機載LiDAR技術及航測遙感影像在機場凈空保護區障礙物調查中的應用

楊留方，沈名威，宗慶

(常州市測繪院，江蘇常州 213003)

1 引言

機場凈空保護區障礙物調查是機場改擴建項目的重要組成部分。由于調查范圍廣、工期時間緊，外業巡查需投入大量的人力、物力和財力，而且傳統的外業巡查方式容易遺漏超高建筑物，使得調查工作功虧一簣。因此，筆者嘗試利用LiDAR技術解決上述問題，最終使得調查工作如期高質量地完成。

機載激光雷達，即LiDAR技術，在國外經歷了幾十年的研究和應用，在我國其技術也日趨成熟。機載LiDAR技術廣泛應用于基礎測繪、道路工程、電力電網、水利、石油管線、海岸線及海島礁、數字城市等領域，提供了高精度、大比例尺(1∶500至1∶10 000)的空間數據。本文通過機載激光雷達技術與航測遙感影像、DEM相結合的方法對調查建筑物進行前期的篩選，提高了障礙物普查的工作效率，同時也大大降低了外業工作者的勞動強度。

2 作業范圍

依據設計方提供的設計圖，此次需要調查的范圍是以機場中心為圓心，半徑為 50 km，面積為7 854 km2。該區域涉及常州、泰州、丹陽、金壇等多個縣市。

圖1 機場凈空障礙物限制示意圖

3 技術方案及作業流程

3.1 技術方案

激光雷達數據雖然對描述地物三維空間結構的優勢明顯，但對于精確描述地物邊界還存在誤差。尤其是不規則房屋邊緣存在高度相似植被的情況下，容易造成錯分和誤判，需要借助高分辨率的影像進行輔助判讀。所以我們試圖將LiDAR數據與影像數據加以融合，精確確定地物的邊界和高程。

①利用目前國內最新的LiDAR技術獲得的Li-DAR數據，建立數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。

②根據機場凈空保護區要求制作參考面(圖8)。

③對比兩個模型后篩選出超高建筑物。

④結合影像判讀后再進行外業有重點的核查和現場測量。

3.2 作業流程

(1)收集相關的基礎資料，主要是影像數據和DEM數據。

地形圖基礎數據:包括 1∶500，1∶1 000，1∶5 000等地形圖，在地形圖上，可提取豐富的相關信息，如地面高程點，高壓鐵塔、水塔、煙囪等位置信息，以及建筑的樓層等信息。

圖2 地形圖資料

航測遙感資料:采用最新航拍圖(1∶2 000)以及2011年最新遙感影像圖(1∶25 000)作為野外巡視的底圖資料(常州市測繪院沒有周邊縣市的最新航拍圖，所以需用到最新遙感影像圖作為補充)。由于內容新，范圍全，作為外業踏勘考察底圖，極大地提高了工作效率。在野外主要是沿著國道、省道、城市道路、鄉鎮道路、村莊外圍的大車路進行詳細的巡視。

圖3 Allos遙感影像

圖4 航攝影像

(2)內業首先在甲方的設計圖紙上，按照相應的要求在DEM數據上進行統一的篩選，選出需要到野外進行實地調查的障礙物。此次采用的機載LiDAR系統，是集激光、全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)三種技術于一身的空間測量系統，其在高程或者高度的獲取上有獨特的優勢，在對地表進行了全區域的掃描的基礎上，獲取大范圍的地表的高程信息。此次所采用LiDAR數據的精度:飛行高度3 000 m;平面精度50 cm;高程精度35 cm。

圖5 LiDAR掃描電線桿

圖6 LiDAR掃描地面建筑

在室內，采用航測手段以及激光LiDAR點的處理，激光LiDAR點數據根據不同地物類型可分為地面點、低植被點、高植被點、高空點、建筑物點等多種，雖然它們具有不同的高度特性，但都在同一圖層中。在操作過程中需要根據特性將其進行分類，根據要求進行提取。在本次項目中，采用高度限制以及地物分類，分別提取項目所需要的超高點位以及地表超高的范圍。

①地表地物的篩選過程如下:

以激光點位為主要工作資料，以地形圖為輔助工作資料，進行數據的初步篩選，篩選出超出限度的高程點，并初步認定其性質。

圖7 超高地物初步篩選

圖8 參考面制作

圖9 初步篩選成果

②地表高程篩選流程如下:

通過激光LiDAR點位進行復雜的分類，將地表地物進行剔除，從而獲取地表的高程，建立大范圍的地表高程面。

整體內業的具體操作步驟如下所述:

a.獲取LiDAR信息，將高度高于30 m的激光點進行提取(減少總體運算量);

b.將提取的激光數據轉換為通用的ArcGIS數據;

c.獲取高程限制標準，繪制為ArcGIS能夠識別的格式，并采用TIN的形式進行表達，直觀且能夠方便后期的運算;

d.將轉換為shp格式的激光點與標準的TIN進行空間運算，將高程高于標準TIN的進行提取;

e.將超高的數據轉換為dwg格式并疊加影像底圖，作為野外調查的基礎資料。

圖10 數字高程模型提取

(3)野外調查核實根據從內業DEM上選出的特征點到野外進行準確量測。

4 結論

機載LiDAR技術的發展為獲取高時空分辨率的地球空間信息提供了全新的技術手段，使人們從傳統的單點數據獲取變為連續自動獲取，提高了觀測的精度和速度。本次利用機載LiDAR技術及航測遙感影像在項目前期發揮了舉足輕重的作用，使得外業調查和測量工作更加有針對性，從而大大加快了項目的進度，也大大降低了外業人員的作業強度。同時，機載LiDAR技術受到時間的局限性，對一些新建的超高建筑物產生遺漏現象，所以在外業巡查過程中應小心此類建筑物的遺漏。隨著機載LiDAR技術的不斷發展，它將在此類工程項目中發揮越來越重要的作用。

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