程曉光，熊 彪

1.飛燕航空遙感技術有限公司，江蘇 南京 210002；

2.武漢理工大學 計算機科學與技術學院，湖北 武漢 430073

0 引 言

機載激光雷達（LiDAR）集成了激光發(fā)射器/接收器、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、慣性測量單元等多個傳感器，可以高效獲取地形和三維空間數(shù)據(jù)[1]，數(shù)據(jù)主要表達為點云，可以生產(chǎn)數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字線劃圖（DLG）等產(chǎn)品，已成為中國及世界大范圍陸地地形測繪的主要手段。

世界上一些國家已經(jīng)開展了在全境范圍內(nèi)采集LiDAR數(shù)據(jù)的項目，典型例子包括荷蘭最新海拔數(shù)據(jù)項目（AHN）[2]、波蘭針對國家特殊威脅的信息系統(tǒng)（ISOK）[3]、美國三維高程計劃（3DEP）[4]等。此外，西班牙[5]、英國[6]、丹麥[7]、芬蘭[8]、捷克[9]、斯洛文尼亞[10]等國提供了機載LiDAR數(shù)據(jù)或產(chǎn)品供公眾下載。鑒于美國和中國面積接近，且3DEP已開展數(shù)年，取得良好效益，所以3DEP對中國的參考意義較大。目前，中國國內(nèi)對3DEP的介紹資料還很少[11]。本文對3DEP實施情況做了系統(tǒng)介紹，給出了3DEP對中國機載LiDAR發(fā)展的啟示及對在中國開展全國范圍的機載LiDAR測繪的建議。

1 3DEP項目

1.1 簡 介

3DEP是由美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）國家地理空間計劃（NGP）管理的一個獲取三維空間數(shù)據(jù)的國家項目，目標是到2023年底獲取全面覆蓋美國本土、夏威夷和美國屬地的2級質(zhì)量水平的LiDAR數(shù)據(jù)以及覆蓋阿拉斯加的干涉合成孔徑雷達（InSAR）數(shù)據(jù)，以支撐政府、非政府組織和公司實體的決策和運營活動[12]。

1.2 背 景

在防災減災、基礎設施建設、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護、國家安全等眾多領域，美國對高精度、高分辨率的地形和三維空間數(shù)據(jù)的需求在不斷增長。然而，美國最主要的高程數(shù)據(jù)集——國家高程數(shù)據(jù)（NED）的精度、分辨率和現(xiàn)勢性不能充分滿足需求，很多數(shù)據(jù)是二十世紀六七十年代獲取的[12-13]。

在3DEP項目啟動之前，美國多個聯(lián)邦政府機構，包括USGS、自然資源保護局（NRCS）、國家海洋和大氣管理局（NOAA）、國家地理空間情報局（NGA）、聯(lián)邦應急管理局（FEMA）、美國陸軍工程兵團（USACE）等投資了大量LiDAR數(shù)據(jù)采集項目[14]。各州或已完成全州范圍的LiDAR測繪，或正積極規(guī)劃LiDAR項目[14]。但是，這些項目往往缺乏聯(lián)邦層面的協(xié)調(diào)規(guī)劃，導致對一些區(qū)域重復采集，而對大片區(qū)域覆蓋不全等問題。此外，不同項目的測繪標準不盡相同，導致數(shù)據(jù)存在不一致性，從而對跨項目測區(qū)的分析造成不利影響[15]。

1.3 NEEA

2011年，USGS和 NGA、FEMA、NRCS、NOAA等委托專業(yè)高程數(shù)據(jù)服務公司Dewberry進行國家增強高程評估（NEEA），以分析國家增強高程數(shù)據(jù)（分辨率和精度更高的高程數(shù)據(jù)）的商業(yè)使用需求，估算滿足這些需求的成本和收益，并評估多個國家增強高程數(shù)據(jù)采集方案[15]。

NEEA搜集了聯(lián)邦、州和地方政府機構、部落辦事處以及私人和非營利組織在27個領域的高程數(shù)據(jù)需求，包括數(shù)據(jù)精度、更新周期和覆蓋范圍等，共覆蓋聯(lián)邦機構的104項職能活動、州和屬地的329項職能活動、地方政府和部落的144項職能活動、非營利性公司和私營公司的25項職能活動，還搜集了各機構認為增強高程數(shù)據(jù)能帶來的經(jīng)濟收益[14]。

