謝 瑜

（廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075）

0.引言

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），是一定區(qū)域范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)（X，Y）及其高程（Z）的數(shù)據(jù)[1]，廣泛應(yīng)用于地形分析中，是各類專題圖繪制基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段DEM通過(guò)采用航空攝影測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)生產(chǎn)周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜無(wú)法適用現(xiàn)階段社會(huì)快速發(fā)展需求[1]。

機(jī)載激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging，LiDAR）技術(shù)，是一種主動(dòng)式、新型對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，獲取數(shù)據(jù)方式主要通過(guò)機(jī)載激光發(fā)射器發(fā)射激光然后接收被測(cè)物體所反射的信號(hào)，對(duì)其距離、角度、位置等觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以獲得被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo)[2]。

對(duì)比傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)，對(duì)地探測(cè)能力強(qiáng)，能夠精準(zhǔn)地反映地形的真實(shí)情況，能透過(guò)部分遮擋直接獲取地表真實(shí)的三維信息，高程精度高，提供密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取速度快，受天氣等外界環(huán)境影響較小，可全天全時(shí)段不間斷工作?，F(xiàn)階段激光雷達(dá)技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)急測(cè)繪、資源管理、三維建模、林業(yè)治理、電力設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)測(cè)繪、道路交通等各個(gè)行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用[3]。

通過(guò)激光雷達(dá)系統(tǒng)獲得的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有離散性且分布不均勻，激光點(diǎn)云是表示目標(biāo)物體表面三維坐標(biāo)的海量點(diǎn)的集合，不能直接表達(dá)物體屬性，本文通過(guò)對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波與分類，構(gòu)建高精度DEM模型，實(shí)現(xiàn)廣東省1∶2000 DEM模型的數(shù)據(jù)更新。具體流程（如圖1所示）：

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與處理流程圖

1.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)工作原理

機(jī)載激光雷達(dá)傳感器首先發(fā)射脈沖激光同時(shí)可接受反射回來(lái)的激光，通過(guò)分析所接收的反射激光的反射角度、距離、頻率以及返回波的強(qiáng)弱情況等信息，使用光電成像技術(shù)分析上述信息計(jì)算得到被測(cè)物體數(shù)字成像數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合POS定位定姿計(jì)算分析測(cè)算被測(cè)物體位姿坐標(biāo)，進(jìn)一步通過(guò)內(nèi)業(yè)聯(lián)合解算、檢校場(chǎng)定標(biāo)等綜合處理后可得到長(zhǎng)條形的地面區(qū)域成像信息和三維坐標(biāo)（X,Y,Z）位置信息，得到激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

機(jī)載激光以激光束為介質(zhì)通過(guò)計(jì)算主波與地面回波脈沖光波之間的時(shí)間延遲，計(jì)算傳感器與地面采樣點(diǎn)的距離，其測(cè)距基本原理可表示為：

其中,R為傳感器到目標(biāo)物體的距離；C為光速；t為激光脈沖從激光器到被測(cè)目標(biāo)的往返傳輸時(shí)間[3]

機(jī)載激光雷達(dá)大多由3大系統(tǒng)構(gòu)成包括：激光掃描系統(tǒng)、慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）[4]（如圖2所示）：

通常情況，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量所得到的原始數(shù)據(jù)分為兩部分：一部分為對(duì)應(yīng)瞬時(shí)掃描角的激光掃描測(cè)距數(shù)據(jù)[5]；另一部分為導(dǎo)航定位定向數(shù)據(jù)，包括差分GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)；這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)均以通過(guò)控制時(shí)間間隔的方式來(lái)控制數(shù)據(jù)采集頻率。經(jīng)過(guò)對(duì)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理、姿態(tài)確定、時(shí)間同步、偏差糾正、檢校場(chǎng)定標(biāo)等一系列的處理后，最終得到激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)[6]。

圖2 激光雷達(dá)系統(tǒng)

2.基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)DEM更新關(guān)鍵技術(shù)

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

首先將原始激光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)解算瞬時(shí)航跡。預(yù)處理過(guò)程主要包括：POS預(yù)處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)差改正、航帶拼接、噪聲點(diǎn)剔除等。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能表達(dá)物體屬性信息，需進(jìn)行點(diǎn)云分類處理，一般以不同地物的形狀特征、反射情況進(jìn)行點(diǎn)云分類處理[3]。

地面點(diǎn)是反映地形真實(shí)起伏，地表面的點(diǎn)，包括落在道路、廣場(chǎng)、堤壩等反映地表形態(tài)的地物之上的點(diǎn)；非地面點(diǎn)主要指落在各種高于地面的地物上的點(diǎn)，如，建筑物、植被、管線、橋梁上的點(diǎn)。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理整體要求

