高文明

(北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038)

對穿越地形復雜，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。現(xiàn)階段隨著航空攝影測量、機載激光雷達(以下簡稱機載LiDAR)、衛(wèi)星遙感等技術應用相對成熟，可以綜合利用多源測量數(shù)據(jù)技術各自優(yōu)勢，為道路工程勘測提供高精度測量基礎數(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，結合高分遙感影像的多源數(shù)據(jù)融合的技術方法，為工程勘測提供一種新的技術選擇。

1　機載LiDAR技術

機載LiDAR技術是一種將激光技術、高動態(tài)載體姿態(tài)測定技術和高精度動態(tài)GPS差分定位技術相融合的技術，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0.14 m，山地地區(qū)的高程中誤差可達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技術作業(yè)流程

2　衛(wèi)星遙感技術

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80年代初，我國陸續(xù)應用美國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)的工程地質和地形條件，為線路初選階段的優(yōu)化設計和技術決策提供科學依據(jù)。

隨著遙感技術的不斷發(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)達到0.31 m，通過高分辨率衛(wèi)星影像可以準確解譯出更詳細的地物要素，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應用方向。

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)融合應用技術路線

機載LiDAR在高程信息獲取中具有先天技術優(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技術獲取點云數(shù)據(jù)。

(2) 對點云數(shù)據(jù)預處理解算、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，結合點云數(shù)據(jù)及外業(yè)調繪成果對地物要素進行判讀。結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　工程應用案例

本文以興延路工程第2標段為例，介紹利用機載LiDAR技術與遙感技術相結合的方法進行內外業(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，項目在航飛設計時，只采集激光點云數(shù)據(jù)，不兼顧影像質量成果。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采樣間隔設置為1 s。

基于CORS站，采用了網(wǎng)絡RTK作業(yè)方式，在測區(qū)共布設了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坐標系統(tǒng)轉換

采用七參數(shù)模型，利用2套已知控制點坐標，將原始WGS-84坐標轉換成所需平面坐標系統(tǒng)。結合大地水準精化成果將轉換控制點大地高推算出對應的地方高程系，利用二次曲面擬合方式和2套坐標成果，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)，并結合外業(yè)測量，在單景衛(wèi)星影像四周和中間位置布設控制點，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軟件對影像進行內業(yè)矢量采集。首先，在DOM基礎上描繪地物要素，以圖幅為單位回放紙圖；其次，進行野外調繪與補測，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)調繪成果和內業(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)結合技術路線，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)線路設計的質量和效率。

圖10　DLG套合DOM成果

DLG成果質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，從檢測結果來看，利用LiDAR技術與遙感衛(wèi)星影像融合測制的1∶2000比例尺地形圖數(shù)學精度能滿足相關規(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　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，在成果質量和成果形式完全滿足技術要求的同時，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)采集和應用門檻。同時，大量國產(chǎn)商用衛(wèi)星技術指標也逐步提高，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)獲取技術相互融合、借鑒及創(chuàng)新應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合的綜合應用領域，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：

[1] 王繼承.機載激光雷達技術和攝影測量匹配技術在DEM生產(chǎn)中的應用[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.機載激光雷達技術在困難復雜地區(qū)公路勘察設計中的應用[J].交通科技，2009(1):59-61.

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

[5] 張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M].武漢：武漢大學出版社，2007.

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

[7] 趙云昌,丁瑩瑩,李通.機載LiDAR技術在高速公路勘測中的應用[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技術在測制城市1∶1000地形圖中的應用[J].勘察科學技術,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.遙感原理與應用[M].武漢：武漢大學出版社，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用研究[J].測繪科學,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∶1萬比例尺基礎測繪中的應用[J].城市勘測，2010(6):82-84.