朱增鋒 李明月 付云強(qiáng)

（1.河北利宇資源環(huán)境科技有限公司,河北 保定 071000;2.河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院,河北 廊坊 065000）

0.引言

機(jī)載激光掃描技術(shù)起源于二十世紀(jì)七八十年代的加拿大和美國(guó)。利用機(jī)載激光掃描獲取的數(shù)據(jù)包含空間三維信息與強(qiáng)度信息，在制作數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型等產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用。目前世界上多家公司有較為成熟的機(jī)載激光掃描系統(tǒng)，以英國(guó)IGI公司的某一機(jī)載激光掃描系統(tǒng)為例，可以每秒向外發(fā)射超過24000個(gè)點(diǎn)來獲取地面的三維點(diǎn)坐標(biāo)[1]。

近年來，機(jī)載激光掃描技術(shù)逐漸成熟，其在石油、水利、電力、國(guó)土資源調(diào)查等多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)利用機(jī)載激光掃描技術(shù)進(jìn)行地形圖測(cè)繪的主要應(yīng)用為中小比例尺地形圖測(cè)繪，鮮有利用機(jī)載激光掃描技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪[2]。本文以城市區(qū)域1∶1000地形圖測(cè)繪為例，研究基于機(jī)載掃描技術(shù)的1∶1000大比例尺地形圖測(cè)繪。以直升機(jī)平臺(tái)搭載華測(cè)導(dǎo)航AS900激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量提取、外業(yè)調(diào)繪、數(shù)據(jù)編輯，最終制作完成測(cè)區(qū)20平方公里的地形圖測(cè)繪。本文對(duì)利用機(jī)載激光掃描技術(shù)在城市1∶1000地形圖中的技術(shù)介紹與應(yīng)用，可供同類項(xiàng)目借鑒。

1.機(jī)載激光掃描技術(shù)

機(jī)載激光掃描技術(shù)是將激光雷達(dá)（LiDAR）、GNSS接收機(jī)、慣性測(cè)量系統(tǒng)（INS）、CCD相機(jī)以及控制系統(tǒng)等安裝在飛行器上，飛行過程中GNSS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，激光雷達(dá)對(duì)地觀測(cè)，通過反射回來的信息來獲取地面實(shí)體要素的三維坐標(biāo)信息，進(jìn)而對(duì)三維信息進(jìn)行加工與處理的技術(shù)[3]。機(jī)載激光掃描技術(shù)（如圖1所示）：

圖1 機(jī)載激光掃描技術(shù)

激光掃描技術(shù)通過主動(dòng)式方法得到外界環(huán)境信息，不會(huì)受到光線、日照等環(huán)境的影響。通過機(jī)載激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以彌補(bǔ)航攝影像不足帶來的影響。本文將通過機(jī)載激光點(diǎn)云結(jié)合數(shù)字正射影像繪制大比例尺地形圖，探索整個(gè)流程與技術(shù)路線，對(duì)該方法在城市大范圍區(qū)域作業(yè)的可行性與成果精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.機(jī)載激光掃描及數(shù)據(jù)采集的作業(yè)流程

機(jī)載激光掃描主要的準(zhǔn)備工作：申請(qǐng)空域、基站測(cè)設(shè)、直升機(jī)型號(hào)確定、機(jī)載激光系統(tǒng)載荷架的制作、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)、確認(rèn)飛行技術(shù)要求、制作領(lǐng)航表、系統(tǒng)標(biāo)定、飛行調(diào)試和加油、系統(tǒng)的安裝調(diào)試和通電測(cè)試。本文以測(cè)區(qū)機(jī)載激光掃描為例，進(jìn)行作業(yè)流程的介紹：

（1）多基站靜態(tài)數(shù)據(jù)采集：在機(jī)載激光掃描作業(yè)的同時(shí)，在地面基站上架設(shè)GNSS接收機(jī)與機(jī)載移動(dòng)站GNSS接收機(jī)，同步接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，將采樣頻率設(shè)置為1H z，其中地面接收機(jī)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間需包含機(jī)載掃面與靜止的整個(gè)時(shí)間段；

（2）機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)采集：機(jī)載激光掃面前需要進(jìn)行5分鐘的初始化，初始化完成以后，直升機(jī)開始升空進(jìn)行動(dòng)態(tài)初始化，緊接著按照預(yù)定路線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集完成落地以后還要進(jìn)行5分鐘的系統(tǒng)靜止；

（3）數(shù)據(jù)拷貝與檢查：將掃描數(shù)據(jù)與機(jī)載GNSS接收數(shù)據(jù)以及基站GNSS數(shù)據(jù)等拷貝至電腦中，檢查數(shù)據(jù)的完整性與正確性；

（4）機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)解算：首先利用采集的GNSS數(shù)據(jù)與基站數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行軌跡的解算，再通過軌跡將原始點(diǎn)云進(jìn)行解算，并且利用軌跡數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)制作DOM，最后將機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，獲取機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)。