（1）已有地面點(diǎn)需通過(guò)人工剖面準(zhǔn)確分類；

（2）在建筑物、植被遮擋，客觀沒(méi)有地面點(diǎn)情況下，可以通過(guò)添加少量關(guān)鍵地面點(diǎn)或特征線的方式找回能夠推斷的地形特征；

（3）在（1）沒(méi)有完成情況下不得采用（2）方法恢復(fù)地面模型；

（4）城市人工建筑復(fù)雜的地形條件下，以找出可識(shí)別的地面點(diǎn)為基本原則，無(wú)法推斷的區(qū)域，按照實(shí)際分類結(jié)果內(nèi)插處理，無(wú)需自行加點(diǎn)或線；

（5）以下技術(shù)要求適用于單獨(dú)存在的情況下，同一地物同時(shí)符合多項(xiàng)指標(biāo)時(shí)應(yīng)保持處理的一致性及處理結(jié)果的連續(xù)性。

2.3 數(shù)據(jù)處理細(xì)則與質(zhì)量驗(yàn)收

2.3.1 點(diǎn)云濾波

相同地形采用同一濾波方法（反射強(qiáng)度、回波次數(shù)、地物形狀等算法組合）批處理進(jìn)行點(diǎn)云初分類、調(diào)整參數(shù)局部濾波，然后人工進(jìn)行精細(xì)分類。

濾波結(jié)果質(zhì)量要求：平坦地區(qū)沒(méi)有明顯的突變點(diǎn)，植被不太密集的山地地形過(guò)渡平滑自然，一般無(wú)明顯突變點(diǎn)；植被密集覆蓋的山地，能夠表示出基本的山體形態(tài)，在確定無(wú)地面點(diǎn)的情況下，允許出現(xiàn)數(shù)據(jù)空白區(qū)或數(shù)據(jù)不連續(xù)。

2.3.2 水體處理

（1）面積小于400m2的靜止水域以及寬度小于5m的河流或溝渠，不用強(qiáng)制恢復(fù)水體邊界，準(zhǔn)確分類已有地面點(diǎn)即可；

（2）面積在400-2000m2之間的靜止水域、寬度大于等于5m的流動(dòng)水域（江、河或溝渠）：

濾波后能夠清晰完整表達(dá)水體邊界及水域高程，不用添加特征線強(qiáng)制置平水體。

濾波后能夠清晰完整表達(dá)大部分的水體邊界及水域高程，存在邊界植被、建筑密集，局部無(wú)法完整表示時(shí)，可添加少量關(guān)鍵地面點(diǎn)或特征線的方式恢復(fù)水體邊界；

（3）面積大于200m2的靜止水域根據(jù)采集的水涯線（特征線）構(gòu)建三角網(wǎng)。

2.4 田坎、規(guī)則隴田及塘基處理

（1）寬度大于5m的田坎及塘基需要完整表達(dá)邊界、邊界植被、建筑密集，局部無(wú)法完整表示時(shí)，需要添加少量關(guān)鍵地面點(diǎn)或特征線的方式恢復(fù)邊界；

（2）寬度小于5m的田坎及塘基準(zhǔn)確分類已有地面點(diǎn)即可；

（3）田坎及塘基上方由于低矮植被覆蓋，無(wú)法區(qū)分地面點(diǎn)與植被點(diǎn)時(shí)，通過(guò)人工剖面將最底一層作為地面點(diǎn)，分類后要求渲染效果平緩，較少毛刺；

（4）規(guī)則隴田中隴寬小于4m，保留首次濾波后的狀態(tài)；隴寬大于4m，需要表達(dá)隴邊界，可以采用局部濾波調(diào)整參數(shù)恢復(fù)邊界。

2.5 建筑物處理

建筑物濾波后出現(xiàn)的無(wú)地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)空白區(qū)，由于面積通常較小，且建筑物所在處通常地面較平整，因此，一般由周邊點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接內(nèi)插建模，部分建筑物濾波后，按此方式內(nèi)插建模后，可能出現(xiàn)地基兩側(cè)不平的情況（在建筑物靠山、坡、坎的交接地帶、城市超高大型建筑（群）表現(xiàn)尤其明顯）。

當(dāng)建筑（群）面積大于800m2時(shí)，且四周最大高差大于1m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行地基平整處理，完整表達(dá)邊界（邊界植被、建筑密集，局部無(wú)法完整表示時(shí)，需要添加少量關(guān)鍵地面點(diǎn)或特征線的方式恢復(fù)邊界）；建筑位于坎邊界時(shí)，需要表達(dá)出坎的連續(xù)性；其他情況下，準(zhǔn)確分類已有地面點(diǎn)即可，DEM采用內(nèi)插生成。