2012年3月，Dewberry提交了最終版評估報告[14]。評估結(jié)果表明，對所有27個領域，如果它們對增強高程數(shù)據(jù)的需求全部得到滿足，則保守收益可達11.802億美元/年，潛在收益可達129.807億美元/年[14]。收益最大的10個領域可見表1。

表1的10個領域中，部分領域LiDAR應用已經(jīng)較為成熟，年收益較高，如洪水風險管理、基礎設施和建筑管理等。但是隨著LiDAR數(shù)據(jù)的普及和其他技術的發(fā)展，LiDAR的優(yōu)勢也將在其他一些領域（不限于表1）得到充分體現(xiàn)，如雖然陸地導航和安全領域的保守估計年收益較低，但潛在收益達70億美元/年[14-15]。

表1 從增強國家高程數(shù)據(jù)中收益最大（基于保守估計年收益）的10個領域（引自文獻[14]表1.3）Tab.1 Top 10 business use benefited most (based on conservative benefits) from enhanced elevation data (citing Table 1.3 of literature [14])

NEEA評估了8個在全美范圍內(nèi)以不同質(zhì)量水平和更新周期采集高程數(shù)據(jù)的候選方案?？紤]到信息技術投入，采集周期為8年，對美國本土、夏威夷和美國屬地采集2級質(zhì)量水平（激光脈沖密度為2點/m2，高程均方根誤差為9.25 cm，可生產(chǎn)1 m分辨率DEM）的LiDAR數(shù)據(jù)，對阿拉斯加采集5級質(zhì)量水平（5 m分辨率，高程均方根誤差為92.7～185.0 cm）的InSAR數(shù)據(jù)的方案的效益成本比高達4.713:1，平均年凈收益達5.435億美元，可以獲得58.5%的潛在收益[14]。

效益成本分析表明，相比聯(lián)邦政府、州政府和非政府組織獨立采集數(shù)據(jù)的情況，如果三者協(xié)同采集數(shù)據(jù)，則年收益更高（10.080億美元對8.910億美元），成本更低（2.132億美元對2.894億美元），年凈收益更高（7.948億美元對6.016億美元）[14]。

1.4 執(zhí)行過程

基于NEEA的評估結(jié)果，國家數(shù)字高程計劃（NDEP）委員會及其12個聯(lián)邦成員機構建議對美國本土、夏威夷和屬地以8年為周期采集2級質(zhì)量水平的LiDAR數(shù)據(jù)[12]。由于阿拉斯加特殊的氣象條件（多云多霧）和地形，不適合對其全境進行LiDAR數(shù)據(jù)采集[14]，因而使用InSAR采集5級質(zhì)量水平的數(shù)據(jù)。

2013年5月3DEP執(zhí)行論壇成立[12-13]。此外，NDEP還成立了多機構協(xié)調(diào)委員會來協(xié)調(diào)3DEP的實施[12]。2014年，USGS發(fā)出了3DEP倡議[12]。3DEP的預計完成時間是2023年年底[16]。

3DEP由USGS牽頭，各州和地方機構以及非政府組織可以通過USGS每年發(fā)布的《廣泛代理商公告》（Broad Agency Announcement）競爭申請聯(lián)邦配套資金以進行數(shù)據(jù)采集[1]。此外，3DEP參與者還可以相互合作來節(jié)省成本。目前，3DEP的合作伙伴超過260個，包括18個聯(lián)邦機構和249個州和地方政府[17]。私營企業(yè)與政府簽訂合同，采集數(shù)據(jù)并提供技術解決方案。從2015財年到2019財年，3DEP在數(shù)據(jù)采集方面的投資持續(xù)增長，從0.463億美元增長到1.368億美元[1]。3DEP的成本中，30%由USGS負擔，用于數(shù)據(jù)采集、處理和管理，66%由合作伙伴負擔，用于數(shù)據(jù)采集，其余4%來自災害補充撥款[1]。

