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        機(jī)載激光雷達(dá)1∶500地形圖測繪理論與實踐

        2022-11-25 06:20:20尚海興賀春林張西龍
        西北水電 2022年5期
        關(guān)鍵詞:檢查點光學(xué)高程

        張 釗,周 偉,尚海興,賀春林,張西龍

        (1. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司, 西安 710065;2. 國家能源集團(tuán)西藏電力有限公司,西藏 林芝 860019)

        0 前 言

        1∶500地形圖精度要求高,測圖時需獲取地面精準(zhǔn)高程信息。常規(guī)光學(xué)相機(jī)無人機(jī)航攝系統(tǒng)在大比例尺地形圖測繪項目中廣泛應(yīng)用,但面對植被密度大、覆蓋厚的地區(qū)時,相機(jī)難以獲取植被覆蓋層下真實的地面高程數(shù)據(jù)[1];且受相機(jī)畸變及影像質(zhì)量等因素影響,要保證高程精度,在空中三角測量計算時需要一定數(shù)量像控點參與其中。姜華提出可以使用消費級無人機(jī)進(jìn)行1∶500地形圖制作,但對像控點仍有一定需求[2];朱巖隆、朱曉康等采用光學(xué)航攝儀無人機(jī)系統(tǒng)免像控生產(chǎn)1∶500地形圖[3-4];李國峰探討了免像控?zé)o人機(jī)航測技術(shù)在1∶500地形圖測繪中的應(yīng)用,但在植被茂密地區(qū)應(yīng)進(jìn)行人工補測[5];趙立根提出固定翼無人機(jī)傾斜攝影可在用于1∶500地形圖測繪,但該方法對影像質(zhì)量要求高且在植被覆蓋區(qū)域精度難以保障[6]。綜上所述,植被覆蓋區(qū)免像控測制1∶500地形圖的解決方案較少。本文以平地、丘陵、山地3種不同地形的光伏測繪項目為例,介紹機(jī)載激光雷達(dá)(以下簡稱LiDAR)在1∶500地形圖測制中的作業(yè)流程和相關(guān)經(jīng)驗,檢查地形圖成果的精度,分析在植被覆蓋區(qū)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)較傳統(tǒng)光學(xué)影像航測技術(shù)的優(yōu)勢。

        1 技術(shù)工作原理及作業(yè)流程

        1.1 航測關(guān)鍵參數(shù)計算

        根據(jù)測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),LiDAR測量1∶500地形圖時點云密度應(yīng)大于16點/m2,即點云航向和旁向點間距均應(yīng)小于0.25 m;預(yù)設(shè)地面分辨率小于0.05 m,航攝影像重疊度為20%~ 30%,LiDAR點云獲取重疊度至少為20%[7-12]。

        LiDAR參數(shù)和航攝儀參數(shù)在航線設(shè)計時聯(lián)動,一般在確定航攝儀重疊度后計算航線間距,再使用航線間距計算出激光LiDAR點云重疊度,最終機(jī)載LiDAR與光學(xué)航攝儀同時工作時使重疊度均滿足規(guī)范要求且航線間距最大。在計算重疊度時,與平坦地形不同的是山地或地面傾角過大區(qū)域需加入地面傾角參數(shù),以保證最高點重疊度滿足要求。預(yù)設(shè)航攝儀旁向重疊度后,滿足要求的航線間距計算式可表示為:

        (1)

        LiDAR掃描寬度為

        (2)

        計算出滿足要求的LiDAR點云旁向重疊度計算式為

        (3)

        (4)

        公式(1)~(4)中:D為航線間距,m;F為航攝儀畫幅寬度,mm;h為無人機(jī)相對航高,m;f為航攝儀主距,mm;Pc為航攝儀旁向重疊度,%;Ll為LiDAR掃描寬度,m;Rmax為LiDAR最大測量距離,m;Pl為LiDAR點云旁向重疊度,%。

