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        新型機(jī)載激光雷達(dá)在地形測(cè)繪中的應(yīng)用研究

        2021-09-27 03:11:08陳海佳李景壇2
        經(jīng)緯天地 2021年4期
        關(guān)鍵詞:測(cè)區(qū)激光雷達(dá)高程

        羅 勝 陳海佳 李景壇2,

        (1.廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司,廣東 廣州 510000;2.武漢大學(xué),湖北 武漢 430000;3.武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430200)

        0.引言

        地表含有豐富的地理要素信息,這些信息可以為人類活動(dòng)提供依據(jù)和指導(dǎo)。地形測(cè)繪可以獲取地表的位置和高程信息,并生成所需的測(cè)繪產(chǎn)品[1]。傳統(tǒng)地形測(cè)繪一般先采用經(jīng)緯儀、全站儀等儀器獲取地物的坐標(biāo)信息,再通過內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和成果生產(chǎn),該方法人工成本大、成果產(chǎn)出效率低。隨著數(shù)字時(shí)代的到來,激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)逐漸應(yīng)用到了地形測(cè)繪任務(wù)中,其集成了三維掃描、同步控制、定位定姿等技術(shù),作為一種新的手段,可以高效率、高精度地獲取地表的三維空間信息。

        隨著光電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用需求的推動(dòng),國(guó)內(nèi)外已涌現(xiàn)出一大批致力于高精測(cè)繪領(lǐng)域的激光雷達(dá)廠商和產(chǎn)品,如,奧地利Riegl公司的VUX系列激光雷達(dá)、中海達(dá)公司的智喙系列激光雷達(dá)、北科天繪公司的云雀激光雷達(dá)等。目前廣泛應(yīng)用于測(cè)繪領(lǐng)域的機(jī)載激光雷達(dá)產(chǎn)品的點(diǎn)頻一般在每秒50萬點(diǎn)左右,如,VUX-1UVA、Sky-Lar云雀等,測(cè)量距離主要為中低空測(cè)距,一般在1000m以下。這些激光雷達(dá)在地形測(cè)繪應(yīng)用中存在以下問題:(1)點(diǎn)云密度較低,會(huì)導(dǎo)致植被覆蓋區(qū)域下的地面點(diǎn)數(shù)量較少,以致無法更精確地構(gòu)建地面模型,且建筑特征點(diǎn)如房角等位置可能缺少點(diǎn)云,在進(jìn)行DLG繪制時(shí),需要通過擬合得到這些特征點(diǎn),導(dǎo)致DLG的成圖精度降低;(2)激光測(cè)程較短,會(huì)導(dǎo)致在地形落差較大區(qū)域需劃分更多區(qū)塊完成采集作業(yè),從而降低作業(yè)效率,且不同區(qū)塊的點(diǎn)云成果后期需要進(jìn)行拼接處理,拼接誤差也會(huì)影響點(diǎn)云的精度。

        針對(duì)這些問題,具備超百萬高點(diǎn)頻、超千米長(zhǎng)測(cè)距的新型激光雷達(dá)近幾年成為研發(fā)熱點(diǎn),本文主要基于市場(chǎng)已有的新型激光雷達(dá)產(chǎn)品探討其在地形測(cè)繪中的應(yīng)用技術(shù)流程和優(yōu)勢(shì)。

        1.關(guān)鍵技術(shù)及流程

        1.1 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)

        新型機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)與傳統(tǒng)的相同,都是采用主動(dòng)測(cè)量的方式,系統(tǒng)通常搭載在各種飛行器上,比如,無人機(jī)、直升機(jī)等,由激光測(cè)距系統(tǒng)、定位定姿系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)等部分組成[2],為獲取地表的地形和地物的三維信息提供了一種新的方式,具有自動(dòng)化程度高、受天氣因素影響小、數(shù)據(jù)處理和成果生產(chǎn)時(shí)間短、精度高等特點(diǎn)[3]。