2.6 城市道路隧道、地下停車場(chǎng)及下沉式建筑等出入口處理

（1）城市道路隧道出入口、地下停車場(chǎng)出入口的露天部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為非地面點(diǎn)。其他下沉建筑出入口寬度小于等于5m的露天部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為非地面點(diǎn)；大于5m的按照下沉式建筑處理；

（2）下沉式建筑（景觀花圃、花壇）面積大于1000m2時(shí)，下沉的地基（花圃、花壇的裸地表面）作為地面點(diǎn)參與構(gòu)建三角網(wǎng)；小于1000m2時(shí)，將下沉范圍內(nèi)的點(diǎn)全部分為非地面點(diǎn)。

2.7 空白區(qū)處理

植被密集覆蓋區(qū)，濾除非地面點(diǎn)后出現(xiàn)的零散無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域，處理方式如下：

（1）位于平地的此類地面點(diǎn)數(shù)據(jù)空白區(qū)，制作數(shù)字高程模型時(shí)，由周邊地面點(diǎn)內(nèi)插；

（2）對(duì)于丘陵地、山地的面積小于等于400m2的此類地面點(diǎn)數(shù)據(jù)空白區(qū)，制作數(shù)字高程模型時(shí)，由周邊點(diǎn)云內(nèi)插；

（3）對(duì)于丘陵地、山地的面積大于400m2的此類地面點(diǎn)數(shù)據(jù)空白區(qū)，可在數(shù)據(jù)空白區(qū)截取斷面，通過(guò)已有或周邊地面點(diǎn)及植被高度按區(qū)域添加輔助點(diǎn)擬合出該區(qū)域地面，并采集其范圍作為高程推測(cè)區(qū)；

（4）對(duì)于（2）、（3）困難地區(qū)無(wú)法精確反映實(shí)際地形時(shí)，只要求體現(xiàn)區(qū)域的主要地形輪廓，如，主要的山脊、山谷、高低點(diǎn)等，其他次要的細(xì)節(jié)可忽略；同時(shí)，在核實(shí)地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)誤或建模精修無(wú)誤后，不要求其坡度過(guò)渡平滑自然，允許其暈渲圖存在棱角不光滑的現(xiàn)象。

2.8 工程特殊案例分析

（1）由于山地地形特殊，山脊主要特征點(diǎn)恢復(fù)，一般無(wú)明顯突變點(diǎn)，在確定無(wú)地面點(diǎn)的情況下，當(dāng)山上出現(xiàn)被雨水沖刷的沖溝（雨裂）時(shí)，人工分類處理后會(huì)存在毛刺較多的現(xiàn)象（如圖3所示），這種數(shù)據(jù)空白區(qū)或數(shù)據(jù)不連續(xù)是允許存在的。

圖3 山上沖溝（雨裂）

（2）山谷平三角處理方法。山谷平三角較小，不影響地形表達(dá)時(shí)，無(wú)需處理；若出現(xiàn)較大的平三角，且根據(jù)周圍已有地面點(diǎn)可以推斷地形時(shí)，需添加特征線保持山谷的連續(xù)性；若植被較密，遮擋嚴(yán)重時(shí)，無(wú)法推斷，則按照實(shí)際分類結(jié)果內(nèi)插處理，無(wú)需自行加點(diǎn)或線（如圖4所示）：

圖4 山谷平三角

（3）陡崖處理方法。地形坡度大于80°的陡崖，把陡崖頂端和底端關(guān)鍵特征點(diǎn)準(zhǔn)確分類，中間都分為非地面點(diǎn)。由于地形陡峭，高程突變，部分區(qū)域無(wú)法獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，此區(qū)域按照實(shí)際分類結(jié)果內(nèi)插處理，無(wú)需自行加點(diǎn)或線（如圖5所示）：

圖5 陡崖

2.9 DEM質(zhì)量評(píng)定

依據(jù)GB/T 18316-2008《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》及CH/T 1026-2012《數(shù)字高程模型質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)收。廣州省DEM更新項(xiàng)目嚴(yán)格實(shí)行“二級(jí)檢查一級(jí)驗(yàn)收”制度，作業(yè)人員進(jìn)行一級(jí)檢查，質(zhì)量管理部門二級(jí)100%詳查，給出檢查報(bào)告，項(xiàng)目成果報(bào)省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心組織驗(yàn)收。

成果檢查驗(yàn)收的主要質(zhì)量元素有：空間參考系、時(shí)間精度、位置精度、邏輯一致性、柵格質(zhì)量以及附件質(zhì)量。

DEM成果的檢查內(nèi)容主要有：

（1）空間參考系。LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)，成果數(shù)據(jù)地圖投影參數(shù)；