        兼顧LiDAR最大測量距離和擬采集的點云密度2種參數(shù)選擇掃描頻率,并計算無人機(jī)相對航高;根據(jù)預(yù)設(shè)的影像航向重疊度、LiDAR點云航向間距、無人機(jī)飛行速度計算LiDAR工作線速。

        1.2 原始數(shù)據(jù)獲取及其注意事項

        (1) 無人機(jī)機(jī)載LiDAR系統(tǒng)集成了無人機(jī)平臺、GNSS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、激光掃描儀(scanner)和數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備。其中,定姿定位系統(tǒng)(POS)獲取差分基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)、差分流動站數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù);LiDAR系統(tǒng)中的scanner獲取LiDAR點云數(shù)據(jù),光學(xué)航攝儀獲取光學(xué)影像數(shù)據(jù)及通過檢校后得到航攝儀檢校參數(shù)。無人機(jī)機(jī)載LiDAR各系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)類型見圖1。

        圖1 機(jī)載LiDAR各系統(tǒng)組成及獲取數(shù)據(jù)類型

        (2) 航測作業(yè)前,一般先將GNSS差分基準(zhǔn)站架設(shè)在開闊的已知控制點上,盡量保證該控制點擁有與IGS站聯(lián)測的經(jīng)緯度及大地高。架設(shè)的控制點距本架次有效航攝區(qū)域最遠(yuǎn)處一般不超過5 km,且開關(guān)機(jī)應(yīng)分別早于和晚于無人機(jī)POS系統(tǒng)10 min進(jìn)行[13]。

        (3) 航測作業(yè)時,每次開機(jī)后使LiDAR系統(tǒng)在開闊區(qū)域靜置等待3~5 min,此時POS系統(tǒng)進(jìn)行初始化改正并鎖定衛(wèi)星,作業(yè)結(jié)束后按同樣方法靜止。無人機(jī)起飛后,手動控制無人機(jī)或按預(yù)設(shè)航線進(jìn)行“8”字繞飛,以激活I(lǐng)NS中的陀螺儀,加速慣導(dǎo)收斂并使其找北方向。為控制慣導(dǎo)偏移,一般規(guī)劃航線時還需考慮直線段距離應(yīng)在一定范圍內(nèi)[14]。

        1.3 數(shù)據(jù)處理及其注意事項

        (1) 處理數(shù)據(jù)時,先將慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、機(jī)載差分?jǐn)?shù)據(jù)、差分基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)、公開的星歷數(shù)據(jù)等整理后再加入設(shè)備自身的偏心改正值計算得出軌跡文件及精準(zhǔn)POS數(shù)據(jù)(緯度B、經(jīng)度L、橢球高H、航向角Kappa/Heading、 俯仰角Omega/Pitch、滾轉(zhuǎn)角Phi/Roll等)。解算時,需檢查GNSS差分解是否固定,PDOP值、周跳等是否合格,各參數(shù)滿足要求后方可使用。LiDAR系統(tǒng)中POS解算一般優(yōu)先使用計算精度更高的緊耦合解算方式。緊耦合原理如圖2所示。

        圖2 緊耦合原理

        (2) 因重疊度的設(shè)置,相鄰航帶間同名點會出現(xiàn)三維偏移現(xiàn)象[15],LiDAR掃描的點云誤差會隨掃描角度增大而增大,一般小開角掃描到的點云精度大于大開角。預(yù)處理數(shù)據(jù)時一般據(jù)此理論進(jìn)行航帶拼接處理。

        (3) 在實際環(huán)境中和設(shè)備的干擾影響下,生產(chǎn)的點云不可避免會存在一定數(shù)量的噪聲點。此時需對噪聲點數(shù)據(jù)進(jìn)行消除,避免其在點云分類時對計算造成影響從而出現(xiàn)分類錯誤的情況。

