于笑雨

(沈陽市勘察測繪研究院有限公司，遼寧 沈陽 110004)

1 引 言

機載激光雷達(dá)技術(shù)是多學(xué)科技術(shù)綜合，它是激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、載體動態(tài)姿態(tài)測量技術(shù)和動態(tài)GPS差分定位技術(shù)迅速發(fā)展的集中體現(xiàn)。機載激光雷達(dá)系統(tǒng)(LiDAR)是一種集激光、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三種技術(shù)于一身的空間測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將激光掃描儀、GPS接收機、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機及控制單元等搭載在飛機上，通過主動向地面發(fā)射激光脈沖，接收地面反射回來的反射脈沖并同時記錄所用時間，從而計算出激光掃描儀到地面的距離，結(jié)合POS系統(tǒng)測得的位置和姿態(tài)信息可計算出地面點的三維坐標(biāo)。

機載激光雷達(dá)的點云數(shù)據(jù)最主要的目的是獲取DSM、DEM，文中主要介紹基于沈陽攝區(qū)LiDAR點云數(shù)據(jù)的DEM獲取方法和綜合精度影響因素分析。

2 項目介紹

沈陽位于遼寧省中部，遼河、渾河、秀水河等途經(jīng)境內(nèi)，地形起伏不大，以平地和丘陵地為主，海拔在 25 m～450 m之間。攝區(qū)范圍為整個沈陽市域，總面積 13 456 km2，絕大部分為平原地形，海拔在 25 m～100 m之間；攝區(qū)北部有部分低矮丘陵地，海拔在 150 m～450 m之間，最高點海拔 450 m。

該項目使用通用航空公司的塞斯納208型飛機作為航空飛行平臺，使用RIEGL VQ-1560i激光航攝儀系統(tǒng)(集成飛行管理系統(tǒng)、POS系統(tǒng))作為本次項目的遙感數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，設(shè)計要求點云密度大于4點/m2(實際上是8點/m2)的激光點云數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)。高程中誤差需滿足表1精度要求，制作分辨率為 1 m間隔的DEM成果。

水體和接邊處DEM成果質(zhì)量要求如下：

①水體，靜止水域范圍內(nèi)高程值應(yīng)一致，其高程應(yīng)取常水位高程。流動水域內(nèi)的DEM高程應(yīng)自上而下平緩過渡，并且與周圍地形高程之間關(guān)系正確、合理。

②接邊，相鄰數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)應(yīng)接邊。接邊后數(shù)據(jù)應(yīng)連續(xù)，無裂縫現(xiàn)象，相鄰圖幅重疊部分的高程值應(yīng)一致。

3 點云數(shù)據(jù)獲取

獲取滿足設(shè)計要求的點云數(shù)據(jù)需要完成以下任務(wù)：航攝分區(qū)、航高確定、航空LiDAR數(shù)據(jù)獲取技術(shù)基本參數(shù)表、航空LiDAR航線敷設(shè)圖、GPS領(lǐng)航數(shù)據(jù)表、IMU/GPS設(shè)計、地面控制測量、精度驗證區(qū)布設(shè)、POS數(shù)據(jù)處理、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)成果檢查。

4 DEM數(shù)據(jù)獲取

基于檢查合格的點云數(shù)據(jù)，完成航帶裁切、分塊、對航帶重疊區(qū)處理、分類編輯、移動物體刪除、架空管線刪除、特征線采集、人工編輯、檢查點云分類成果，合格后生產(chǎn)DSM，獲取DEM。

利用MicroStation及Terrasolid中的TerraScan以及TerraModeler模塊，基于DSM成果處理點云數(shù)據(jù)，包括點云分類、編輯、特征線采集等，獲取合格的DEM數(shù)據(jù)。

DEM獲取流程如圖1所示：

圖1 DEM獲取流程

如下闡述DEM獲取的關(guān)鍵技術(shù)：點云分類和點云編輯。

4.1 點云分類

激光點云分類是從激光點云中提取地表激光點。利用地表激光點構(gòu)TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))模型，檢查分類的效果，重點檢查坡度較大、單個三角形面積較大的區(qū)域(水系除外)以及特殊地物、地貌是否正確。對于異常區(qū)域，通過查看激光點云剖面圖，對地形不連續(xù)、噪聲點，以及非地表點(例如植被，房屋，橋梁等)被誤分入地表點的情況，加入人工手動分類，改正TIN模型，得到正確的地表激光點。

