何偉松

［梧州市自然資源信息中心（梧州市自然資源勘測規(guī)劃院），廣西 梧州 543000］

0 引言

在我國城市規(guī)劃、交通工程建設(shè)以及自然資源管理等領(lǐng)域中，地形測量是幫助相關(guān)人員了解地表地貌及相關(guān)特征等信息的主要方式。在我國地理信息技術(shù)發(fā)展速度不斷發(fā)展的今天，數(shù)字化地形圖逐步發(fā)展為地形測量的重要技術(shù)。在數(shù)字化地形圖制圖中，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理是最關(guān)鍵的兩個環(huán)節(jié)。將機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用到相關(guān)質(zhì)量控制當(dāng)中，具有十分重要的意義。

1 機(jī)載激光雷達(dá)與數(shù)字化地形圖測量相關(guān)概述

1.1 數(shù)字化地形圖測量工作的開展要點(diǎn)

1.1.1 數(shù)字化地形圖測量的工作基本要求

在數(shù)字化地形圖測量工作開展過程中，需要嚴(yán)格按照《地形圖編制規(guī)范》《數(shù)字地圖規(guī)范》等中的相關(guān)要求，對圖形繪制要求進(jìn)行控制[1]。為了保證地形圖的繪制質(zhì)量要求，需要對地形圖精度、地圖符號與標(biāo)注的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)的可視化效果等指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)控制。

1.1.2 數(shù)字化地形圖的制圖內(nèi)容

數(shù)字化地形圖的制圖，需要對地物分類與符號表示、地形要素與圖形繪制規(guī)則等方面予以嚴(yán)格的控制。首先，針對地物分類與符號表示，涉及的內(nèi)容非常多，如地形地貌、地名、交通、管線、建筑、植被等。其次，地形要素與圖形繪制規(guī)則，主要涉及高程線和繪制規(guī)則與表示方式、坡度的繪制規(guī)則與表示方式等方面[2]。最后，為了保證數(shù)據(jù)傳達(dá)與使用的有效性，還需要對地圖的可讀性以及地圖內(nèi)容是否能夠容易被人理解予以重點(diǎn)考慮。

1.1.3 數(shù)字化地形圖的制圖流程與技術(shù)手段

數(shù)字化地形圖的制圖，主要包含以下3 個環(huán)節(jié)。首先，是數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，涉及數(shù)據(jù)的去噪、配準(zhǔn)和過濾。其次，是地物分類與符號設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要在準(zhǔn)確把握各類地物特征的基礎(chǔ)上，完成分類與符號化處理工作。最后，是地形要素與圖形繪制環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)，需要嚴(yán)格按照相關(guān)制圖標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對地形要素進(jìn)行繪制，并完成地圖設(shè)計(jì)工作。與此同時(shí)，還要加強(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，并對地圖繪制效果進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

1.2 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

1.2.1 精度高

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，可以對三維地形數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的獲取，且保證數(shù)據(jù)的精度[3]。也正因?yàn)槿绱?，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探以及水利工程設(shè)計(jì)等地形數(shù)據(jù)精度要求較高的領(lǐng)域中，有著極為廣泛的應(yīng)用。

1.2.2 效率高

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，可以在一個相對較短的時(shí)間段內(nèi)，完成大范圍地形數(shù)據(jù)的獲取與測量，進(jìn)而減少數(shù)字化地形圖的測量時(shí)間，提高數(shù)字化地形圖的測量效率。

1.2.3 細(xì)節(jié)可視

上文提到，激光雷達(dá)技術(shù)不僅可以對精度要求非常高的三維地形數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的獲取，還可以利用三維圖形方式，將測量結(jié)果展示出來，為工作人員更好的進(jìn)行地形分析、地形評估等工作打好基礎(chǔ)。

1.2.4 結(jié)果可靠

機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用，不容易受到天氣、地形等因素的干擾。即便是處于地形相對復(fù)雜、天氣條件欠佳的環(huán)境中，機(jī)載激光雷達(dá)同樣可以對各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并保證數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。

2 機(jī)載激光雷達(dá)在數(shù)字化地形圖測量中的應(yīng)用原理與組成

2.1 機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用基本原理

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，可以通過激光掃描的方式，對地表地貌形態(tài)信息進(jìn)行獲取。即激光發(fā)射器向地表發(fā)射激光束，激光束在照射到地形表面之后，就會被反射回來[4]。對激光束從發(fā)射到返回的時(shí)間進(jìn)行測量，就可以將地形的高度計(jì)算出來。另外，將機(jī)載激光雷達(dá)與全球定位系統(tǒng)、慣性測量單元技術(shù)等結(jié)合在一起，還可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位與姿態(tài)測量，使地形測量精度得到有效的控制。

2.2 機(jī)載激光雷達(dá)的組成部分

2.2.1 激光

在機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用過程中，主要使用非科學(xué)用途的激光。當(dāng)這種激光處于600～1000nm 時(shí)，激光功率最高[5]。

