張志友

(廣東省地質(zhì)測繪院，廣東 廣州 510800)

0 引言

對地勢復(fù)雜，植被茂密，道路難行等自然條件限制區(qū)域的地形測量，采用傳統(tǒng)的解析測量(全站儀、RTK等)技術(shù)具有效率低、周期長、成本高、碎部點采集密度有限、數(shù)據(jù)種類單一、安全風險高等特點[1-6]；傳統(tǒng)航空攝影測量則需要外業(yè)人員翻山涉水布測控像控點，且存在成果高程精度低等缺點。近年激光雷達設(shè)備小型化的實現(xiàn)，使得低空旋翼無人機機載激光雷達測量系統(tǒng)成為現(xiàn)實，而動態(tài)后處理差分技術(shù)(Post-Processing Kinematic，簡稱PPK)可以確保獲得精確的傳感器空間定位，兩種技術(shù)的成熟和結(jié)合使得免像控LiDAR系統(tǒng)在地形測量中具有重要的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Α?/p>

激光雷達測量系統(tǒng)(Light Detection and Ranging，簡稱LiDAR)是集激光測距技術(shù)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、GNSS差分定位技術(shù)、計算機技術(shù)于一體的主動式測量系統(tǒng)，其具有自動化程度高、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、受氣候影響小、位置精度高等特點[7-10]，其測量采集的離散三維激光點云數(shù)據(jù)具有信息量大、數(shù)據(jù)信息種類豐富的特征，是獲取目標高時空分辨率信息的重要技術(shù)手段。通過對點云數(shù)據(jù)處理和加工可以生產(chǎn)數(shù)字表面模型(DSM) 、數(shù)字高程模型(DEM)、 數(shù)字線化圖(DLG) ，若同時搭載相機，還可以獲取目標對象的數(shù)字正射影像圖(DOM)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

機載LiDAR是通過光脈沖主動發(fā)射和接收信號來實現(xiàn)探測功能的高精度傳感器，其利用光學原理——以光速傳播的光脈沖可在下一個脈沖信號發(fā)出之前到達信號接收系統(tǒng)，故LiDAR接收系統(tǒng)能夠精確測量每一個光脈沖從發(fā)射到被物體反射回的時間差；利用光速和脈沖傳播的時間的乘積即可測得脈沖發(fā)射點到目標物體的距離，同時從機載GNSS獲得LiDAR系統(tǒng)的實時空間位置，從慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得脈沖的姿態(tài)方向，利用測站坐標、距離和角度可以計算每一個目標點位的空間坐標。

同時，光脈沖具有多次回波特性，可透射植被，對于植被茂密的測區(qū)，可以基于反射強度、回波次數(shù)、地物形狀、鄰域關(guān)系等因素在基于坡度分類、基于數(shù)字表面模型分類、基于形態(tài)學分類和基于不規(guī)則三角網(wǎng)模型等分類中選擇算法或算法組合對點云進行自動濾波分類，獲取地表點的真實三維坐標值。

免像控技術(shù)是指不需布測任何像控點參與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，測繪成果精度仍能達到目標圖件的質(zhì)量要求，其基本原理是利用RTK或PPK差分定位系統(tǒng)實現(xiàn)對機載傳感器三維空間坐標的厘米級定位。其中，RTK技術(shù)是使用GNSS載波相位觀測并利用基準站和移動站之間觀測誤差的空間相關(guān)性，即基準站通過通訊數(shù)據(jù)鏈(電臺或網(wǎng)絡(luò))將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站，移動站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，同時采集GNSS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)對差分觀測值進行實時處理，計算出厘米級定位結(jié)果。而PPK技術(shù)的工作原理是利用同步觀測的基準站接收機和流動接收機，對GNSS衛(wèi)星進行同步觀測，后期將同步接收的數(shù)據(jù)在計算機軟件中進行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量，確定接收機之間的相對位置，最后引入基準站的已知坐標，從而獲得流動站的三維坐標。

RTK(Real-time kinematic)和PPK的不同點在于通訊方式不同(RTK需要通訊，PPK不需要通訊)、定位方式不同(RTK實時定位，PPK后處理定位)、作業(yè)距離不同(RTK一般10 km，PPK可達50 km)、受外界影響程度不同(RTK易失鎖，PPK不易失鎖)、定位頻率不同，其中PPK在作業(yè)距離、抗外界影響等方面比RTK有更顯著的優(yōu)點，特別是PPK的事后處理可通過逆向濾波處理失鎖、通過融合解提高定位精度特性更適合于無人機航飛作業(yè)環(huán)境。