點云分類應(yīng)首先濾除噪聲點、其次點云宏命令分類、最后手工精分類。

濾除噪聲點：地面點分類之前，應(yīng)將明顯低于地面和明顯高于地面目標(biāo)的點或點群分離出來或者刪除掉。

宏命令分類：利用TSCAN模塊創(chuàng)建宏命令對原始點云數(shù)據(jù)分類，分類級別為地面點、非地面點二類。設(shè)置合適的分類參數(shù)，這些參數(shù)設(shè)置需要較高的經(jīng)驗值，一定要針對不同地形設(shè)置不同參數(shù)，對一些特定參數(shù)的設(shè)置需用實驗數(shù)據(jù)檢驗其適宜性，保證參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性，使分類成功率可達(dá)88%以上或更高。分類層界面如圖2所示。

圖2 分類層界面

手工精分類：使用TModel軟件對分類后的地面點云數(shù)據(jù)構(gòu)建地面模型或生成等高線，檢查地面點分類的質(zhì)量，手工分類修正錯誤的數(shù)據(jù)。對高程突變的區(qū)域，需要調(diào)整參數(shù)或分類算法，采用人機交互的方式，使用地表模型編輯工具，借助快速正射影像、等高線和地表模型，認(rèn)真檢查分類數(shù)據(jù)，將分類錯誤的點重新分類。修正效果如圖3、圖4所示。

圖3 橋處理前后對比圖

圖4 小山包處理前后對比圖

手工精分類會占用大量的時間，是LiDAR數(shù)據(jù)處理的主要工作也是最煩瑣的工作，是對一些參數(shù)設(shè)置經(jīng)驗值要求最高的，點云分類的質(zhì)量決定了地面模型的質(zhì)量；完成分類編輯后，仔細(xì)自檢，獲取合格的DEM數(shù)據(jù)。

4.2 點云編輯

對點云數(shù)據(jù)中不屬于DSM的點實行分離，并通過分類編輯存放在相應(yīng)的類別中。分類編輯過程應(yīng)參考生成的DSM模型，重點關(guān)注移動物體、架空管線的處理。

編輯方法主要采用調(diào)整參數(shù)或更換算法，采用編輯宏命令對局部區(qū)域分類，如圖5所示為分離低點和孤立點。

圖5 宏命令界面

5 DEM精度影響因素分析

5.1 檢測點位布控及精度統(tǒng)計

航攝獲取的點云數(shù)據(jù)精度是保證DEM數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)，對點云數(shù)據(jù)的正確編輯是獲取地面點數(shù)據(jù)精度的保障，編輯是一定要以不能破壞原始數(shù)據(jù)的精度為工作準(zhǔn)則，獲取合格的DEM數(shù)據(jù)。檢測點位需覆蓋整個攝區(qū)，對檢測點位需精密布控，共對三種檢測方式的野外數(shù)據(jù)統(tǒng)計了高精度中誤差，精度遠(yuǎn)高于技術(shù)設(shè)計要求，甚至有些超出預(yù)期。

(1)針對沈陽市域康平、法庫、新民、遼中、新城子、渾南莫子山、市區(qū)7個地區(qū)大約 13 km2，選測高程精度檢測點，檢測點分別選在鋪裝路面、大地、山坡，山頭、人行路、水田坎、房屋臺等 1 450個點，中誤差為 ±8.4 cm，滿足技術(shù)要求。高程精度檢測點位布控如圖6所示。