3DEP對LiDAR數(shù)據(jù)采集、處理、交付和DEM生產(chǎn)做出了規(guī)定，形成了LiDAR基礎規(guī)范（LBS），2012年推出LBS 1.0版[18]，最新版是2020 rev. A版[19]。

3DEP的第一個生產(chǎn)全年是2016年[1]。3DEP已在全美范圍內(nèi)獲取了超過518萬km2的數(shù)據(jù)[1]。截至2021財年，全美約80%的可用或采集中的LiDAR數(shù)據(jù)符合3DEP要求（圖1）。

圖1 截至2021財年，符合3DEP質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)覆蓋情況[1]Fig.1 Status of 3DEP quality data by fiscal year 2021[1]

1.5 數(shù)據(jù)共享

2014年底，首批3DEP數(shù)據(jù)集向公眾發(fā)布[16]。2015年，3DEP開始向合作伙伴和公眾提供產(chǎn)品和服務[1]。3DEP通過國家地圖[20]免費提供數(shù)據(jù)下載（https://viewer.nationalmap.gov/basic/），數(shù)據(jù)無使用限制。

在國家地圖上可供下載的3DEP數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括：源數(shù)據(jù)產(chǎn)品、標準DEM和3DEP元數(shù)據(jù)[21]。源數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括LiDAR點云（圖2）、原始分辨率DEM，以及InSAR生成的其他類型數(shù)據(jù)。在標準DEM產(chǎn)品中，有1 m、1/9弧秒（已停止更新）、5 m、1/3弧秒、1弧秒、2弧秒這幾種分辨率的數(shù)據(jù)可供下載，其中1/3弧秒、1弧秒和2弧秒分辨率的DEM無縫覆蓋美國，而其他幾種分辨率的DEM只在某些項目的成果中有。5 m分辨率的DEM僅分布在阿拉斯加，由InSAR生成。1 m分辨率DEM覆蓋范圍有限（圖3），但隨著3DEP的推進，該數(shù)據(jù)集不斷得到擴展。

圖2 3DEP已分類點云分布圖[1]Fig.2 Availability map of classified point clouds in 3DEP[1]

圖3 3DEP 1 m分辨率DEM分布圖[1]Fig.3 Availability map of 1-meter resolution DEM in 3DEP[1]

3DEP產(chǎn)品使用聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會（FGDC）制定的地理空間元數(shù)據(jù)標準進行記錄[1]。早先3DEP供下載的數(shù)據(jù)格式包括LAS、ArcGRID、GridFloat、Img、Tiff等[21]。為了提供高效、開放、適用于云計算的數(shù)據(jù)格式，NGP在2018財年將點云改為以LAZ格式進行分發(fā)[22]，在2020財年上半年將DEM改為以云優(yōu)化Geotiff（Cloud Optimized GeoTiff）的格式進行分發(fā)[23]。

1.6 應 用

3DEP數(shù)據(jù)已在防洪減災[24-27]、基礎設施建設[4,28]、森林野火防治[29]、精準農(nóng)業(yè)[30]、地質(zhì)災害識別評估[31]、礦物勘探[32-33]、能源[34]等領域得到應用，具體例子有：

1）北卡羅來納州通過3DEP數(shù)據(jù)進行洪水制圖，計算河流水量，確定洪水流向，識別易淹區(qū)域[35]。

2）俄亥俄州交通部將3DEP數(shù)據(jù)用于道路施工分析，減少野外調(diào)查工作量[29]。

3）在2018年肆虐加利福尼亞州南部的森林野火之后，USGS承包商Woolpert通過與3DEP簽訂的合同，收集、處理和交付了約24605 km2的LiDAR數(shù)據(jù)，制作燃料分布地圖，評估地質(zhì)災害隱患[36]。

4）3DEP和USGS的地球資源制圖倡議（Earth MRI）協(xié)作采集內(nèi)華達州西部的機載LiDAR和地球物理數(shù)據(jù)，用于鋰、稀土、地熱等資源的勘探[32-33]。

5）USGS等利用3DEP數(shù)據(jù)估計密蘇里州東南部鉛鋅礦廢物堆積物的體積以及殘余微量金屬的含量[37]。

6）在水文水利上，F(xiàn)EMA發(fā)布了利用3DEP數(shù)據(jù)進行洪水風險分析和制圖的指導文件[38]；USGS發(fā)布了從高程數(shù)據(jù)導出水文數(shù)據(jù)的規(guī)范[39]，用于更新國家水文數(shù)據(jù)集[17]。