2 應(yīng)用實例

2.1 測區(qū)概況

在廣東東部某縣區(qū)取1 km2區(qū)域進行1∶500比例尺的機載LiDAR免像控地形測量，該區(qū)域為典型丘陵地形、南亞熱帶季風氣候、地勢復(fù)雜、植被茂密，交通不便。目標成果技術(shù)要求為平面坐標系采用2000國家大地坐標系，3°帶高斯投影；高程基準為1985國家高程基準，基本等高距為1 m；精度要求參照GB 35650—2017《國家基本比例尺地圖測繪基本技術(shù)規(guī)定》中1∶500比例尺精度指標：平面地物點中誤差0.3 m，高程注記點和等高線相對高程控制點中誤差分別不大于0.4 m和0.5 m。

2.2 技術(shù)流程

利用無人機機載LiDAR免像控技術(shù)進行大比例尺地形測量包括外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分工作。外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括踏勘、航線規(guī)劃、航空測量及飛行時基準站的架設(shè)測量；外業(yè)采集后進行數(shù)據(jù)下載與預(yù)處理、坐標解算、點云分類與正射影像制作、地形地物數(shù)據(jù)采集與圖件編制等，其技術(shù)流程，如圖1所示。

圖1 基于無人機機載LiDAR免像控技術(shù)的大比例尺地形測量技術(shù)流程Fig.1 Technology flow of large scale topographic survey based on UAV LiDAR image free control technology

2.3 數(shù)據(jù)采集

2.3.1 踏勘

將測區(qū)范圍線導(dǎo)入歷史影像數(shù)據(jù)，初步分析掌握測區(qū)的地形、地物、交通分布情況，項目正式實施前，進行實地踏勘，掌握測區(qū)詳細情況，為航線規(guī)劃提供更豐富的依據(jù)。踏勘時重點關(guān)注道路是否便利通暢，公路、鐵路、鄉(xiāng)村道路等分布及可通行情況等；山脈、水系、主要地貌類型和特征、平均高程、最高地形點和地物點等；測區(qū)風力、雨霧、氣溫、氣壓等情況，及時查看近期天氣預(yù)報；周邊控制點、水準點及點坐標的坐標系統(tǒng)，點位數(shù)量與分布、標志的保存情況，CORS信號有無覆蓋及穩(wěn)定性等。

2.3.2 基站架測

因外方位元素的準確度直接影響成果圖件的數(shù)學精度，若基準站位移偏差，則會引起移動站(機載傳感器)整體偏差，最終引起成果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，故基準站點選擇和觀測精度直接關(guān)系到圖件成果精度。

基準站應(yīng)選擇在測區(qū)空曠區(qū)域，基準站坐標利用CORS系統(tǒng)按照一級RTK控制點要求測出2000國家大地坐標系平面坐標和1985國家高程值。在控制點位架設(shè)基站，嚴格對中和整平，對中誤差不應(yīng)大于1 mm，衛(wèi)星觀測截止高度角15°，PDOP值小于6，天線高測量分別從腳架三個方向測量，讀數(shù)精確至1 mm，互差應(yīng)小于3 mm，最后取平均值作為天線高。

2.3.3 航線規(guī)劃

使用4旋翼大黃蜂無人機搭載AS-900HL多平臺激光雷達系統(tǒng)和單鏡頭相機，對山地區(qū)域按3個架次飛行，設(shè)計相對起飛點航高90 m、飛行速度7.5 m/s、航向間距60 m，共3分為個架次，24條航線，點云經(jīng)處理后達到30點/ m2。

2.4 數(shù)據(jù)處理

激光雷達測量系統(tǒng)采集得到的原始數(shù)據(jù)主要包括GNSS基準站數(shù)據(jù)，機載移動站GNSS與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，激光掃描點云和影像數(shù)據(jù)等。

2.4.1 POS解算

Inertial Explorer軟件是一款強大、可配置度高的事后處理軟件，可用于處理GNSS、INS數(shù)據(jù)，提供高精度組合導(dǎo)航信息，包括位置、速度和姿態(tài)等信息。在軟件中將基準站靜態(tài)GNSS數(shù)據(jù)、機載GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)導(dǎo)入進行聯(lián)合解算，得到航跡文件；解算后對位置精度、姿態(tài)指標、位置分離和IMU處理情況等進行質(zhì)量檢查，確認無誤后輸出軌跡文件。

2.4.2 點云解算

點云原始數(shù)據(jù)記錄了光脈沖的發(fā)射與返回時間、發(fā)射角度、返回強度、回波次數(shù)等基本信息。解算采用CoPre-移動測量數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件進行?？赏ㄟ^GNSS信號值自動過濾POS軌跡，快速實現(xiàn)原始激光數(shù)據(jù)的解算并自動分段輸出LAS格式點云。解算過程中通過距離濾波、灰度值濾波和跳躍噪點濾波對數(shù)據(jù)進行多次回波分類。