        在測(cè)距技術(shù)方面,由于脈沖測(cè)距儀可以發(fā)出很強(qiáng)的激光,測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)距能力強(qiáng),因此,新型機(jī)載激光雷達(dá)也采用脈沖測(cè)距模式,其原理是用激光器向目標(biāo)發(fā)射光脈沖,光到達(dá)目標(biāo)后部分被反射,根據(jù)光從發(fā)出到返回接收機(jī)的時(shí)間,可以推算出測(cè)距儀和目標(biāo)之間的距離[4],公式如式(1)、式(2)所示。得到距離信息后,再結(jié)合定位定姿系統(tǒng)測(cè)量飛機(jī)姿態(tài)和激光束的掃描角度,利用空間極坐標(biāo)計(jì)算目標(biāo)的三維坐標(biāo)。

        式(1)中,ρ為測(cè)距儀與目標(biāo)之間的幾何距離;t為激光束的往返時(shí)間;c為光速。式(2)中,Δρ為距離分辨率;Δt為測(cè)時(shí)分辨率;c為光速。

        1.2 地形測(cè)繪技術(shù)流程

        基于新型機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行地形測(cè)繪的技術(shù)流程(如圖1所示),主要包括飛行準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理階段和成果生產(chǎn)階段。

        圖1 基于機(jī)載LiDAR的地形測(cè)繪工作流程圖

        1.2.1 飛行準(zhǔn)備

        飛行準(zhǔn)備階段包括航線規(guī)劃和基站布設(shè)兩部分工作。進(jìn)行航線規(guī)劃前需先收集測(cè)區(qū)的相關(guān)資料數(shù)據(jù),并派遣技術(shù)人員實(shí)地勘察測(cè)區(qū)的情況。了解測(cè)區(qū)整體狀況后,準(zhǔn)備所需軟硬件設(shè)備,然后根據(jù)測(cè)區(qū)范圍設(shè)計(jì)飛行航線。航線設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下因素:(1)飛行速度和高度;(2)飛機(jī)的續(xù)航時(shí)間;(3)測(cè)區(qū)的地勢(shì)起伏;(4)航向與旁向重疊度等。

        進(jìn)行基站布設(shè)時(shí),一般將基站架設(shè)在空曠、無遮擋、無信號(hào)干擾的開闊區(qū)域的已知控制點(diǎn)上,以保證接收到良好的衛(wèi)星信號(hào)。為了防止某一個(gè)基站數(shù)據(jù)采集不正常,一般架設(shè)雙基站。測(cè)區(qū)條件無法架設(shè)基站時(shí),可以采用CORS站的靜態(tài)數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量與精度,測(cè)區(qū)應(yīng)處于基站或CORS站的覆蓋范圍內(nèi)。

        新型機(jī)載激光雷達(dá)由于具備長(zhǎng)測(cè)距的特性,因此可適用于落差起伏較大的山地區(qū)域,在進(jìn)行航線規(guī)劃時(shí),可以減少作業(yè)區(qū)塊的劃分,進(jìn)而提升效率和精度。

        1.2.2 數(shù)據(jù)采集

        數(shù)據(jù)采集階段包括設(shè)備狀態(tài)檢查、飛行采集實(shí)施和原始數(shù)據(jù)質(zhì)檢三個(gè)部分工作。設(shè)備狀態(tài)檢查內(nèi)容通常包括安裝是否完整、設(shè)備之間連接是否無誤、存儲(chǔ)空間是否足夠等[5]。之后將設(shè)計(jì)好的航線導(dǎo)入飛控軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。數(shù)據(jù)采集過程中要全程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài),以保證整個(gè)飛行架次的安全。采集完成后得到各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù),包括激光測(cè)距數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、同步時(shí)間數(shù)據(jù)等。之后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步質(zhì)檢,以判斷飛行范圍、關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否完整等,根據(jù)結(jié)果決策是否進(jìn)行補(bǔ)測(cè)或下一步工作。

        1.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

        點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括軌跡解算、融合解算、數(shù)據(jù)質(zhì)檢等工作。軌跡解算的目的是得到高精度的姿態(tài)數(shù)據(jù),其主要利用基站數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理和IE解算完成。該過程可通過專業(yè)軟件輔助完成解算,如,HGO數(shù)據(jù)處理軟件、Inertial Explorer軟件。融合解算的目的是將掃描系統(tǒng)采集的原始距離數(shù)據(jù)和軌跡解算得到的高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合處理,生成目標(biāo)地物的空間三維坐標(biāo)點(diǎn)云文件,以便進(jìn)行后續(xù)點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云分類、點(diǎn)云渲染以及成果生產(chǎn)等。融合解算主要由數(shù)據(jù)融合軟件完成。數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)的合格性檢測(cè)工作,以確保后續(xù)成果的精度。

