胡錦榮，劉濤，李甜，劉敏

(1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430205)

1 引 言

傳統(tǒng)全站儀、RTK測(cè)量方式在地勢(shì)復(fù)雜、植被茂密、交通不便等自然條件受限的區(qū)域進(jìn)行地形測(cè)量具有效率低、周期長(zhǎng)、成本高、碎部點(diǎn)采集密度有限、數(shù)據(jù)種類單一、作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)[1]。三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸主動(dòng)式快速獲取物體表面三維密集點(diǎn)云的技術(shù)，目前已成為高時(shí)空分辨率三維對(duì)地觀測(cè)的主要手段[2]。近年來(lái)，基于動(dòng)態(tài)后處理差分技術(shù)(PPK)的低空旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)測(cè)量系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)繪中。

2 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)測(cè)量原理

三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，從而可以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀器中心的距離S，同時(shí)控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向和縱向掃描角度的觀測(cè)值α和β，如圖1所示。依據(jù)式(1)可得出目標(biāo)點(diǎn)P的三維坐標(biāo)[3]。

圖1 機(jī)載激光系統(tǒng)對(duì)地定位原理

(1)

3 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)地形圖測(cè)繪應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

測(cè)區(qū)位于重慶市東北部，地處大巴山弧形構(gòu)造、川東褶皺帶及川鄂湘黔隆褶帶三大構(gòu)造體系結(jié)合部。長(zhǎng)江及其支流呈南北向強(qiáng)烈下切，地貌上呈深谷和中低山相間形態(tài)，地形起伏大、坡度陡。區(qū)內(nèi)出露地層為沉積巖地層，巖層軟硬相間，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，構(gòu)造地質(zhì)背景復(fù)雜。本項(xiàng)目選取測(cè)區(qū)南部沿江地區(qū)范圍作為研究區(qū)域。

3.2 技術(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)本項(xiàng)目的地形條件決定采用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載ARS-1000三維激光掃描儀，利用海達(dá)航線規(guī)劃軟件規(guī)劃航線采集數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)POS解算和數(shù)據(jù)融合生成las格式的成果點(diǎn)云，在Terrasolid軟件中進(jìn)行去噪和分類，得到地面點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成最終的DEM成果和繪制等高線，分類完成的點(diǎn)云配合正射影像進(jìn)行地物采集和編輯，包含建構(gòu)筑物、地物和地形要素的圖件經(jīng)過(guò)整飾得到大比例尺地形圖成果，生產(chǎn)技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 機(jī)載LiDAR大比例尺地形圖生產(chǎn)技術(shù)路線圖

3.3 航飛采集

綜合考慮測(cè)區(qū)高差、點(diǎn)云密度、機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備性能等因素，確定設(shè)備檔位等參數(shù)和飛行高度(相對(duì)航高)。本項(xiàng)目選擇起降點(diǎn)在山頂處，選用合適的擋位進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。航線規(guī)劃如圖3所示。

圖3 本項(xiàng)目航線規(guī)劃方案

3.4 后差分處理和正射拼接

運(yùn)用Inertial Explorer軟件進(jìn)行PPK后差分解算POS數(shù)據(jù)，POS解算采用基站數(shù)據(jù)和移動(dòng)站GPS數(shù)據(jù)+IMU數(shù)據(jù)組合解算，并輸出點(diǎn)云融合階段需要使用的高精度定位定姿數(shù)據(jù)[4]。POS解算操作主要包括基站數(shù)據(jù)預(yù)處理和軌跡解算兩部分?；緮?shù)據(jù)預(yù)處理是將基站原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)格式，然后將移動(dòng)站的數(shù)據(jù)與處理之后的基站數(shù)據(jù)進(jìn)行組合解算，得到高精度定位定姿數(shù)據(jù)和航線軌跡如圖4、圖5所示，同時(shí)導(dǎo)出高精度相機(jī)照片的外方位元素。

圖4 航線軌跡后差分解算結(jié)果

圖5 后差分POS內(nèi)符合精度結(jié)果

點(diǎn)云融合是將解算后的POS定位定姿數(shù)據(jù)與掃描儀原始數(shù)據(jù)經(jīng)時(shí)間同步生成帶有絕對(duì)坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，融合后生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是后續(xù)進(jìn)行點(diǎn)云濾波和分類的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。融合生成的點(diǎn)云如圖6、圖7所示：

圖6 按高程渲染顯示

圖7 按強(qiáng)度渲染顯示

將原始影像導(dǎo)入Pix4dmapper軟件，經(jīng)過(guò)空三加密解算，勾選軟件全自動(dòng)生產(chǎn)DOM選項(xiàng)，軟件運(yùn)行特征點(diǎn)提取和匹配操作，拼接得到測(cè)區(qū)的正射影像圖8所示，通過(guò)Global Mapper軟件將點(diǎn)云進(jìn)行正射影像紋理著色如圖9所示：

