閆燁琛，席雪萍，于向吉，袁婷婷，高學(xué)飛，齊 超

（天津市地質(zhì)工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300000）

近年來(lái)隨著社會(huì)的發(fā)展及實(shí)際工作的需要，針對(duì)一些困難立地區(qū)開(kāi)展大比例尺地形測(cè)繪工作日趨常態(tài)[1]，然而困難立地區(qū)往往是地形條件復(fù)雜，海拔跨度大，坡度陡峭，植被茂盛，針對(duì)該條件下的測(cè)繪任務(wù)致使傳統(tǒng)測(cè)繪工作者棘手困擾[2]。然而隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）與機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備及測(cè)量技術(shù)日趨發(fā)展完善[3-4]，測(cè)繪工作者將機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)引入測(cè)繪領(lǐng)域，該技術(shù)是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，激光雷達(dá)發(fā)出的激光脈沖可以穿透植被空隙測(cè)取地面信息[5]，能夠通過(guò)非接觸的手段獲取高精度地面數(shù)字高程模型（DEM），為困難立地區(qū)大比例尺（1∶500）地形測(cè)繪提供了可行技術(shù)支撐[6]。與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)相比，其所表現(xiàn)出來(lái)的作業(yè)高效、操作便捷、精細(xì)準(zhǔn)確、適用范圍廣及航測(cè)周期短等特點(diǎn)，致使其在地形環(huán)境復(fù)雜區(qū)域地形測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯[7-8]。

本文選取天津市薊州區(qū)一處困難立地區(qū)作為研究對(duì)象，研究探討機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到地形條件復(fù)雜的困難立地區(qū)地形測(cè)繪及數(shù)字高程模型生產(chǎn)的可行性，并通過(guò)研究案例進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證研究成果的可靠性，對(duì)困難立地區(qū)大比例尺地形測(cè)繪具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量

1.1 機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)——無(wú)人機(jī)、鏡頭型號(hào)及其參數(shù)（圖1、圖2）

圖1 經(jīng)緯M300 RTK

圖2 禪思L1（雷達(dá)鏡頭）

規(guī)格參數(shù)：經(jīng)緯M300 RTK無(wú)人機(jī)集成DJITM先進(jìn)的飛控系統(tǒng)、六向雙目視覺(jué)+紅外感知系統(tǒng)和FPV攝像頭，兼容全向避障雷達(dá)，并兼并六向定位和避障，可適配多款DGC2.0接口的云臺(tái)相機(jī)，多云臺(tái)系統(tǒng)最多同時(shí)支撐3個(gè)獨(dú)立云臺(tái)，可滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的使用需求。飛行器內(nèi)置RTK模塊，可實(shí)現(xiàn)高精度準(zhǔn)確定位。雙電池系統(tǒng)提升飛行安全系數(shù)，空載時(shí)飛行時(shí)間約55 min。

禪思L1的尺寸為152 mm×110 mm×169 mm，重量為930±10 g，量程為450 m@80%，0 klx；190 m@10%，100 klx。點(diǎn)云數(shù)據(jù)率：?jiǎn)位夭?，最?40 000點(diǎn)/s；多回波，最大480 000點(diǎn)/s。系統(tǒng)精度（RMS 1σ）1的平面精度為10 cm@50 m；高程精度為5 cm@50 m。

1.2 機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)——外業(yè)航空測(cè)量

本次采用的是經(jīng)緯M300 RTK無(wú)人機(jī)搭載禪思LI雷達(dá)鏡頭開(kāi)展研究工作，主要包括研究區(qū)勘察、像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量、航線規(guī)劃及機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)繪、室內(nèi)數(shù)據(jù)處理分析等環(huán)節(jié)，具體工作流程如圖3所示。

圖3 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)工作流程

1.2.1 像控點(diǎn)布設(shè)和測(cè)量

為滿(mǎn)足本次研究的精度要求，研究區(qū)機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)前需布設(shè)地面像控點(diǎn)，地面像控點(diǎn)在布設(shè)過(guò)程中應(yīng)注重控制點(diǎn)位標(biāo)志清晰，易于辨識(shí)和測(cè)量。本次針對(duì)測(cè)區(qū)地面像控點(diǎn)采集采用時(shí)動(dòng)態(tài)定位（Real-Time Kinematic，RTK）測(cè)量獲取研究區(qū)像控點(diǎn)在國(guó)家2000大地坐標(biāo)系（China Geodetic Coordinate System，CGCS2000）坐標(biāo)。