        1.2.4 成果生產(chǎn)

        地形測(cè)繪的產(chǎn)品成果包括但不限于4D產(chǎn)品,在測(cè)繪成果的生產(chǎn)方面,目前已有成熟的商業(yè)軟件可輔助內(nèi)業(yè)工作者完成產(chǎn)品生產(chǎn)。在進(jìn)行DOM生產(chǎn)時(shí),通常包括影像檢查、刺控制點(diǎn)、空三加密、拼接分幅等關(guān)鍵步驟;DEM的生產(chǎn)相對(duì)更加自動(dòng)化,首先人工干預(yù)精細(xì)分類以獲取準(zhǔn)確的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后基于地表點(diǎn)數(shù)據(jù),通過軟件自動(dòng)生成DEM成果及等高線成果;DLG的生產(chǎn)需要投入較多的人工成本,一般在商業(yè)軟件中參照矢量圖標(biāo)準(zhǔn)用DOM表達(dá)出DLG數(shù)據(jù)。

        2.實(shí)驗(yàn)與分析

        本文選取兩個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其中,區(qū)域一地物要素齊全,通過與傳統(tǒng)機(jī)載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行對(duì)比分析,以驗(yàn)證新型激光雷達(dá)高點(diǎn)頻的優(yōu)勢(shì);區(qū)域二地形落差較大,以驗(yàn)證新型激光雷達(dá)長(zhǎng)測(cè)距的優(yōu)勢(shì)。

        2.1 測(cè)區(qū)概況

        實(shí)驗(yàn)區(qū)域一位于華中某平原區(qū)域,測(cè)區(qū)為平地地形,南北長(zhǎng)度1.3km,東西長(zhǎng)度1.2km,地勢(shì)起伏較小,測(cè)區(qū)內(nèi)高低最大落差不超過30m。該區(qū)域內(nèi)包含建筑、植被、道路、水系、農(nóng)田、裸土等豐富的地理要素。

        實(shí)驗(yàn)區(qū)域二位于西北某高原區(qū)域,測(cè)區(qū)內(nèi)高低落差大于300m,面積為2.54km2,起飛海拔大于3300m。該區(qū)域包含山區(qū)、河流、植被和少量建筑。實(shí)驗(yàn)區(qū)域圖像(如圖2所示):

        圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域圖

        2.2 儀器設(shè)備

        經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研,目前常用的測(cè)繪型激光雷達(dá)中80%集成自RIEGL激光器,其中VUX-1UVA型號(hào)激光器在測(cè)繪領(lǐng)域較為常用,國(guó)內(nèi)集成該激光器的代表產(chǎn)品有中海達(dá)ARS1000、華測(cè)導(dǎo)航AS-900HL、南方測(cè)繪SZT-R1000、數(shù)字綠土LiAir 1000等產(chǎn)品。對(duì)于新型激光雷達(dá)產(chǎn)品,目前正朝著超千米測(cè)距、超百萬點(diǎn)頻方向發(fā)展,代表產(chǎn)品有RIEGL的VUX-120、VUX-240、中海達(dá)智喙PM-1500。本實(shí)驗(yàn)以同時(shí)滿足高點(diǎn)頻、長(zhǎng)測(cè)距、重量輕等為主要選擇標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)考慮指標(biāo)參數(shù)、技術(shù)成熟度、系統(tǒng)集成度等因素,最終選取智喙PM-1500和ARS1000進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。設(shè)備主要參數(shù)(如表1所示)。此外,測(cè)區(qū)一無人機(jī)平臺(tái)選擇L150六旋翼無人機(jī),測(cè)區(qū)二選擇蜂虎固定翼無人機(jī)。

        表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)表

        2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

        實(shí)驗(yàn)采用的坐標(biāo)系為WGS84坐標(biāo)系,高程基準(zhǔn)為大地高。測(cè)區(qū)一進(jìn)行智喙PM-1500與ARS1000的對(duì)比實(shí)驗(yàn),為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度,不同機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集時(shí)采用的飛行航線和飛行參數(shù)相同,即飛行高度為90m,航線間距35m;測(cè)區(qū)二采用智喙PM-1500進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,飛行高度為300m,航線間距150m。

