楊輝山，雷麗珍

(廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075)

機(jī)載激光雷達(dá)(light detection and ranging，LiDAR)是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，其應(yīng)用過程中得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地反映測(cè)量區(qū)域的地形地貌特征，具有高精度、高密度、高效率、高覆蓋率及高分辨率等特點(diǎn)[1]，其測(cè)量結(jié)果不易受植被的影響，能夠直接測(cè)量植被下的區(qū)域，已成為最近幾年數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)生產(chǎn)的主要方式和手段。為及時(shí)滿足各行業(yè)對(duì)高精度DEM數(shù)據(jù)的需求，廣東省于2017年啟動(dòng)了機(jī)載LiDAR點(diǎn)云獲取與高精度DEM建設(shè)項(xiàng)目。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)LiDAR生成DEM技術(shù)進(jìn)行了研究，許多行業(yè)、部門使用該技術(shù)生產(chǎn)DEM，獲得了不同程度的成果[2-8]。這些成果，特定條件下的理論性研究多，少量工程應(yīng)用主要是針對(duì)小范圍或精度需求低的方向，具有一定局限性，項(xiàng)目實(shí)施時(shí)的一些關(guān)鍵技術(shù)急需研究解決。本文針對(duì)項(xiàng)目難點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，并用其指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)保障項(xiàng)目的順利開展有重要意義。

1 總體技術(shù)路線

1.1 項(xiàng)目難點(diǎn)

項(xiàng)目要求獲取廣東省約1.798×105km2的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并制作DEM。DEM格網(wǎng)間距為2 m×2 m，成果精度要求為平地0.5 m、丘陵地0.7 m、山地1.5 m、高山地2 m。測(cè)區(qū)地形地貌復(fù)雜，山地占全省總面積的49.8%，水系占5.6%，喬木林占48.0%，且多為常綠喬木林；氣候濕潤(rùn)，雨量充沛，晴天較少；經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，尤其是珠三角地區(qū)，人工地物復(fù)雜多樣。測(cè)區(qū)復(fù)雜地形地貌、高覆蓋植被、多云天氣及高精度成果需求，對(duì)航飛設(shè)備、點(diǎn)云密度、植被穿透性、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類及處理等方面提出了較高要求，是項(xiàng)目實(shí)施的難點(diǎn)。

1.2 總體技術(shù)路線

機(jī)載LiDAR技術(shù)是將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)和激光掃描測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行集成，利用INS獲得飛行過程中的瞬時(shí)姿態(tài)參數(shù)，通過GNSS獲取激光掃描儀中心坐標(biāo)(x,y,z)，利用激光掃描系統(tǒng)獲取掃描儀中心至地面點(diǎn)的距離，由此計(jì)算出地面上相應(yīng)激光點(diǎn)的空間坐標(biāo)(X,Y,Z)，同時(shí)還可以獲得反射率、激光脈沖回波次數(shù)等信息。在此基礎(chǔ)上，通過一定的算法及人工編輯從離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中區(qū)分出地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，將地面點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)插后即可獲得相應(yīng)區(qū)域的DEM，總體技術(shù)路線流程如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)備選擇

目前使用較多的機(jī)載激光掃描儀是Leica、Optech和Riegl公司的設(shè)備，部分主流型號(hào)參數(shù)對(duì)比見表1。

大區(qū)域LiDAR數(shù)據(jù)獲取需要多臺(tái)(套)設(shè)備同時(shí)作業(yè)，本文對(duì)表1設(shè)備均有涉及。Riegl VQ-1560i、Riegl LMS-1560及Trimble AX80采用雙激光頭前掃和后掃的交叉掃描方式，兩個(gè)通道掃描平行線彼此傾斜28°，植被穿透能力強(qiáng)，效率高，更適宜山區(qū)地形的數(shù)據(jù)獲取。Pegasus HA500采用雙通道配置，也有強(qiáng)穿透力的優(yōu)勢(shì)，但效率相對(duì)低。Leica ALS80-HP、Optech GalaxyT1000采用單激光頭，激光能量與掃描頻率呈反比關(guān)系，作業(yè)效率與植被穿透力存在矛盾，因此在植被覆蓋少的區(qū)域具有更高的適宜性。

2.2 點(diǎn)云密度設(shè)計(jì)

