蔣小海

（廣西地理信息測(cè)繪院，廣西柳州 545006）

隨著激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展不斷成熟，可以有效克服植被等地表地物的遮擋，精確地探測(cè)真實(shí)地形地面信息。采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是具有高精度三維坐標(biāo)信息的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用專業(yè)處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、分類，可以快速形成高精度的數(shù)字表面模型（DSM）及數(shù)字高程模型（DEM）。激光雷達(dá)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在地形測(cè)繪、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)及林業(yè)調(diào)查等領(lǐng)域中。文章主要闡述機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在山區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用效果，為同類型項(xiàng)目提供一些參考思路。

1 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)原理

激光雷達(dá)技術(shù)是激光測(cè)距、慣性導(dǎo)航測(cè)量（IMU）、差分定位（DGPS）和計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)的集成體，按搭載平臺(tái)不同可以分為三類，即星載、機(jī)載和地基激光雷達(dá)。

機(jī)載激光雷達(dá)主要將機(jī)載激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)安裝在無(wú)人機(jī)、直升機(jī)等平臺(tái)上進(jìn)行作業(yè)，主要原理為激光測(cè)距系統(tǒng)向探測(cè)目標(biāo)主動(dòng)發(fā)射高頻率的激光脈沖，直接獲取地物表面各特征點(diǎn)的信息，經(jīng)過(guò)處理生成高密度的三維空間坐標(biāo)，即點(diǎn)云。

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的每個(gè)點(diǎn)均具有高精度的三維坐標(biāo)（X，Y，Z），可從不同視角對(duì)這些點(diǎn)云進(jìn)行三維顯示、量測(cè)，計(jì)算點(diǎn)云表達(dá)目標(biāo)的表面積、體積等信息，是激光雷達(dá)區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)遙感和微波遙感數(shù)據(jù)的最大優(yōu)點(diǎn)。

2 機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用與發(fā)展

對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的分析和了解發(fā)現(xiàn)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用時(shí)間較短，相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)還需要進(jìn)一步提升和優(yōu)化，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。核心技術(shù)落后導(dǎo)致一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心設(shè)備和部件缺乏，需要通過(guò)國(guó)外進(jìn)口的方式進(jìn)一步組建和完善機(jī)載激光雷達(dá)的硬件系統(tǒng)，對(duì)一些具有一定激光強(qiáng)度的設(shè)備和測(cè)距設(shè)備，通過(guò)國(guó)外進(jìn)口的方式彌補(bǔ)我國(guó)技術(shù)領(lǐng)域的不足。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，相關(guān)科研人員應(yīng)加大對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)軟件系統(tǒng)的研究，正視國(guó)內(nèi)技術(shù)中需要優(yōu)化的部分，不斷完善系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能。

相關(guān)部門制定了一系列的政策，鼓勵(lì)技術(shù)人員加強(qiáng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化和提升，在復(fù)雜地形圖測(cè)繪工作中運(yùn)用無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)，不斷提升測(cè)繪工作的效果和質(zhì)量。我國(guó)已經(jīng)具備生產(chǎn)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的能力，并在很多工作領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)應(yīng)用和推廣。技術(shù)人員應(yīng)不斷地推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品走向成熟化，向商品化進(jìn)行轉(zhuǎn)變，充分發(fā)揮機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)的測(cè)繪工作提供更好的服務(wù)。

3 應(yīng)用案例

3.1 測(cè)區(qū)簡(jiǎn)介

柳州市魚峰區(qū)某地區(qū)有一片即將開(kāi)發(fā)的地塊，測(cè)區(qū)面積約4 km2，該測(cè)區(qū)地形環(huán)境復(fù)雜，主要為較陡山區(qū)，植被覆蓋較為茂盛，需測(cè)制1∶1 000比例尺地形圖。

3.2 設(shè)備儀器

本次設(shè)備采用南方測(cè)繪集團(tuán)旗下征圖三維公司自主研發(fā)的SZT-R1000車機(jī)載一體化輕型移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該設(shè)備將高精度三維激光掃描儀、GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、360°全景相機(jī)以及控制模塊、時(shí)間同步模塊等功能高度集成，融合多種定位模式，可以方便快捷地安裝于汽車和飛機(jī)等移動(dòng)載體上，快速獲取高精度多源數(shù)據(jù)。

3.3 總體技術(shù)方案

項(xiàng)目將激光雷達(dá)設(shè)備搭載在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上，開(kāi)展本次作業(yè)。

總體設(shè)計(jì)工藝流程如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)工藝流程

3.4 生產(chǎn)流程

（1）點(diǎn)云分類。

點(diǎn)云分類一般包括粗分類和細(xì)分類，粗分類通過(guò)特定的算法將常規(guī)情況下的地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)進(jìn)行大概分離，針對(duì)復(fù)雜地形一般需要進(jìn)行細(xì)分類。細(xì)分類在粗分類的基礎(chǔ)上對(duì)粗分類的結(jié)果進(jìn)行檢查和修改，其內(nèi)容主要分為兩種情況：應(yīng)歸分在地面層的點(diǎn)被粗分類到非地面層，如山脊山谷，需要后期通過(guò)手動(dòng)方式將其返回到地面層中；應(yīng)分離出來(lái)的非地面點(diǎn)未粗分類干凈徹底，如植被、建（構(gòu)）筑物等，需要手動(dòng)分類干凈。