        無人機(jī)的起降應(yīng)選擇空曠、無樹木和建筑遮擋、無雜草樹枝等易吹起物、地形平坦的區(qū)域,且起降時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離密集人群區(qū)域。智喙PM-1500機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)在不同區(qū)域進(jìn)行空中作業(yè)的示意圖(如圖3所示):

        圖3 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)空中作業(yè)圖

        2.4 實(shí)驗(yàn)分析

        2.4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

        機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有十幾種,如,最大高程誤差、高程中誤差、平面位置中誤差、航帶誤差等,本文選取下列評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析,下面對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要說明:

        (1)點(diǎn)云密度。點(diǎn)云密度用于描述單位面積上激光點(diǎn)的平均數(shù)量,可以用來評(píng)價(jià)點(diǎn)云質(zhì)量。

        (2)高程中誤差。高程中誤差用于評(píng)價(jià)點(diǎn)云高程與其真實(shí)高程之間的差距,利用測(cè)區(qū)驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行評(píng)定,公式如式(3)所示:

        式(3)中,ZRMSE為高程中誤差;Zi為第i個(gè)驗(yàn)證激光點(diǎn)的內(nèi)插高程;n為驗(yàn)證點(diǎn)個(gè)數(shù)為第i個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程。

        (3)航帶誤差。航帶誤差用于評(píng)價(jià)相鄰航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位置誤差,通過不同航帶重疊區(qū)域的點(diǎn)云進(jìn)行評(píng)定。公式如式(4)所示:

        式(4)中,AXY為航帶誤差;AX為X方向航帶誤差;AY為Y方向航帶誤差。

        (4)DLG平面標(biāo)準(zhǔn)差。DLG平面標(biāo)準(zhǔn)差用于評(píng)價(jià)點(diǎn)云的平面位置與真值之間的差別,利用測(cè)區(qū)驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行評(píng)定,公式如式(5)所示:

        式(5)中,dxy為平面標(biāo)準(zhǔn)差;dx為X方向標(biāo)準(zhǔn)差;dy為Y方向標(biāo)準(zhǔn)差。

        2.4.2 測(cè)區(qū)一實(shí)驗(yàn)分析

        為驗(yàn)證相關(guān)指標(biāo)精度,前期在測(cè)區(qū)一均勻采集了29個(gè)高精度驗(yàn)證點(diǎn)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及成果生產(chǎn)后,通過專業(yè)處理軟件生成各指標(biāo)的誤差報(bào)告,得到各指標(biāo)的誤差(如表2所示)。橫向?qū)Ρ确治?,PM-1500的上述各項(xiàng)誤差均小于5cm,滿足1∶500比例尺測(cè)圖需求,ARS1000的平面標(biāo)準(zhǔn)差大于5cm;縱向?qū)Ρ确治?,PM-1500的高程和平面位置精度均優(yōu)于ARS1000,ARS1000的航帶誤差優(yōu)于PM1500的航帶誤差8mm,相差不大。通過上述分析:可以證實(shí)新型激光雷達(dá)可以提高點(diǎn)云高程和平面的精度。

        表2 不同設(shè)備各項(xiàng)誤差對(duì)比表

        兩個(gè)設(shè)備獲取的部分點(diǎn)云圖像(如圖4所示),可以直觀看出:整體上PM-1500的點(diǎn)云更密,且建筑關(guān)鍵特征位置和建筑立面上點(diǎn)云數(shù)量較多,地面上基本不存在空洞區(qū)域?qū)ㄖ?、道路、植被、去除植被類后的地表的點(diǎn)云密度進(jìn)行定量分析,選取不同設(shè)備獲取的點(diǎn)云圖像上同一區(qū)域的點(diǎn)云,計(jì)算選框內(nèi)的點(diǎn)云密度(如表3所示),顯然,PM-1500的點(diǎn)云密度是ARS1000的2倍以上。點(diǎn)云對(duì)比圖(如圖5所示):