圖8 DOM成果

圖9 點(diǎn)云影像著色效果

3.5 濾波分類

本項(xiàng)目采用TerraSolid軟件對(duì)融合后的激光點(diǎn)云進(jìn)行粗分類和精細(xì)分類處理。

首先利用濾波算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波粗分類處理，剔除非地表數(shù)據(jù)，之后人工干預(yù)精細(xì)分類以獲取準(zhǔn)確純地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)。得到地面點(diǎn)點(diǎn)云如圖10所示：

圖10 地面點(diǎn)點(diǎn)云

3.6 生成DEM和等高線

基于地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Terrasolid軟件自動(dòng)化生成DEM成果和等高線成果，分別如圖11、圖12所示。

圖11 DEM成果

圖12 等高線

3.7 地物采編生成DLG

數(shù)字地形圖中等高線以及高程點(diǎn)均從激光點(diǎn)云中獲取，其余要素如水系、交通、植被土質(zhì)等要素可由點(diǎn)云疊加DOM進(jìn)行繪制。

測(cè)圖軟件基于真三維立體環(huán)境測(cè)圖，支持點(diǎn)云數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)同步加載顯示，在此基礎(chǔ)上通過(guò)二三維窗口聯(lián)動(dòng)進(jìn)行地物采集；對(duì)于某一墻體點(diǎn)云掃描不完整的情況，可以通過(guò)點(diǎn)云切片快速定位來(lái)使該面的點(diǎn)云顯現(xiàn)出來(lái)便于繪圖；對(duì)于不易捕捉的房角點(diǎn)，也可以采用線相交方式來(lái)繪制，采集界面如圖13所示。

圖13 二三維窗口聯(lián)動(dòng)點(diǎn)云切片測(cè)圖

將地物圖形與等高線圖形進(jìn)行疊加、編輯，同時(shí)由于切除了地物部分?jǐn)?shù)據(jù)，造成生成的等高線局部缺失、扭曲、不光滑等，需要對(duì)照照片及點(diǎn)云數(shù)據(jù)，手動(dòng)進(jìn)行修改，最后加上高程注記，生成圖示圖例圖廓，進(jìn)行局部修飾[5]得到大比例尺地形圖成果，如圖14、圖15所示。

圖14 DLG成果

圖15 DLG與DOM套合效果

4 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)測(cè)圖精度評(píng)價(jià)

4.1 精度評(píng)價(jià)方法

傳統(tǒng)全站儀配合RTK測(cè)繪大比例尺地形圖的生產(chǎn)方式雖然效率有限，但由于在測(cè)圖開(kāi)始前布設(shè)圖根控制網(wǎng)和地物碎部點(diǎn)逐個(gè)采用全站儀采集的方式保證了成圖精度。為了驗(yàn)證基于PPK的機(jī)載LiDAR技術(shù)大比例尺地形圖測(cè)繪的精度，在測(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置了若干檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)主要包括房屋角點(diǎn)、道路交叉點(diǎn)、獨(dú)立地物點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)檢查點(diǎn)平面坐標(biāo)比較的方式進(jìn)行精度評(píng)價(jià)[6]。

(1)選取檢查點(diǎn)的全站儀測(cè)定坐標(biāo)和機(jī)載LiDAR成圖坐標(biāo)分別為：(aXi，aYi)，(bXi，bYi)。

(2)計(jì)算X，Y方向的坐標(biāo)差值，公式為：

dXi=aXi-bXi

(2)

dYi=aYi-bYi

(3)

(3)計(jì)算各檢查點(diǎn)的相對(duì)誤差，公式為：

(4)

(4)計(jì)算所有檢查點(diǎn)的期望和標(biāo)準(zhǔn)差，即平均值和中誤差，公式為：

(5)

(6)

4.2 評(píng)定結(jié)果分析

檢查點(diǎn)的比較結(jié)果如表1所示。通過(guò)計(jì)算可得檢查點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差為δ=0.038，即后差分機(jī)載LiDAR生產(chǎn)大比例尺地形圖的中誤差為 3.8 cm，滿足 1∶500地形圖生產(chǎn)的精度要求。

精度驗(yàn)證表 表1

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用重慶市某地區(qū)1∶500地形圖測(cè)繪案例，分析了基于PPK的機(jī)載LiDAR技術(shù)在地形復(fù)雜區(qū)域大比例尺地圖測(cè)繪的精度和效率，可以分析出：

(1)基于PPK的機(jī)載LiDAR技術(shù)能夠快速而精確地采集大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，檢查點(diǎn)精度驗(yàn)證得出中誤差δ=±0.038(cm)，滿足 1∶500地形圖測(cè)圖精度要求；由于本項(xiàng)目面積偏小、檢查點(diǎn)樣本數(shù)量偏少，基于PPK的LiDAR技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的精度驗(yàn)證工作可以做進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

(2)使用基于PPK的機(jī)載LiDAR技術(shù)，在農(nóng)房一體調(diào)查、城市地形測(cè)圖、帶狀工程測(cè)繪方面都具快速高效的優(yōu)勢(shì)。機(jī)載LiDAR技術(shù)受天氣影響較小，效率高，可以穿透茂密林木和非接觸掃描危崖崩岸等特性使其在便捷、高效、高精度獲取大比例尺地形圖的應(yīng)用中具有廣闊前景。