2.5 DOM制作

為了方便地物判讀，將采集影像制作DOM用于輔助測圖，正射影像的制作使用訊圖天工軟件經(jīng)匹配DSM、正射糾正、生成DOM、勻色和修復(fù)等生成DOM成果圖件。

2.6 線劃圖編輯

主要包括點云分塊、點云測圖、缺漏部位補測等環(huán)節(jié)。點云測圖時，為了輔助地物的識別將點云數(shù)據(jù)和DOM套合，對精度要求高的地物及通過點云易識別的地物直接基于點云繪制，對于其他地物則參考影像進行繪制。測圖圖式按GB/T 20257.1—2017《國家基本比例尺地圖圖式 第一部分：1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖圖式》中的規(guī)定執(zhí)行。

地物繪制使用CoSurvey軟件進行。該軟件基于AutoCAD平臺，以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以正射影像為參照，結(jié)合范圍預(yù)覽、切片調(diào)節(jié)、地物搜索等對具有立面的數(shù)據(jù)如建筑物，在點云上進行高精度采編，利用切片工具建立切片，通過調(diào)節(jié)切片到合適的高度，對建筑物、構(gòu)筑物等地物進行測圖。

等高線制作時，首先對點云數(shù)據(jù)進行濾波分類，獲得準確的地面點數(shù)據(jù)，然后根據(jù)地面點數(shù)據(jù)內(nèi)插TIN生成DEM，基于DEM自動生成等高線。

裸露地表只有一次回波，回波對應(yīng)的反射點即為地面點，植被覆蓋區(qū)可能對應(yīng)多次回波，一般最后一次回波對應(yīng)的反射點為地面點。從同一塊區(qū)域點云分類前后看，在植被茂密區(qū)域，利用點云綜合處理軟件CoProcess將地表植被剔除留取地面點云數(shù)據(jù)，可清晰反映出植被下的地表形態(tài)，為地形測繪提供精準的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

高程點采集在CoSurvey上完成，批量提取時使用對原始點云進行濾波分類后的地面點數(shù)據(jù)，設(shè)置高程點提取格網(wǎng)進行提?。皇謩犹崛r則選擇注記位置提取單個高程點。

3 數(shù)學精度評定

地形圖數(shù)學精度是否滿足設(shè)計要求是免像控無人機機載LiDAR技術(shù)能否成功應(yīng)用于大比例尺地形測量的關(guān)鍵點。

利用廣東省CORS系統(tǒng)和全站儀在測區(qū)采集地物點(道路、水庫、房屋)100個，高程點97個，經(jīng)與數(shù)字線劃圖成果坐標和高程值比較并參照GB/T 24356—2009《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》中同精度檢測中誤差計算公式進行精度評定，中誤差計算公式：

(1)

式中：M為成果中誤差；n為檢測點總數(shù)；Δi為每個檢測點的較差值。

平面和高程點位較差分布區(qū)間詳見圖2、圖3。

圖2 平面點位較差區(qū)間統(tǒng)計圖Fig.2 Range statistical histogram of plane difference errors

圖3 高程較差區(qū)間統(tǒng)計圖Fig.3 Range statistical histogram of elevation difference errors

4 結(jié)論

本文以LiDAR和PPK技術(shù)為基礎(chǔ)，選擇丘陵山地測區(qū)為試點，實地進行多平臺機載激光雷達系統(tǒng)免像控技術(shù)數(shù)據(jù)采集，通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和采集編繪，生成1∶500數(shù)字地形圖，并使用RTK和全站儀實地采集碎部點進行平面和高程精度檢測，結(jié)果表明：

1)以多平臺機載LiDAR系統(tǒng)進行測繪作業(yè)時，無需布測像控點，只需要利用基準站和移動站觀測數(shù)據(jù)通過動態(tài)后處理技術(shù)(PPK)處理，即可以獲得各傳感器的高精度外方位元素，同時LiDAR發(fā)出的光脈沖具有多次回波特性，可透射植被獲取地表點的真實三維坐標值。通過對采集的點云和影像數(shù)據(jù)使用配套軟件進行內(nèi)業(yè)與外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和處理，可以獲得DSM、DOM、DEM、DLG等種類豐富的數(shù)據(jù)成果。經(jīng)實地采集碎部點進行數(shù)學精度檢查，數(shù)字地形圖成果質(zhì)量完全滿足1∶500地形圖成果質(zhì)量要求。

2)機載激光測量系統(tǒng)免像控測量技術(shù)在地形測量中可以利用其優(yōu)勢彌補傳統(tǒng)測繪在此類項目的局限性，尤其在山地丘陵地形測繪中具有更大的適用和替代性；其以效率高、成果種類豐富、數(shù)學精度高的特性將成為地形數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)方法。