        表3 不同地物要素同區(qū)域每平方米點(diǎn)云數(shù)量

        圖4 不同激光雷達(dá)點(diǎn)云對(duì)比圖

        圖5 實(shí)驗(yàn)區(qū)域一點(diǎn)云密度對(duì)比圖

        按照技術(shù)流程進(jìn)行地形測(cè)繪成果的生產(chǎn),部分DLG(如圖6所示),PM-1500獲取的房屋邊緣點(diǎn)數(shù)量較多且關(guān)鍵位置如房角等均有點(diǎn)云,相對(duì)來說ARS1000點(diǎn)云密度較低、特征位置缺少點(diǎn)云,在繪制房屋時(shí)依賴軟件的自動(dòng)擬合功能,降低DLG的成圖精度。

        圖6 DLG點(diǎn)密度對(duì)比

        基于地表點(diǎn)云生成測(cè)區(qū)的DEM圖像,對(duì)比分析(如圖7所示)?;赑M-1500的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的DEM地形細(xì)節(jié)更豐富,地面的微小起伏可以細(xì)致地表現(xiàn)出來,相對(duì)來說,基于ARS1000的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的DEM圖像由于點(diǎn)云密度低,生成模型式需內(nèi)插高程點(diǎn),使最終的DEM部分區(qū)域和真實(shí)地表有一定出入。

        圖7 DEM對(duì)比

        2.4.3 測(cè)區(qū)二實(shí)驗(yàn)分析

        機(jī)載激光雷達(dá)飛行高度及測(cè)量距離之間的關(guān)系示意圖(如圖8所示),不考慮激光器發(fā)射功率、飛行安全距離等因素,在角度不變的情況下,機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)飛行高度和激光的測(cè)距能力成正比,即測(cè)量距離D越遠(yuǎn),可以實(shí)現(xiàn)的飛行高度H越大,在相對(duì)高差大的測(cè)區(qū)內(nèi)作業(yè)更有優(yōu)勢(shì)。同時(shí),測(cè)量距離D越遠(yuǎn),航帶寬度2L也會(huì)越大,單航帶測(cè)量覆蓋區(qū)域越大,可以有效提高作業(yè)效率。PM-1500的最大測(cè)距為1500m,顯然在地物反射率等外界因素影響相同的情況下,PM-1500在起伏落差大的測(cè)區(qū)內(nèi)效率更高。

        圖8 激光雷達(dá)飛行高度示意圖

        飛行高度計(jì)算公式如式(6)所示:

        式(6)中,H為飛行高度;D為激光測(cè)量距離;θ為激光掃描角度的一半。

        測(cè)區(qū)二為山地地形,落差超過300m。采用PM-1500設(shè)備單架次完成作業(yè),得到點(diǎn)云數(shù)據(jù),精度分析后得到高程誤差為9.1cm,滿足1∶2000測(cè)圖的精度要求。之后進(jìn)行地形測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn),得到DEM和DLG(如圖9所示):

        圖9 實(shí)驗(yàn)區(qū)域地形測(cè)繪產(chǎn)品成果

        3.結(jié)束語

        本文基于機(jī)載激光雷達(dá)相關(guān)技術(shù),介紹了基于新型機(jī)載LiDAR在地形測(cè)繪中的應(yīng)用,主要包括以下內(nèi)容:

        (1)梳理了基于機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行地形測(cè)繪應(yīng)用中的技術(shù)流程,包括飛行準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理階段和成果生產(chǎn)階段;

        (2)通過在平坦區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析了傳統(tǒng)激光雷達(dá)和新型激光雷達(dá)在地形測(cè)繪應(yīng)用中的點(diǎn)云密度、各項(xiàng)誤差等,驗(yàn)證了新型激光雷達(dá)高點(diǎn)頻的優(yōu)勢(shì),即高密度點(diǎn)云可以更加精確地選擇特征點(diǎn)與表達(dá)地表地形,進(jìn)而獲取更高精度的DLG和DEM產(chǎn)品;

        (3)通過在山地區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了新型激光雷達(dá)長(zhǎng)測(cè)距的優(yōu)勢(shì),即可以在地形起伏大的區(qū)域完成作業(yè),且精度符合測(cè)圖需求。

        總之,本文總結(jié)了地形測(cè)繪的技術(shù)流程,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型機(jī)載激光雷達(dá)高點(diǎn)頻、長(zhǎng)測(cè)距、高精度等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),可為行業(yè)同類應(yīng)用提供參考。

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