圖6 沈陽市域高程精度檢測點位布控圖

(2)對區(qū)域內(nèi)一4 km2的鋪裝路面，采集高程檢測點101個，高程精度檢測表如表2所示，中誤差為 ±3.52 cm，滿足技術(shù)要求。

區(qū)域內(nèi)一4 km2鋪裝路面高程精度檢測表 表2

續(xù)表2

(3)工作區(qū)內(nèi)布設(shè)測量高程控制點305個，精度檢查點175個，高程精度檢測中誤差為 ±4.8 cm，滿足技術(shù)要求。

5.2 DEM精度影響因素分析

影響DEM精度是多因素的，通過實踐和研究，綜合影響因素有如下方面：

(1)影響精度的主要因素：良好的飛行方案，航高的合理設(shè)計，控制點的合理分布，點云密度的超標(biāo)準(zhǔn)完成。

(2)高精度的衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站服務(wù)系統(tǒng)。

老道和王祥的假玉知識普及講座乍看之下就像是師徒授藝，旁人看起來也不會起疑。王祥本來想問問自己這批玉器的價值該如何分辨，但是很快就有客人上門，這事也就擱置下來了。

衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站服務(wù)系統(tǒng)(CORS)中覆蓋整個攝區(qū)，能夠滿足本攝區(qū)對基站的使用需求，無須重新布設(shè)基站。本項目選取攝區(qū)內(nèi)部及周邊的15個CORS站，調(diào)整采樣間隔為 1 Hz，滿足聯(lián)合解算需求。

(3)高精度的POS和IMU系統(tǒng)。

(4)所有點云大地高轉(zhuǎn)換1985高程基準(zhǔn)參數(shù)精準(zhǔn)。

基于POS輔助機載LiDAR技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)，在通過POS與CORS站數(shù)據(jù)聯(lián)合解算后，得到的是CGCS2000坐標(biāo)，高程基準(zhǔn)是大地高。根據(jù)數(shù)據(jù)成果坐標(biāo)要求，需將點云數(shù)據(jù)高程轉(zhuǎn)換至1985國家高程基準(zhǔn)(正常高系統(tǒng))，需通過加密轉(zhuǎn)換點的高程異常改正。具體做法如下：首先將攝區(qū)點云成果按照 3 km×3 km的格網(wǎng)間距求取高程異常，作為高程轉(zhuǎn)換參考點；再通過這些均勻分布的高程參考點，將所有點云歸算至1985高程基準(zhǔn)；本攝區(qū)需轉(zhuǎn)換的參考點數(shù)約600個左右。

(5)DEM數(shù)據(jù)精度檢測使用的基礎(chǔ)系統(tǒng)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取一致。

(6)點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確編輯。

6 展 望

機載激光雷達(dá)技術(shù)最主要的目的是獲取數(shù)字高程模型。隨著這一技術(shù)的進一步發(fā)展和完善，隨著用戶數(shù)量的增加，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V。特別是隨著激光技術(shù)的進一步發(fā)展，將促進機載激光雷達(dá)技術(shù)的革新，譬如星載激光對地觀測技術(shù)。航空遙感領(lǐng)域未來的發(fā)展方向是多種傳感器的高度集成化與多數(shù)據(jù)源的融合處理，從而提高數(shù)據(jù)分類和目標(biāo)識別的能力。

(1)數(shù)據(jù)后處理算法將更加成熟

軟件的完善和作業(yè)經(jīng)驗的成熟度越來越高。

(2)各類數(shù)據(jù)源的融合發(fā)展前景遠(yuǎn)大

在今后的研究中，若將影像數(shù)據(jù)、多光譜數(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源和點云數(shù)據(jù)相互綜合融合及應(yīng)用分析，充分利用各自的優(yōu)勢，將會取得令人滿意的效果。

(2)作業(yè)和精度評價標(biāo)準(zhǔn)完善

機載激光雷達(dá)技術(shù)有了蓬勃的發(fā)展，相關(guān)作業(yè)的規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)日趨完善。

(3)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展

隨著機載激光雷達(dá)技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粌H僅局限于測量領(lǐng)域?？梢詾楣?、鐵路、水利、環(huán)保等部門的設(shè)計提供高效的服務(wù)；對滑坡等地質(zhì)災(zāi)害實行監(jiān)測和災(zāi)害評估，對緊急災(zāi)害事件(如地震、泥石流等災(zāi)害)快速響應(yīng)和評估；此外，將機載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲得的高精度數(shù)字高程模型與地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)配合使用，可以為城市規(guī)劃、不動產(chǎn)、旅游、電力、電信等諸多部門提供服務(wù)。