參照有關(guān)技術(shù)規(guī)范[9]，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，按照大范圍平地及平緩丘陵點(diǎn)云密度不少于1點(diǎn)/m2，其他區(qū)域地形起伏較大，不少于2點(diǎn)/m2的要求設(shè)計(jì)。考慮當(dāng)前主流設(shè)備都具有多次回波甚至全波形的功能，在植被覆蓋的區(qū)域?qū)嶋H獲取的數(shù)據(jù)密度是設(shè)計(jì)密度的2倍甚至更多，為盡量保證地面點(diǎn)的數(shù)量，在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果進(jìn)行點(diǎn)云密度計(jì)算時(shí)，提出以末次回波(含單次回波)計(jì)算的要求。

2.3 植被覆蓋密集山區(qū)數(shù)據(jù)獲取

對(duì)于植被無落葉期的區(qū)域來說，使激光穿透植被覆蓋，獲取足量的地面點(diǎn)是一大技術(shù)難點(diǎn)。激光的穿透能力與單束激光發(fā)射強(qiáng)度和光線入射角度正相關(guān)，在相同條件下，單束激光的能量越大，激光發(fā)射器與地面距離越近，經(jīng)多次回波衰減后穿透樹冠遮擋到達(dá)地面的并反射回到激光接收器的概率就會(huì)越高。此外，還需要考慮地形起伏與掃描角度的關(guān)系，如圖2所示，隨著瞬時(shí)視場(chǎng)角的增大，當(dāng)背坡面坡度較大時(shí)，激光的衰減比例將增大，直至完全遮擋[10]。

表1 主流機(jī)載激光雷達(dá)參數(shù)對(duì)比

在同一區(qū)域內(nèi)選擇同一型號(hào)設(shè)備采用不同航飛及設(shè)備參數(shù)(見表2)，將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加對(duì)比，可以看到同一斷面下穿透植被獲取到的地面點(diǎn)有顯著差異,參數(shù)1獲取的地面點(diǎn)明顯優(yōu)于參數(shù)2(如圖3所示)。因此，針對(duì)植被密集覆蓋山區(qū)，為獲取到盡量多的地面點(diǎn)，在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮效率的同時(shí)，應(yīng)降低激光脈沖頻率及視場(chǎng)角設(shè)置、適當(dāng)降低相對(duì)航高。

表2 航飛及設(shè)備參數(shù)設(shè)置

2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類組合算法

分離地面點(diǎn)是整個(gè)濾波過程中最重要的環(huán)節(jié)，目前廣泛采用基于不規(guī)則三角網(wǎng)的濾波算法。其過程為：獲取一定的地面種子點(diǎn)組成初始的稀疏不規(guī)則三角網(wǎng)，對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行判斷，如果該點(diǎn)到三角面的垂直距離及角度小于設(shè)定的閾值，則將該點(diǎn)增加到地面點(diǎn)集合；使用所有確定的地面點(diǎn)，重新計(jì)算不規(guī)則三角網(wǎng)，再對(duì)非地面點(diǎn)集合內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行判別；如此迭代，直到不再增加新的地面點(diǎn)，或者滿足給定條件為止。該算法的關(guān)鍵是閾值選取，使用不同的閾值會(huì)產(chǎn)生截然不同的濾波結(jié)果。其中有3個(gè)重要參數(shù)來控制地面點(diǎn)分類的精度:最大建筑物尺寸、迭代距離、迭代角[11-12]。若測(cè)區(qū)內(nèi)有大量建筑物，需根據(jù)實(shí)際最大建筑物尺寸設(shè)定參數(shù)，否則可能將建筑物錯(cuò)分為地面點(diǎn)，若測(cè)區(qū)為山區(qū)，建筑物較小，則此參數(shù)可適當(dāng)變小，同時(shí)要兼顧測(cè)區(qū)的地形條件；荒蕪郊區(qū)可選擇較小的迭代距離參數(shù)，城區(qū)則迭代距離適當(dāng)增大；在平緩地區(qū)選擇較小的迭代角參數(shù)，在陡峭地區(qū)，適當(dāng)增大迭代角。

在航帶重疊區(qū)，激光在不同航帶對(duì)同一位置的入射方向呈以該處鉛垂線為中軸的對(duì)稱關(guān)系，可從不同方向到達(dá)地面。充分利用這些點(diǎn)將有助于提高地表高差較大或植被密集區(qū)域?yàn)V波后地面點(diǎn)數(shù)量及分布。在海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，宜采用下列組合算法：①將航帶間重疊區(qū)域距離航帶中心線較遠(yuǎn)的點(diǎn)分為類別12(冗余點(diǎn))；②疊加對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)所有航帶，按作業(yè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊，一般采用矩形分塊，數(shù)據(jù)量不大于2 GB；③對(duì)類別12(冗余點(diǎn))進(jìn)行濾波，將濾出的地面點(diǎn)分為類別1(未分類點(diǎn))；④對(duì)類別1(未分類點(diǎn))進(jìn)行濾波，將濾出的地面點(diǎn)分為類別2(地面點(diǎn))。