1.2.2 外業(yè)航空攝影測(cè)量

本次研究區(qū)位于天津市薊州區(qū)，測(cè)區(qū)面積為115 555 m2，通過(guò)前期收集資料及實(shí)地踏勘后，進(jìn)行航線規(guī)劃，飛行高度100 m，激光旁向重疊率40%，作業(yè)速度8 m/s，共4條航線，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了機(jī)載雷達(dá)測(cè)量，如圖4所示。

圖4 航線規(guī)劃圖

2 地形圖制作

主要通過(guò)制作數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、等 高 線 及 數(shù) 字 正 射 影 像（Digital Orthophoto Map，DOM），將制作好的柵格數(shù)據(jù)及矢量數(shù)據(jù)通過(guò)編輯加工，最終制作滿(mǎn)足研究要求的大比例尺地形圖。

2.1 數(shù)字正射影像（DOM）制作

本次研究室內(nèi)數(shù)據(jù)處理主要通過(guò)大疆智圖（DJI Terra）軟件進(jìn)行數(shù)字正射影像（DOM）制作，具體操作流程：獲取影像數(shù)據(jù)→添加影像→空三解算→刺控制點(diǎn)→二維地圖→導(dǎo)出成果，如圖5所示。

圖5 數(shù)字正射影像（DOM）

2.2 DEM及等高線制作

數(shù)字高程模型（DEM）制作主要通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成。其中機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理及基于預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)深度處理分析，如圖6所示。

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

本次研究主要利用大疆智圖（DJI Terra）軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)航攝獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并進(jìn)行各航帶數(shù)據(jù)的拼接工作；將預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到LiDAR360 UAV軟件中進(jìn)行處理，其中包括點(diǎn)云重采樣、點(diǎn)云去除噪點(diǎn)、點(diǎn)云分類(lèi)及點(diǎn)云平滑等，點(diǎn)云去噪點(diǎn)是將點(diǎn)云中的偏離點(diǎn)進(jìn)行剔除，減小數(shù)字高程模型（DEM）制作過(guò)程中因噪點(diǎn)產(chǎn)生的影響。其次對(duì)點(diǎn)云中的地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)，完成點(diǎn)云分類(lèi)工作，點(diǎn)云分類(lèi)流程如圖7所示。分類(lèi)后的地面點(diǎn)云點(diǎn)按照成圖比例尺要求使用LiDAR360 UAV軟件地形處理工具下的基于點(diǎn)云獲取DEM模型及等高線，如圖8、圖9所示。

圖7 點(diǎn)云分類(lèi)流程圖

圖8 數(shù)字高程模型（DEM）

圖9 等高線

2.3 地形圖編繪

在AutoCAD 2016平臺(tái)上使用CASS10.1地形圖編繪功能，調(diào)用繪圖數(shù)據(jù)命令，將前期獲取的測(cè)區(qū)等高線數(shù)據(jù)加載到圖上，同時(shí)加載測(cè)區(qū)數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)并進(jìn)行地物平面矢量繪制。根據(jù)制圖規(guī)范，利用成圖系統(tǒng)將等高線圖與地物矢量圖拼接，對(duì)圖內(nèi)各要素及地物符號(hào)嚴(yán)格按圖式規(guī)定進(jìn)行編輯整理，生成完整符合測(cè)區(qū)要求的地形圖。

3 結(jié)束語(yǔ)

本次研究中使用的機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備航攝獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有高精度的三維空間數(shù)據(jù)信息，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用，為制作高精度DEM提供了一種新的技術(shù)手段，獲取了研究區(qū)大比例尺（1∶500）地形圖，成果滿(mǎn)足研究要求。極大程度提高工作效率，降低困難立地條件下測(cè)繪工作人員的安全隱患，為機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在大比例尺測(cè)繪工作中的應(yīng)用做技術(shù)支撐，同時(shí)為傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)與新技術(shù)新方法的結(jié)合創(chuàng)新等工作提供科學(xué)依據(jù)。