1.7 挑 戰(zhàn)

3DEP面臨的主要挑戰(zhàn)是經(jīng)費。例如，美國西部地廣人稀，大量土地歸聯(lián)邦政府所有[35]，州和地方政府不能提供足夠配套資金[17]。此外，對高質(zhì)量水平的LiDAR數(shù)據(jù)的需求增加[1]，導致采集成本上升。

1.8 未來展望

USGS認為3DEP的未來發(fā)展方向包括[17]：與NOAA合作開展近岸和近海水深測量研究；當3DEP第一輪數(shù)據(jù)采集完成，獲得基線點云數(shù)據(jù)后，開展點云變化檢測研究；評估新技術對用戶需求的滿足程度，確定哪種質(zhì)量水平可以滿足用戶需求；使用多種平臺獲取LiDAR數(shù)據(jù)。

2 3DEP啟示

目前中國在三維空間數(shù)據(jù)需求和獲取上面臨和美國類似的問題。很多行業(yè)對高分辨率、高精度三維空間數(shù)據(jù)的需求越來越大。相比USGS關注的領域，中國在城市規(guī)劃、數(shù)字城市、農(nóng)田房屋確權、無人駕駛、三維實景導航等領域?qū)iDAR數(shù)據(jù)也有很大需求。對它們來說，三維空間數(shù)據(jù)是基礎數(shù)據(jù)和重要支撐，可以被視為一種基礎設施。但中國目前缺乏全國范圍的高分辨率點云和DEM、DSM等。雖然很多政府部門、企事業(yè)單位在各地開展了機載LiDAR的數(shù)據(jù)采集和產(chǎn)品生產(chǎn)工作，但是總體來說，各自為戰(zhàn)，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和數(shù)據(jù)共享，導致有的地區(qū)重復采集資金浪費、有的地區(qū)無數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集標準不統(tǒng)一等問題。針對上述問題，3DEP提供了如下啟示：

1）各級政府和企事業(yè)單位應協(xié)調(diào)采集數(shù)據(jù)，避免單打獨斗，以降低成本，提高收益。

2）選擇合適的數(shù)據(jù)更新周期，在成本和數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性之間取得平衡。

3）應制定明確的數(shù)據(jù)采集處理標準，獲得質(zhì)量統(tǒng)一的產(chǎn)品。

4）LiDAR數(shù)據(jù)采集應盡量單次獲取大面積數(shù)據(jù)，降低單位面積成本。

5）建立LiDAR數(shù)據(jù)共享機制，避免為了采集而采集，避免重復采集。使用公共財政預算采集的數(shù)據(jù)，應盡量向公眾公開，一次采集，多次使用。

6）應盡量共享點云。點云蘊含了豐富的三維空間信息，DEM、DSM等只表達了點云信息中的一小部分[13]。共享點云允許各領域用戶對點云進行更深入的信息挖掘，以支撐業(yè)務生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

隨著社會的發(fā)展和技術的進步，LiDAR數(shù)據(jù)的需求會越來越大，而獲取成本會逐步降低。為了滿足中國各行業(yè)對空間數(shù)據(jù)的需求，助力新型基礎設施建設，筆者建議像3DEP一樣，建立領導機構，由國家政府部門牽頭，組織國家、省、市各相關部門和企事業(yè)單位進行合作，梳理各行業(yè)對三維空間數(shù)據(jù)的需求，整合現(xiàn)有LiDAR數(shù)據(jù)，進行全國范圍的機載LiDAR數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)，制作分類點云和DEM、DSM等產(chǎn)品，建立數(shù)據(jù)發(fā)布平臺，進行有條件的共享，支撐各行業(yè)應用。在數(shù)據(jù)采集中，可以主要按2點/m2進行大范圍采集，對重點關注區(qū)域，可提高到10點/m2以上。在有條件的情況下，對森林等區(qū)域采集全波形數(shù)據(jù)。考慮到中國建設發(fā)展速度較快，4～5年的采集周期可能更為合適。