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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。
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
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。
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
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。
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。
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。
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
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
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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