機(jī)載激光掃描系統(tǒng)激光掃描頭（如圖2所示）：

圖2 機(jī)載激光掃描頭

3.機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)解算

3.1 POS軌跡數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)解算

完成點(diǎn)云采集后，使用Inertial Explorer點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算：

（1）新建工程：新建點(diǎn)云工程文件，文件中包含外業(yè)采集各類數(shù)據(jù)，包括IMU數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)等；

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將外業(yè)采集數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)為解算軟件可識(shí)別數(shù)據(jù)格式；

（3）數(shù)據(jù)加載：將外野采集GNSS數(shù)據(jù)加載至解算軟件中進(jìn)行差分解算；

（4）GNSS/INS組合解算：通過GNSS數(shù)據(jù)解算機(jī)載軌跡數(shù)據(jù)，獲得高精度POS數(shù)據(jù)；

（5）軌跡輸出：將包含點(diǎn)云準(zhǔn)確位置坐標(biāo)的軌跡數(shù)據(jù)以規(guī)定格式輸出。

Inertial Explorer點(diǎn)云處理軟件界面（如圖3所示）：

圖3 點(diǎn)云處理軟件界面

POS數(shù)據(jù)處理的要求為：

（1）選擇距離掃描架次最近的基站數(shù)據(jù)，聯(lián)合基站觀測(cè)的GNSS數(shù)據(jù)與移動(dòng)站GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡解算，使用后處理GNSS/INS緊組合模式進(jìn)行處理，獲取高精度飛行軌跡；

（2）輸出POS數(shù)據(jù)格式為WGS84橢球下123°中央經(jīng)線的高斯投影坐標(biāo)，高程為大地高。

本文解算得到的機(jī)載軌跡數(shù)據(jù)（如圖4所示）：

圖4 解算得到的機(jī)載軌跡數(shù)據(jù)

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算

機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解算流程：

（1）新建工程：在解算軟件中新建工程，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算需要的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及POS數(shù)據(jù)加載至工程中；

（2）點(diǎn)云解算：通過軌跡數(shù)據(jù)與采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算，生成機(jī)載三維點(diǎn)云；

（3）點(diǎn)云著色：將采集的影像數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到具有彩色信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

本文解算得到的彩色機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)（如圖5所示）：

4.大比例尺地形圖制作

利用機(jī)載激光掃描進(jìn)行大比例尺地形圖制作采用先內(nèi)后外的作業(yè)模式，即先利用點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)要素提取，再綜合測(cè)圖成果進(jìn)行調(diào)繪，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯。對(duì)點(diǎn)云缺漏與被遮擋區(qū)域，按先外業(yè)采集后內(nèi)業(yè)編輯的方式進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。本文設(shè)計(jì)大比例尺地形圖制作流程（如圖6所示）：

圖6 地形圖制作流程

基于機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集空間環(huán)境中各種點(diǎn)、線、面要素，人工獲取各要素的平面與高程信息及相關(guān)空間屬性信息。

4.1 矢量數(shù)據(jù)采集

以從整體到局部、從清晰到模糊為原則進(jìn)行大比例尺地形數(shù)據(jù)提取，對(duì)于點(diǎn)云中無法辨識(shí)的地物，應(yīng)進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)與調(diào)繪；在進(jìn)行地物提取時(shí)應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中地物的編碼進(jìn)行要素編碼、屬性信息的賦予；矢量提取應(yīng)保證數(shù)學(xué)精度，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的物種類的識(shí)別與地物提取時(shí)，不同地物提取相應(yīng)的位置，如點(diǎn)狀地物提取定位點(diǎn)。

以機(jī)載點(diǎn)云提取建、構(gòu)筑物信息為例，利用機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物矢量提取，提取過程（如圖7所示）。通過不斷地調(diào)整剖面高程，首先確定建筑物場(chǎng)邊，其次將所有提取長(zhǎng)邊進(jìn)行連接，最后根據(jù)短邊與長(zhǎng)邊的關(guān)系基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取短邊。

圖7 機(jī)載點(diǎn)云提取建、構(gòu)筑物信息

通過軟件平臺(tái)綜合利用機(jī)載點(diǎn)云、影像、原有矢量成果等多種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)要素的分類提取，如，范圍內(nèi)建筑物、內(nèi)部道路、街坊內(nèi)部主要地形數(shù)據(jù)等，包括建筑物屋頂?shù)刃畔?。除采集?shí)體名稱、平面位置、采集手段、數(shù)據(jù)來源等公共屬性字段，還應(yīng)采集實(shí)體自身必要屬性字段，如所屬樓層、名稱等屬性。

4.2 綜合補(bǔ)測(cè)與調(diào)繪

對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中無法分辨的地物種類以及位置不明確的地物，需要進(jìn)行實(shí)地外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測(cè)進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。首先應(yīng)根據(jù)調(diào)繪區(qū)域的地形特征規(guī)劃好調(diào)繪路線，并且指定相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)繪。調(diào)繪前應(yīng)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)檢查需調(diào)繪地形圖有無缺漏等錯(cuò)誤；調(diào)繪過程中應(yīng)根據(jù)合適的符號(hào)進(jìn)行圖上標(biāo)注，便于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯。