（2）邏輯一致性。參照原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，檢查成果點(diǎn)云數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)及平面坐標(biāo)、高程的一致性；

（3）點(diǎn)云分類。地面點(diǎn)云表面模型連續(xù)性；地面點(diǎn)的剖面圖形態(tài)；特征數(shù)據(jù)位置的合理性及高程的正確性；河流邊線的高程值應(yīng)從上游到下游逐漸降低，湖泊、水庫(kù)、池塘等靜止水體范圍內(nèi)的DEM高程值是否一致；分類結(jié)果與參考資料是否套合，所分類點(diǎn)與影像范圍是否一致；數(shù)據(jù)格式及文件命名是否符合設(shè)計(jì)要求。

3.實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 工程概況

測(cè)量任務(wù)范圍位于廣東省中西部，地貌復(fù)雜，氣候多變，水網(wǎng)縱橫。任務(wù)區(qū)覆蓋大陸部分和距離海岸線800m以內(nèi)的島礁，以及川山群島、東山島等面積較大的島嶼，不包括遠(yuǎn)海的島礁如萬(wàn)山群島、擔(dān)桿列島等，省界處外擴(kuò)不少于500m。

在機(jī)載LiDAR點(diǎn)云獲取過(guò)程中航攝執(zhí)行同時(shí)采集了一定數(shù)量的地面檢查點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行高程精度檢測(cè)。

地面檢查點(diǎn)選點(diǎn)方案：每個(gè)攝區(qū)選取5%的面積作為高程精度驗(yàn)證區(qū)進(jìn)行野外實(shí)地施測(cè)，每個(gè)高程精度驗(yàn)證區(qū)范圍為一個(gè)DEM成圖單元。在攝區(qū)四周、四角邊緣處、航線首末端、航帶間重疊區(qū)域必須選取高程精度驗(yàn)證區(qū)，其他位置應(yīng)選取精度控制較弱，并能實(shí)現(xiàn)外業(yè)控制的區(qū)域，分布盡量均勻。每個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)不少于15個(gè)檢查點(diǎn)，且點(diǎn)位分布均勻，地物類別豐富，要求點(diǎn)位高程變化應(yīng)平緩，避免選擇高程突變的區(qū)域。

高程中誤差限差最大允許誤差一般不能超過(guò)限差的2倍，植被密集區(qū)域、易形成鏡面反射、水域等特殊困難地區(qū)，點(diǎn)云高程中誤差可為正常值的0.5倍。點(diǎn)云及DEM高程精度要求（如表1所示）：

表1 點(diǎn)云及DEM高程精度要求

3.2 點(diǎn)云及DEM高程精度

對(duì)平地和丘陵地進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中平地點(diǎn)云檢核點(diǎn)178個(gè)，中誤差為0.182m，DEM檢核點(diǎn)202個(gè)，中誤差為0.291m，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（如表2所示），丘陵點(diǎn)云檢核點(diǎn)227個(gè)，中誤差為0.222m，DEM檢核點(diǎn)193個(gè)，中誤差為0.311m，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（如表3所示）：

表2 平地點(diǎn)云和DEM高程精度統(tǒng)計(jì)

表3 丘陵地點(diǎn)云和DEM高程精度統(tǒng)計(jì)

從表2、表3可以看出：

（1）平地DEM高程精度高于丘陵地區(qū)DEM高程精度，說(shuō)明地形特征對(duì)基于激光點(diǎn)云生產(chǎn)的DEM高程精度影響較大，在地形較平坦的地區(qū)，DEM高程精度較高；

（2）平地點(diǎn)云高程精度略高于丘陵地點(diǎn)云高程精度，說(shuō)明傳感器相同且在相同氣候環(huán)境情況下，點(diǎn)云高程精度受地形特征影響較小，受其他因素如地表特征影響較大；

（3）丘陵地區(qū)植被茂盛，點(diǎn)云密度受植被影響較大，繪制地形圖是需合理適當(dāng)增加點(diǎn)云密度，進(jìn)行內(nèi)插高程值。

4.結(jié)束語(yǔ)

基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行1∶2000 DEM更新是現(xiàn)階段最合理的生產(chǎn)方法，基于該方法可實(shí)現(xiàn)大批量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度獲取，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)更新DEM提高生產(chǎn)效率。本文從激光雷達(dá)技術(shù)原理構(gòu)成出發(fā)，從多個(gè)方面詳細(xì)闡述了點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波處理的關(guān)鍵技術(shù)，提高了工作效率節(jié)省了時(shí)間，同時(shí)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DEM高程精度進(jìn)行了精度評(píng)定，總結(jié)了精度影響因素，為下一步高精度制作DEM做好了充分準(zhǔn)備，希望本文能為同類型DEM更新項(xiàng)目提供借鑒。