        (4) 人機(jī)交互的進(jìn)行點云去噪、去冗余、點云分類、點云賦色等系列操作后,使用處理后的點云生產(chǎn)點線地形數(shù)據(jù)。使用預(yù)處理后計算出的POS數(shù)據(jù)、光學(xué)影像數(shù)據(jù)與航攝儀檢校參數(shù)生產(chǎn)正射影像圖(DOM),再根據(jù)DOM采集地物數(shù)據(jù)。最后將地形點線數(shù)據(jù)與地物數(shù)據(jù)結(jié)合后再人工編修、整飾、質(zhì)檢生產(chǎn)最終的數(shù)字線劃圖(DLG)。

        從學(xué)歷、專業(yè)、工作年限、經(jīng)驗、能力素質(zhì)、認(rèn)證、專業(yè)技能、熟練程度等多個維度構(gòu)建緊缺崗位的崗位畫像。企業(yè)招聘人員會在招聘網(wǎng)站對招聘崗位進(jìn)行詳細(xì)的崗位要求描述。通過對企業(yè)崗位要求描述進(jìn)行文本分析,將崗位要求分為八大類,分別是能力素質(zhì)、專業(yè)認(rèn)證、學(xué)歷水平、經(jīng)驗要求、經(jīng)驗?zāi)晗?、技能掌握程度、所學(xué)專業(yè)、專業(yè)技能。目錄以八大類要求為崗位畫像維度,全方位展示每個緊缺崗位的能力、技能、經(jīng)驗等具體要求情況,并對崗位的具體要求按照需求數(shù)量進(jìn)行排序。

        2 工程應(yīng)用

        本次使用同一套機(jī)載LiDAR系統(tǒng)對平地、丘陵和山地3種地形的2個案例項目進(jìn)行測繪并對成果進(jìn)行分析。LiDAR參數(shù)為:最大測量距離1 350 m(反射率>60%),最大視場角330°,測量精度1.5 cm,姿態(tài)角度精度為0.005°,無限次回波。相機(jī)參數(shù)為:有效像素4 200萬,鏡頭焦距18 mm。

        2.1 案例1

        (1) 概況與方案

        該項目位于內(nèi)蒙古自治區(qū),為光伏能源基地建設(shè)項目。項目面積約為10 km2,地形類型為平地和丘陵沙地,地物以灌木為主,通車?yán)щy,擬生產(chǎn)1∶500地形圖。在項目范圍內(nèi)按常規(guī)方法均勻布設(shè)像控點,并使用RTK實測若干地面檢查點作為對成果精度的檢核[16-17]。設(shè)計本案例的目的為計算同一地區(qū)機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)像控光學(xué)相機(jī)航測數(shù)據(jù)的平面高程精度,并分析不同密度和厚度的植被覆蓋區(qū)2種點云的高程差值情況。

        使用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)對項目區(qū)域進(jìn)行航測后,設(shè)計A、B兩種方案將獲取到的數(shù)據(jù)分開后計算并輸出成果。方案A為免像控機(jī)載LiDAR作業(yè)技術(shù)應(yīng)用,使用LiDAR點云數(shù)據(jù)和光學(xué)影像等數(shù)據(jù)生產(chǎn)中間數(shù)據(jù)后制圖,生產(chǎn)過程中無地面像控點參與其中;方案B為標(biāo)準(zhǔn)像控光學(xué)相機(jī)測圖技術(shù)應(yīng)用,使用光學(xué)影像數(shù)據(jù)結(jié)合地面像控點數(shù)據(jù)生產(chǎn)中間成果后制圖。

        使用方案A生產(chǎn)的中間數(shù)據(jù)DOM和LiDAR點云成果記為Ad與Al,使用方案B生產(chǎn)的中間數(shù)據(jù)DOM和光學(xué)點云成果記為Bd與Bl。2種方案的成果數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)對應(yīng)情況見表1。

        表1 方案A、方案B成果數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)

        (2) 精度檢查及結(jié)果分析

        均進(jìn)行去噪、去冗、地面點分類等操作后,將2種點云進(jìn)行疊加對比分析,再使用實測檢查點對2種DOM數(shù)據(jù)平面精度及2種點云的高程精度進(jìn)行檢查。中誤差計算如下:

        (5)