2.2.2 閃光激光雷達(dá)

閃光激光雷達(dá)，又叫做Flash 激光雷達(dá)。在Flash 激光雷達(dá)焦平面上，像素成行列分布。要想確保雷達(dá)能夠顧滿足三維場景的創(chuàng)建需求，需要對像素深度與像素強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。而雷達(dá)中的每一個像素，都能夠?qū)す饷}沖從發(fā)出到返回的時(shí)間間隔進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄，所以地表物體的位置、深度以及反射強(qiáng)度等也能夠得到準(zhǔn)確的判斷。

2.2.3 相控陣

在應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)的過程中，相控陣的主要作用，是根據(jù)相關(guān)需求，利用天線照亮相關(guān)區(qū)域。對相控陣的相位進(jìn)行合理的預(yù)設(shè)之后，就可以在一定的時(shí)間內(nèi)，在預(yù)設(shè)方向上，對相關(guān)信號進(jìn)行集聚。

2.2.4 微機(jī)電設(shè)備

所謂微機(jī)電設(shè)備，其實(shí)就是MEMS 系統(tǒng)。這一系統(tǒng)并不是完全固態(tài)系統(tǒng)。利用這一系統(tǒng)將激光反射到反射鏡后，就可以利用反射鏡通過自動調(diào)整方向的方式，將目標(biāo)場照亮。

2.2.5 掃描儀與光學(xué)元件

掃描儀與光學(xué)元件的主要作用體現(xiàn)在兩方面。一方面，是發(fā)射激光；另一方面，是對反射激光進(jìn)行接收。機(jī)載激光雷達(dá)掃描裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)掃描裝置示意圖

2.2.6 定位與導(dǎo)航系統(tǒng)

將定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器安裝到衛(wèi)星、飛機(jī)等移動平臺端，就可以對平臺當(dāng)前所處的位置以及移動方向進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。需要注意的是，在應(yīng)用定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的過程中，需要對IMU 單元接受全球定位系統(tǒng)提供的反饋信號進(jìn)行研究與參考。

2.2.7 傳感器

在機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用過程中，需要將有源傳感器安裝到設(shè)備當(dāng)中，并參照撞擊反饋的數(shù)據(jù)和信號，完成相關(guān)測量任務(wù)和數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)的過程中，最重要的就是數(shù)據(jù)處理結(jié)果精度與效果的判斷。尤其是一些對激光影響比較大的區(qū)域，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果可能會與實(shí)際情況出現(xiàn)較大偏差，為了提高數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，在應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)的時(shí)候，需要輔助以人工檢查處理方式，借此排出某些因素的干擾與影響。

在利用機(jī)載設(shè)備，對各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取的時(shí)候，有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳出延遲、數(shù)據(jù)丟失等問題。要想避免此類問題的出現(xiàn)，在完成數(shù)據(jù)獲取之后，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的檢查和判斷，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象比較嚴(yán)重，則在要第一時(shí)間進(jìn)行重新收集。

另外，在利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)，完成各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，還需要對預(yù)處理結(jié)果進(jìn)行檢查，排除預(yù)處理過程中數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題的出現(xiàn)。如果發(fā)現(xiàn)此類問題，則需要借助人工技術(shù)進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充。

在完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理之后，可以安排專門的工作人員對后續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行妥善的處理和編輯。在這一過程中，數(shù)據(jù)處理人員不僅要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的具體分布有一個全面而充分的了解，還要通過人機(jī)交互的方式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、完整的編輯與處理，確保數(shù)據(jù)的正確性與準(zhǔn)確性，能夠滿足相關(guān)工作開展需求。

2.3.2 DLG 地形質(zhì)量控制

經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后的地圖，已經(jīng)具備了一定的精度，甚至可以滿足接下來的精度加工與二次處理工作開展需求。需要注意的是，當(dāng)?shù)貓D經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后，為了防止出現(xiàn)高程表達(dá)不規(guī)范等問題，還需要借助DLG 技術(shù)進(jìn)行深度處理。所謂DLG 技術(shù)，其實(shí)就是地形質(zhì)量控制技術(shù)[6]。利用這一技術(shù)，可以對一定精度的地圖進(jìn)行妥善的處理，使地圖中的山頂、凹地等地形特點(diǎn)充分體現(xiàn)出來，提升地圖繪制的完美性與標(biāo)準(zhǔn)性。

3 機(jī)載激光雷達(dá)在數(shù)字化地形圖測量中的應(yīng)用場景

3.1 在城市地形測量中的應(yīng)用

城市地形異常復(fù)雜，且存在的建筑物非常密集。單純使用傳統(tǒng)的測量手段，最終繪制的地圖精度偏低，無法滿足相關(guān)需求。而機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用，不僅可以在短時(shí)間內(nèi)，對城市地形數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，還可以保證地形數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，從數(shù)據(jù)層面為城市規(guī)劃、土地資源管理以及防災(zāi)減災(zāi)等工作的開展提供支持[7]。

