOM成果，如圖10所示，大大提高了后續(xù)線路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

圖10　DLG套合DOM成果

DLG成果質(zhì)量檢測(cè)采用點(diǎn)位檢測(cè)的方法，分別利用全站儀和單基站RTK測(cè)量方式進(jìn)行DLG的全野外檢測(cè)。檢測(cè)點(diǎn)的選取原則為在測(cè)區(qū)均勻分布、隨機(jī)選取的明顯地物點(diǎn)，1幅圖至少選取檢測(cè)點(diǎn)20個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)總數(shù)不少于100個(gè)。

全線共55幅圖，共檢測(cè)7個(gè)圖幅共計(jì)334點(diǎn)，檢測(cè)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(jiàn)表2、表3。

表2　平面中誤差統(tǒng)計(jì)

表3　高程中誤差統(tǒng)計(jì)

按照《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中對(duì)1∶2000地形圖的平面位置中誤差(見(jiàn)表4)、高程中誤差(見(jiàn)表5)的要求，從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，利用LiDAR技術(shù)與遙感衛(wèi)星影像融合測(cè)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(yǔ)

利用機(jī)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(xiàng)目中具有較強(qiáng)的實(shí)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(shí)，還大大縮短了工期，降低了外業(yè)工作強(qiáng)度，今后類(lèi)似工程可以借鑒參考使用。

另外，隨著今后低空飛行平臺(tái)的不斷成熟，小型化激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、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(mén)檻。同時(shí)，大量國(guó)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(lái)幾年新的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)工程測(cè)量將從單一依靠外業(yè)實(shí)測(cè)，發(fā)展成不同觀測(cè)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(shì)，大大降低外業(yè)工作強(qiáng)度，提高效率。

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