        公式(5)中:m代表中誤差,m;Δi代表較差,m;n為檢查點個數(shù)。

        在項目范圍內(nèi)分別挑選公路、田地、荒地、草地等地表植被覆蓋由少至多的不同區(qū)域進(jìn)行機(jī)載LiDAR點云和光學(xué)影像點云剖面對比。對比后發(fā)現(xiàn),同一剖面上Al與Bl在公路區(qū)的高程較差最大不超過0.03 m,剖面對比圖如圖3(a)所示;田地區(qū)高程較差最大不超過0.05 m,剖面對比如圖3(b)所示;荒地區(qū)高程較差最大不超過0.10 m,剖面對比如圖3(c)所示;草地區(qū)高程較差最大不超過0.10 m,剖面對比如圖3(d)所示。通過4種區(qū)域的剖面對比圖并結(jié)合實測檢查點檢查,發(fā)現(xiàn)在地表裸露較多的公路、田地區(qū)域Al與Bl高程接近,植被覆蓋的荒地、草地區(qū)域Al的精度較Bl更高。

        圖3 不同區(qū)域Al(激光雷達(dá)點云)與Bl(光學(xué)影像點云)剖面對比

        2.2 案例2

        (1) 概況與方案

        該項目位于云南省,為分布式山地光伏項目。項目總面積約為5 km2,地形類型為山地,地物以大面積灌木及部分樹林為主,無通車條件,像控點布設(shè)困難,擬生產(chǎn)1∶500地形圖。設(shè)計本案例的目的為檢查分析機(jī)載LiDAR免除像控點進(jìn)行1∶500地形圖測繪的成果精度。

        在案例區(qū)范圍內(nèi)使用RTK在房角、電桿根部、道路標(biāo)線等能明顯分辨平面位置區(qū)域?qū)崪y平面檢查點34個,在草地、林地及裸露區(qū)地面實測高程檢查點285個,未測設(shè)像控點,使用LiDAR系統(tǒng)對項目區(qū)域進(jìn)行航測。使用實測檢查點對機(jī)載LiDAR點云和平面地物數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢查。

        (2) 精度檢查及結(jié)果分析

        使用實測檢查點檢查機(jī)載LiDAR點云的高程精度,檢查DOM的地物平面精度,通過計算得到點云和DOM平面及高程中誤差。統(tǒng)計結(jié)果見表2、3和表4 。

        表2 部分高程較差統(tǒng)計表

        表3 平面位置誤差統(tǒng)計表

        表4 高程誤差統(tǒng)計表

        根據(jù)GB 50026-2020《工程測量標(biāo)準(zhǔn)》中的要求,測制1∶500地形圖時山地地形的平面中誤差為0.40 m,高程中誤差為0.33 m[11]。通過計算得出:本次平面位置中誤差mS為0.20 m,DOM平面精度滿足相應(yīng)要求;小于等于1倍平面中誤差限差的點占比100%,無大于1倍平面中誤差的點。高程中誤差mH為0.18 m,點位高程精度滿足相應(yīng)要求;小于等于1倍高程中誤差限差的點占比93%,大于1倍高程中誤差小于2倍高程中誤差的點占比7%,無大于2倍高程中誤差的點。

        3 結(jié) 論

        (1)在平地、丘陵、山地3種地形中使用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)免像控進(jìn)行航測,地形圖成果平面中誤差均不大于0.20 m,高程中誤差均不大于0.18 m,平面高程中誤差滿足測繪規(guī)范中1∶500地形圖的精度要求。表明機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可替代標(biāo)準(zhǔn)像控光學(xué)影像航測技術(shù)免像控測制1∶500地形圖。

        (2)通過剖面圖對比和實測點檢查發(fā)現(xiàn),機(jī)載雷達(dá)點云、光學(xué)影像點云的高程較差與測量區(qū)域的植被覆蓋厚度、密度成正相關(guān),雷達(dá)點云高程更接近檢查點高程成果。表明在植被覆蓋區(qū)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)能更加準(zhǔn)確的測量地面高程,較傳統(tǒng)光學(xué)相機(jī)航測精度更優(yōu)。

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