3.2 在林業(yè)資源調(diào)查中的應(yīng)用

機(jī)載激光雷達(dá)在林業(yè)資源調(diào)查中的應(yīng)用優(yōu)勢也非常突出，不僅可以對森林面積、樹木高度、樹冠覆蓋率以及樹木分布等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速準(zhǔn)確的獲取，還可以從數(shù)據(jù)層面提高林業(yè)資源管理質(zhì)量，為生態(tài)環(huán)境的保護(hù)打好基礎(chǔ)。

3.3 在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用

在數(shù)字城市的建設(shè)中，需要使用到大量高精度的地形數(shù)據(jù)。而機(jī)載激光雷達(dá)則能夠?qū)Τ鞘械匦螖?shù)據(jù)進(jìn)行快速的獲取，滿足數(shù)字城市建設(shè)中對于高精度地形數(shù)據(jù)的使用需求。

4 機(jī)載激光雷達(dá)在數(shù)字化地形圖測量中的應(yīng)用要點(diǎn)

4.1 數(shù)據(jù)采集方法

在數(shù)字化地形圖測量中，機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用，需要對各類數(shù)據(jù)的采集予以高度的重視。首先，在正式開始數(shù)據(jù)采集之前，需要做好充分的準(zhǔn)備工作。即不僅要對數(shù)據(jù)采集區(qū)域進(jìn)行有效的確定，對飛行軌跡進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，對飛行計(jì)劃進(jìn)行科學(xué)的制定，還要對數(shù)據(jù)采集過程中使用到的設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和測試，確保能夠獲得準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)[8]。其次，在數(shù)據(jù)采集過程中，需要對激光雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集速度與采集角度的控制，加強(qiáng)地物特征的識別與分類。如果發(fā)現(xiàn)植被遮擋現(xiàn)象，還要采取針對性的處理措施。為了提升數(shù)據(jù)的采集效果，還需要根據(jù)地面情況對數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。

4.2 數(shù)據(jù)處理方法

在數(shù)字化地形圖測量中，利用機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，涉及的步驟也比較多。首先，是數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)，主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、分割以及分類等處理。其次，是數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與匹配環(huán)節(jié)，這是數(shù)據(jù)處理中的核心環(huán)節(jié)，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地形模型匹配在一起，并進(jìn)行配準(zhǔn)處理。同時(shí)，利用特定的算法和模型，提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與匹配度[9]。最后，是數(shù)據(jù)過濾與糾正環(huán)節(jié)，需要對數(shù)據(jù)中的噪聲、異常值等進(jìn)行有效的去除，對數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正和校正。這也是數(shù)據(jù)處理中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，對于數(shù)據(jù)的質(zhì)量有著直接的影響。只有保證數(shù)據(jù)矯正與校正的質(zhì)量，才能夠?qū)?shù)字化地形圖數(shù)據(jù)的精確度進(jìn)行有效的控制。

4.3 應(yīng)用注意事項(xiàng)

在數(shù)字化地形圖測量中，機(jī)載激光雷達(dá)在城市規(guī)劃、林業(yè)資源調(diào)查、數(shù)字城市建設(shè)等領(lǐng)域中有著極為廣泛的應(yīng)用。與其他測量技術(shù)相比，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以對地形進(jìn)行高精度測量和三維建模，還可以為數(shù)字化地形圖的高質(zhì)量繪制提供支持。

另外，在數(shù)字化地形圖制圖過程中，機(jī)載激光雷達(dá)的適用性非常高，可以滿足城市中心區(qū)域、山地地形、水域區(qū)域等多種地形條件下的地形圖繪制需求，通過大量高精度地形圖數(shù)據(jù)的獲取，提升數(shù)字化地形圖制圖的準(zhǔn)確性與全面性。

為了將機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，工作人員還可以輔助以其他先進(jìn)技術(shù)。例如，在采集各類數(shù)據(jù)的過程中，可以輔助以多光束激光雷達(dá)技術(shù)；在對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中，為了提高數(shù)據(jù)的精確度和準(zhǔn)確度，還可以加強(qiáng)多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用[10]。另外，工作人員還需要對地面實(shí)際情況進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際情況對數(shù)字化地形圖測量方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以保證數(shù)字化地形圖測量的準(zhǔn)確性與有效性。

5 結(jié)語

綜上所述，機(jī)載激光雷達(dá)在數(shù)字化地形圖測量中具有廣泛的應(yīng)用前景和優(yōu)勢。與傳統(tǒng)測量手段相比，機(jī)載激光雷達(dá)具有快速、準(zhǔn)確、高精度的優(yōu)點(diǎn)，可以為城市規(guī)劃、土地資源管理、林業(yè)資源調(diào)查和數(shù)字城市建設(shè)等領(lǐng)域提供重要的數(shù)據(jù)支持。隨著科技的不斷發(fā)展和機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的不斷完善，相信機(jī)載激光雷達(dá)在數(shù)字化地形圖測量中的應(yīng)用將會越來越廣泛。