付妍

（沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110004）

作為城市重要的空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)字地面模型應(yīng)用非常廣泛，測(cè)繪部門(mén)用于繪制地形圖、坡度坡向圖、正射影像圖和景觀圖，水利、電力、鐵路等建設(shè)中用于各種線路設(shè)計(jì)及各種工程面積、體積、坡度計(jì)算等[1,2,3]。

傳統(tǒng)方式下數(shù)字地面模型是通過(guò)航空攝影、衛(wèi)星遙感等立體方式進(jìn)行提取產(chǎn)生。受限于技術(shù)流程等原因，生成的數(shù)字地面模型精細(xì)度往往不是很高。近年來(lái)隨著機(jī)載LiDAR（激光雷達(dá)）技術(shù)的不斷發(fā)展，基于LiDAR方式構(gòu)建城市級(jí)高精度的數(shù)字地面模型越發(fā)成熟。研究基于機(jī)載LiDAR方式的數(shù)字地面模型生產(chǎn)流程，將是未來(lái)城市時(shí)空信息快速采集與更新的趨勢(shì)。

一、技術(shù)流程

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)的技術(shù)流程如圖1。

圖1 機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)流程圖

二、技術(shù)優(yōu)勢(shì)

機(jī)載LiDAR作為數(shù)字高程模型的重要生產(chǎn)手段具有如下的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1.直接化

機(jī)載LiDAR采用空基平臺(tái)直接通過(guò)下射激光方式獲取激光回波，再通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)字地面高程的構(gòu)建，相比于傳統(tǒng)地形圖提取及攝影測(cè)量方式通過(guò)二次加工生成更直接（圖2）。

圖2 機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)采集示意圖

2.低工時(shí)

由于搭載了高精度的GPS/IMU設(shè)備，經(jīng)過(guò)后差分處理原始激光點(diǎn)云即可達(dá)到0.1~0.2米的高程精度，后期只需少數(shù)地面控制點(diǎn)即可獲取更高精度的地形測(cè)量成果。傳統(tǒng)數(shù)碼航空相機(jī)受限于技術(shù)機(jī)制需要實(shí)測(cè)較多數(shù)量的像控點(diǎn)，野外測(cè)量工作量大[4]。

3.高精度

激光雷達(dá)通過(guò)主動(dòng)測(cè)量，直接獲取地物表面高精度三維坐標(biāo)，不受山體、建筑物的陰影的影響，單純數(shù)碼航空攝影在陰影區(qū)域判讀困難，立體測(cè)量精度低。激光雷達(dá)的多次回波能直接獲取地表高程，對(duì)植被具有較好的穿透性，可以基于回波數(shù)據(jù)對(duì)樹(shù)木高度、數(shù)量等林業(yè)參數(shù)做分析[5]，而植被覆蓋問(wèn)題一直是數(shù)碼航空攝影不能解決的問(wèn)題。

4.全天候

激光雷達(dá)對(duì)天氣要求較寬松，不受太陽(yáng)高度角影響，薄霧等低能見(jiàn)度天氣不影響激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取，但影響數(shù)碼航空攝影的影像質(zhì)量[6]。如果只是單純獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可在清晨起飛進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，甚至夜航。

三、實(shí)際案例

1.項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本次沈陽(yáng)市高精度數(shù)字地面高程模型生產(chǎn)項(xiàng)目目標(biāo)精度為4點(diǎn)/平方米，采用機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)采集方式，自2019年9月至12月，完成了航空飛行、資料整理、DEM制作、成果質(zhì)檢等全部過(guò)程。

2.數(shù)據(jù)采集

本次采用RIEGL VQ-1560i激光掃描儀，集成飛行管理系統(tǒng)、POS系統(tǒng)，采用全波形處理技術(shù)提供卓越的多重目標(biāo)探測(cè)和多波束收發(fā)（MTA，最多可達(dá)20次）功能，使得在一次飛行作業(yè)中即使遇到高差變化很大的地形也無(wú)需調(diào)整飛行高度，激光發(fā)射頻率高達(dá)2MHz。

為方便討論，記tA (x)為tx ，記fA (x)為fx， 有tx +fx≤1。運(yùn)用Vague進(jìn)行評(píng)價(jià)的具體步驟為：

載體采用塞斯納208飛機(jī)，采用全自動(dòng)駕駛儀保證飛行質(zhì)量。起降階段可以關(guān)閉航測(cè)窗口，對(duì)相機(jī)起到保護(hù)作用。

本次采集區(qū)域?yàn)樯蜿?yáng)市全市域1.3萬(wàn)平方千米，總計(jì)飛行32天15架次。使用沈陽(yáng)市衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)（SYCORS）提供的四星多頻差分位置服務(wù)實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備定位以及提供SYCORS原始基準(zhǔn)站1秒采樣的靜態(tài)數(shù)據(jù)用于后處理。