（2）數(shù)字地表模型（DSM）制作。

基于分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在TerraSolid軟件平臺(tái)中，通過(guò)設(shè)置合理的絕對(duì)高程限差值實(shí)現(xiàn)噪聲點(diǎn)（如揚(yáng)塵、云霧點(diǎn)及飛鳥點(diǎn)等非地面信息點(diǎn)）過(guò)濾，過(guò)濾后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接在TerraSolid軟件平臺(tái)生成DSM。

（3）數(shù)字高程模型（DEM）制作。

將分類后的地面點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入TerraScan功能模塊，結(jié)合人工檢查、編輯和修改對(duì)點(diǎn)云進(jìn)一步細(xì)分類。激光點(diǎn)采集或過(guò)濾造成的地形表現(xiàn)不完整的特殊區(qū)域（如河流、橋下、陡坎等），可以添加特征線數(shù)據(jù)初步構(gòu)建數(shù)字高程模型，由TerraScan導(dǎo)出中間格式（GRD）文件，在GlobalMapper軟件中將GRD文件進(jìn)行批量處理轉(zhuǎn)換為DEM格式文件。

（4）數(shù)字正射影像（DOM）制作。

結(jié)合高精度的DEM和高分辨率的數(shù)碼影像，在Inpho軟件中完成DOM制作。

（5）等高線制作。

在獲取高精度DEM的基礎(chǔ)上，直接提取1 m等高距的等高線，取代傳統(tǒng)立體采集等高線，可以克服立體采集中植被過(guò)于茂密造成的高程不精確弊端。

①使用分類后激光雷達(dá)點(diǎn)云成果制作一套XYZ格式的數(shù)字高程模型（DEM）。

②使用TerraModel軟件將XYZ格式的DEM點(diǎn)，制作成地表面模型（Surface Model）。

③在地表面模型（Surface Model）基礎(chǔ)上提取等高線、高程點(diǎn)。

④對(duì)提取的等高線進(jìn)行后期編輯、修整，參與DLG的制作。

（6）數(shù)字線劃地形圖（DLG）制作與調(diào)繪。

無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)密度大，可以直接在點(diǎn)云上進(jìn)行DLG繪制。該項(xiàng)目利用點(diǎn)云地形地籍成圖軟件，在點(diǎn)云上通過(guò)高程剪裁進(jìn)行DLG的繪制，獲取建筑物低處的位置信息，通過(guò)3D窗口的顯示判別地物情況、房屋層數(shù)及飄窗判別。結(jié)合測(cè)區(qū)的數(shù)字正射影像圖開(kāi)展外業(yè)調(diào)繪工作，進(jìn)一步確認(rèn)、細(xì)化地物，確保地形圖地理要素的正確性和精度。初步成圖后，根據(jù)外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改完善，確保所測(cè)制地形數(shù)據(jù)符合相關(guān)規(guī)范要求。

4 成果精度分析

4.1 精度影響因素

基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取地形圖成果，根據(jù)作業(yè)方式的特點(diǎn)將影響數(shù)據(jù)成果精度的因素分為差分定位（DGPS）、點(diǎn)云分類誤差以及系統(tǒng)集成誤差。

定位誤差（DGPS）可以采用高等級(jí)基站坐標(biāo)或加密基站等方式提高點(diǎn)云坐標(biāo)精度；點(diǎn)云分類誤差一般由點(diǎn)云分類錯(cuò)誤造成，如將非地面點(diǎn)的數(shù)據(jù)引入，造成數(shù)字高程模型（DEM）比實(shí)際高，或因?yàn)閷⒌孛纥c(diǎn)剔除過(guò)多，造成DEM數(shù)字高程模型（DEM）偏低。

在低矮喬木及灌木區(qū)等點(diǎn)云不易分類的區(qū)域或其他特殊地貌區(qū)域，需要通過(guò)后期多次設(shè)置分類算法參數(shù)，降低點(diǎn)云分類誤差；系統(tǒng)集成誤差一般由慣性導(dǎo)航測(cè)量（IMU）、GPS及激光器等內(nèi)在設(shè)備引起，屬于系統(tǒng)內(nèi)部誤差，可以在作業(yè)前期通過(guò)嚴(yán)格的設(shè)備檢校消除。

4.2 精度檢查結(jié)果

本項(xiàng)目按1∶1 000分幅，共有16幅（滿幅），為了充分驗(yàn)證地形圖精度抽查其中的4幅圖，檢查占比25%。具體檢查方式為針對(duì)道路邊線、溝渠等特征地物，主要通過(guò)RTK測(cè)量的方式進(jìn)行外業(yè)檢查點(diǎn)采集；高程精度檢測(cè)全部采用RTK測(cè)量方法進(jìn)行，再與內(nèi)業(yè)采集的高程點(diǎn)進(jìn)行誤差分析。

4幅圖共計(jì)60個(gè)點(diǎn)，平地、丘陵地區(qū)的平面中，誤差和高程中誤差分別為0.41、0.24 m；在山地區(qū)域平面中誤差和高程中誤差分別0.52、0.31 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)測(cè)制的山區(qū)大比例尺地形圖的數(shù)學(xué)精度符合相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用機(jī)載雷達(dá)技術(shù)開(kāi)展山區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪，可以獲取高精度測(cè)繪成果，驗(yàn)證該技術(shù)在山區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪中的可行性。通過(guò)實(shí)踐表明，該技術(shù)在植被茂密山區(qū)可以獲得平面點(diǎn)位誤差為0.52 m和高程誤差為0.31 m的1∶1 000比例尺地形圖，有助于推動(dòng)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在山區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用。