對(duì)于機(jī)載激光掃描后變化的地物，應(yīng)該在圖上標(biāo)記清楚，測(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行調(diào)繪時(shí)應(yīng)保證調(diào)繪區(qū)域的完整。不同塊的測(cè)區(qū)之間應(yīng)接邊，要素的屬性調(diào)繪應(yīng)按照規(guī)定執(zhí)行，對(duì)于屬性內(nèi)容調(diào)整的，應(yīng)在技術(shù)設(shè)計(jì)中說明。調(diào)繪過程中在圖上標(biāo)記的符號(hào)、文字應(yīng)方便內(nèi)業(yè)人員進(jìn)行判讀，并按照統(tǒng)一的規(guī)則進(jìn)行標(biāo)注，具體要求也要在技術(shù)設(shè)計(jì)中明確，必要時(shí)可用圖例加以說明。

4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯

以基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)提取完成的地形圖為底圖，結(jié)合外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯工作，最終得到完整的大比例尺地形圖。某建筑物數(shù)據(jù)編輯過程（如圖8所示）：

圖8 建筑物數(shù)據(jù)編輯

數(shù)據(jù)編輯時(shí)應(yīng)堅(jiān)持主次有別、層次分明的原則：通過資料收集與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪完成所有地物的屬性添加工作；其中資料收集主要是通過對(duì)從有關(guān)部門收集到的資料進(jìn)行電子化梳理，提取有用屬性信息；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪主要是指實(shí)地對(duì)要素屬性進(jìn)行調(diào)查，內(nèi)業(yè)梳理后將屬性信息添加至對(duì)應(yīng)要素中。本文最終完成編輯的地形圖（如圖9所示）：

圖9 編輯完成的地形圖

5.地形圖精度分析與評(píng)價(jià)

為了檢驗(yàn)基于機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行大比例尺地形圖制作的可靠性，通過傳統(tǒng)高精度檢驗(yàn)點(diǎn)采集方式對(duì)制作完成的大比例尺地形圖進(jìn)行精度檢驗(yàn)。檢驗(yàn)點(diǎn)采集方式為首先通過CORS觀測(cè)得到測(cè)區(qū)圖根點(diǎn)，再使用全站儀以圖根點(diǎn)為控制點(diǎn)，采集建筑物角點(diǎn)、桿類點(diǎn)為檢驗(yàn)點(diǎn)。將采集地物檢驗(yàn)點(diǎn)與圖上同名點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì)，得到地形圖的平面精度與高程精度統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如表1所示）：

表1 精度統(tǒng)計(jì)表

按照《城市測(cè)量規(guī)范》的要求，在平地、丘陵區(qū)域，1∶1000地形圖平面中誤差不得超過0.5m，高程中誤差不得超過0.2m；在山地區(qū)域，平面中誤差不得超過0.75m，高程中誤差不得超過0.7m。本文利用CORS結(jié)合全站儀進(jìn)行外業(yè)實(shí)測(cè)，對(duì)圖上特征點(diǎn)進(jìn)行精度檢測(cè)，其中分5個(gè)批次對(duì)60幅圖進(jìn)行抽樣檢查，共檢測(cè)了1800個(gè)平面點(diǎn)和1800個(gè)高程點(diǎn)。檢測(cè)結(jié)果為：平面中誤差為0.26m，高程中誤差為0.16m，由于測(cè)區(qū)位于平地、丘陵區(qū)，滿足平面0.5m、高程0.2m的精度要求。從檢測(cè)結(jié)果看，利用機(jī)載激光掃描技術(shù)進(jìn)行城市大比例尺測(cè)圖的數(shù)學(xué)精度可以達(dá)到相關(guān)規(guī)范的精度要求。

6.結(jié)束語

對(duì)于城市區(qū)域的大比例尺地形圖制作，由于傳統(tǒng)測(cè)圖方式存在周期長(zhǎng)、人力成本高、數(shù)據(jù)采集困難等問題，已逐漸無法滿足新形勢(shì)下的地形測(cè)繪需求。作為一種可快速、高效采集空間數(shù)據(jù)的新型測(cè)繪技術(shù)，機(jī)載激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)為大比例尺地形圖測(cè)繪帶來了新的作業(yè)方式。本文以影像數(shù)據(jù)和機(jī)載點(diǎn)云為源數(shù)據(jù)進(jìn)行城市大比例尺地形圖測(cè)繪，并且通過外業(yè)檢驗(yàn)點(diǎn)驗(yàn)證了成圖精度，有效縮短了工期，節(jié)約了成本，表明通過機(jī)載激光掃描技術(shù)進(jìn)行城市大比例尺測(cè)圖是切實(shí)可行的?？傊?，隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)載激光掃描技術(shù)將會(huì)在大比例尺地形測(cè)繪中扮演越來越重要的角色。