自動(dòng)濾波完成后，應(yīng)采用人機(jī)交互方式進(jìn)行精細(xì)分類，對(duì)分類錯(cuò)誤的點(diǎn)重新分類。以點(diǎn)云剖面為主要依據(jù)，輔助影像等資料進(jìn)行分析。在比較平滑、直線區(qū)域切剖面時(shí)，剖面寬度可適當(dāng)放大，在拐角尤其是立交橋、高架公路等接地與架空的臨界區(qū)域，切剖面要盡量窄，務(wù)求精確。

2.5 空白區(qū)處理

數(shù)據(jù)獲取漏洞或?yàn)V波之后產(chǎn)生的地面點(diǎn)空白，需要進(jìn)行DEM內(nèi)插處理，也會(huì)影響到DEM生成的精度。為提高空白區(qū)DEM精度，本文針對(duì)反射率較低的水體，以及因植被覆蓋過密確實(shí)無法穿透區(qū)域的情況進(jìn)行了研究。

(1) 靜止水體空白區(qū)。靜止水體包含湖泊、水庫、池塘等，其特點(diǎn)是水體范圍內(nèi)DEM要求高程一致。根據(jù)實(shí)際情況，可選擇帶有高程信息的精確匹配的面狀水域范圍線等參與DEM生成[13-15]。面狀水域范圍線可在點(diǎn)云處理軟件中直接繪制，但珠三角地區(qū)水域縱橫，直接繪制工作量大。考慮到地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中提取的地表覆蓋水域數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)比其現(xiàn)勢(shì)性與數(shù)據(jù)精度較好，可用于輔助水體特征線繪制。

對(duì)提取出水體范圍面疊加同區(qū)域?yàn)V波處理后點(diǎn)云輸出的0.5 m格網(wǎng)DEM底圖進(jìn)行對(duì)比編輯，重點(diǎn)修改位置精度差異，然后將其導(dǎo)入點(diǎn)云處理軟件，自動(dòng)讀取單個(gè)多邊形面域內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)最低點(diǎn)高程值作為水體特征線高程，通過對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)三角網(wǎng)，并進(jìn)行內(nèi)插處理后，再實(shí)現(xiàn)格網(wǎng)對(duì)柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而得到地面DEM。

(2) 植被遮擋導(dǎo)致的山區(qū)地面點(diǎn)稀疏區(qū)。一般情況下，采用量取樹高推測(cè)地面點(diǎn)位置，人工添加少量特征點(diǎn)，原有低精度DEM數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)AS點(diǎn)云格式，與LiDAR點(diǎn)云疊加，作為輔助判斷地形走向的依據(jù)之一。在該類空白較大的區(qū)域，提出一種內(nèi)插方法，以LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地面點(diǎn)作為骨架，利用高斯核函數(shù)加權(quán)或反距離加權(quán)算法，將低精度DEM的地形坡度坡向信息內(nèi)插至LiDAR點(diǎn)云相應(yīng)區(qū)域，模擬低精度區(qū)域的地面精細(xì)模型。本文算法內(nèi)插結(jié)果相對(duì)于利用LiDAR點(diǎn)云地面點(diǎn)直接進(jìn)行三角網(wǎng)內(nèi)插DEM，可大量減少“三角面片化”問題，有效提高DEM成果質(zhì)量。

3 結(jié) 語

本文以廣東省機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與高精度DEM建設(shè)項(xiàng)目為背景，探討了點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理的關(guān)鍵技術(shù)與可行方案。目前，項(xiàng)目正順利開展，省級(jí)測(cè)繪質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)已獲取的10批次共6.8×104km2航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)收,質(zhì)量良好；從前期生產(chǎn)的少量DEM成果中抽取950 km2區(qū)域進(jìn)行外業(yè)精度檢測(cè)，施測(cè)了237個(gè)野外檢查點(diǎn)，高程中誤差為±0.19 m。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作的DEM，能夠滿足各行業(yè)對(duì)全省范圍高精度DEM數(shù)據(jù)使用的需求。

如何定量分析地物回波強(qiáng)度與地面點(diǎn)的關(guān)系，以及在山地植被密集區(qū)獲取更多的地面點(diǎn)將是下一步的研究方向。