3.數(shù)據(jù)處理

本次數(shù)據(jù)處理重點(diǎn)針對(duì)點(diǎn)云濾波和人工分類(lèi)進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)。

（1）提取地面點(diǎn)云

參考不同期0.2~0.5米分辨率的正射影像，基于MicroStation+Terrasolid軟件，將分類(lèi)到缺省層的所有點(diǎn)通過(guò)自動(dòng)宏命令，在地面層分離出地面點(diǎn)。考慮到沈陽(yáng)市攝區(qū)地勢(shì)平坦，耕地面積所占比例很大，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，進(jìn)行自動(dòng)宏命令處理提取地面點(diǎn)時(shí)進(jìn)行如下參數(shù)設(shè)置（圖3）：建筑物最大邊長(zhǎng)為60米，地形角不大于88°，迭代角度不大于6°，迭代距離不大于1.4米。由于攝區(qū)覆蓋還涉及部分丘陵區(qū)域，使用一種宏命令無(wú)法提取所有地面點(diǎn)，本項(xiàng)目還使用了人工濾波及其它宏命令進(jìn)一步提取地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，保證了分類(lèi)的準(zhǔn)確性。

圖3 提取參數(shù)設(shè)置

（2）去除異常高程點(diǎn)

點(diǎn)云分類(lèi)不完全或不正確會(huì)導(dǎo)致地形高程的陡升或陡降。本次利用去除高程異常點(diǎn)算法，將導(dǎo)致地形陡升的激光點(diǎn)從地面點(diǎn)去除，導(dǎo)致地形陡降的激光點(diǎn)分類(lèi)為地面點(diǎn)，從而保證地面的完整連續(xù)性（圖4）。同時(shí)，還基于反射強(qiáng)度、回波次數(shù)、地物形狀算法或組合算法，對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動(dòng)分類(lèi)。

圖4 根據(jù)不同類(lèi)別提取地面點(diǎn)

參考不同期0.2~0.5米分辨率的正射影像進(jìn)行人工編輯分類(lèi)，主要包括對(duì)高程突變的區(qū)域調(diào)整參數(shù)和算法重新進(jìn)行小面積的精細(xì)分類(lèi)。分類(lèi)時(shí)重點(diǎn)考慮水系、居民地及設(shè)施、交通、植被和地貌等幾個(gè)圖層。

（4）高程轉(zhuǎn)換

激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)其高程基準(zhǔn)為CGCS2000地心大地高程。為滿足項(xiàng)目需求，通過(guò)沈陽(yáng)市超高精度似大地水準(zhǔn)面精化模型（2.5分間隔，1厘米內(nèi)符合精度）直接加載將點(diǎn)云成果轉(zhuǎn)換為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

4.質(zhì)量檢核

考慮到本項(xiàng)目使用剛性集成，高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)移動(dòng)站和地面站差分達(dá)到厘米級(jí)定位精度，通過(guò)檢查控制點(diǎn)已達(dá)到規(guī)范精度要求，本次把控制點(diǎn)全改成檢查點(diǎn)。

為檢查點(diǎn)云成果精度在攝區(qū)內(nèi)布設(shè)6個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)，每個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)面積4平方千米，均位于航攝基準(zhǔn)站較遠(yuǎn)的區(qū)域。1分區(qū)布設(shè)2個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)，其中1個(gè)驗(yàn)證區(qū)位于與2分區(qū)接邊區(qū)域、另一個(gè)位于北部參考站相對(duì)較少區(qū)域；2分區(qū)覆蓋區(qū)域較小只需布設(shè)1個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)，位于與3分區(qū)接邊區(qū)域；3分區(qū)布設(shè)3個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)，均位于攝區(qū)西南部參考站相對(duì)較少的區(qū)域。每個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)內(nèi)均勻采集25~30個(gè)檢查點(diǎn)。

經(jīng)檢驗(yàn)，最終成果的點(diǎn)云密度達(dá)到7.25點(diǎn)/平方米，點(diǎn)云高程中誤差為0.05米，均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。項(xiàng)目成果經(jīng)過(guò)了省級(jí)測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站的檢驗(yàn)，成果質(zhì)量達(dá)到優(yōu)級(jí)。

四、結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)踐證明機(jī)載LiDAR能夠作為城市級(jí)大尺度下地面高程模型的高效、經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)采集方式。在未來(lái)，機(jī)載LiDAR硬件將向平臺(tái)多樣化、型號(hào)多樣化發(fā)展，云計(jì)算的逐步推廣將徹底解決數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)處理速度的桎梏，LiDAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型將更豐富，從而帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益。