結合無人機和地面三維激光掃描技術獲取高精度DEM及DOM

楊 鋒 繆志修 林春峰 閔世平

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

在獲取局部地形數據方面，無人機和地面三維激光掃描技術都具有明顯優勢。無人機能夠快速獲取較高平面精度的DOM數據，但其獲取得到的DEM高程精度較差[1]。而地面三維激光能夠有效的獲取高精度的DEM數據，但受視場角的限制，容易出現盲區和漏洞；且在制作地形的DOM方面應用少，相關方面研究主要是利用地面三維激光掃描技術來制作建筑物等立面的正射影像[2]。

1 地面三維激光掃描技術獲取高精度DEM

本次實驗采用VZ4000地面三維激光掃描儀進行掃描，實驗環境最遠測量距離為4 000 m，自然環境最遠測量距離為2 700 m左右。該設備有四種發射脈沖，分別為50 kHz，100 kHz，200 kHz，以及300 kHz。地面三維激光掃描數據獲取過程一般為：現場查看，掃描站點的確定，標靶布設，數據掃描，數據處理幾個步驟。

1.1 選站原則

為了利用地面三維激光掃描儀獲得地形數據，應該采用如下測站選址原則：

①確保在各掃描位置獲得的數據能夠覆蓋完整的掃描區域；

②在得到完整數據的前提下，應盡量選擇較少的掃描站數，以減少搬站次數；

③相鄰測站之間必須至少布設4個控制點靶標，并保證這些靶標能在相鄰兩站掃描中可視；

④確保掃描區域能夠掃描到所有控制點靶標。

1.2 標靶布設

為了能夠將地面三維激光掃描數據的坐標轉換到工程獨立坐標中去，需要對掃描的區域布設標靶，并用無棱鏡全站儀測出標靶的坐標。為了能夠保證轉換的精度，至少需要四個及以上的反射片標靶，標靶的布設要均勻的分布在測區周圍，且這些標靶不能在同一條線或是同一個面上。另外，標靶的布設不能夠太遠，太遠有可能導致掃描儀沒有掃到標靶，太近會影響后期拼接的精度。相關實驗表明，一般合適的距離在30 m左右[3]。

1.3 數據掃描

在數據采集階段，采樣間距的設置十分重要，因為采樣間隔太太，會影響后期的數據處理、數據存儲。另外如果采樣間隔太小，則會影響到掃描的精度。對于VZ4000三維激光掃描儀，每站的掃描時間一般控制在6 min左右較為合適。

1.4 數據處理

對不同站點的掃描數據，首先要進行預處理，預處理主要包括去除噪點等。VZ4000的掃描距離根據脈沖頻率的不同，其距離也不同，如脈沖頻率為30 kHz時，測量自然物體的目標距離可以達到2 700 m左右，但目標距離越遠獲取的精度就越低。首先需要對獲得數據進行濾波，方法可以采用VZ4000自帶軟件Riscan中的Range gate進行，如圖1所示。

對各站的數據初處理后，就可以根據標靶進行不同站點之間數據的拼接。數據拼接的方法有兩種，一種是相對拼接，另外一種是絕對拼接。為了能夠控制每站坐標轉換誤差的一致，本次實驗采用絕對拼接的方式進行，在RiScan軟件中就可以采用如圖2中的方法進行。

圖1 按距離去除點云

圖2 站點拼接

各個站點的數據拼接完畢后，就可以進行濾波分類處理。圖3為濾波后得到的DEM數據。

圖3 濾波后得到的局部DEM數據

1.5 地面三維激光掃描數據漏洞的填補

采用無人機的DEM對地面三維激光掃描數據盲區補充時，可以采用以下方法進行改進。將地面三維激光掃描數據作為控制點，然后在無人機制作得到的DEM上進行內插，通過計算內插的高程和地面三維激光掃描儀的高程差，得到一系列坐標點的高程差值，然后利用這個高程差值對地面三維激光掃描出現漏洞的區域的無人機DEM進行高程值的改正。

2 無人機獲取DOM技術

本次實驗采用YC-GY04型固定翼無人機，相機為Canon 5D MarkII。無人機航攝的主要步驟如下。

2.1 相控點布設與測量

本次實驗像控點為航飛前布設好的石灰標志點和油漆點，呈十字型，規格為0.4 m×1.0 m。像控點結合測區的地形進行布設，并采用四川省衛星定位連續運行基準服務平臺(SCGNSS)進行聯測，高程采用全省厘米級高精度似大地精化水準面(2.5′×2.5′)進行擬合。

2.2 航線的設計

在對無人機進行航線設計時，一般要求航向重疊度不能小于53%，旁向重疊度不能小于15%，一個航帶內的最大航高與最小航高之差不能大于30 m。

2.3 內業數據處理

無人機的內業處理主要包括影像預處理、匹配、空三加密、正射糾正等。圖4為采用無人機技術得到DOM數據。

圖4 處理后得到局部DOM數據

3 實驗結果及精度驗證

本次實驗地點為四川省某地，該地地形復雜，垂直高差較大。通過對測區RTK實測的點云，在構建的DEM上進行內插得到內插的高程Z，最后和實測的高程進行對比，統計得到的DEM高程中誤差為0.21 m，精度統計如表1所示。

表1 DEM高程精度統計 m

本次DOM平面精度的檢查采用外業檢查的方法，即量測測區內明顯地物點。本次實驗采用房屋屋檐與正射影像對應的地物點坐標進行對比，誤差控制在一個像素之內，而DOM影像分辨率大小為0.15 m。

4 結束語

地面三維激光掃描技術在獲取局部高精度地形方面，具有效率高，成本低等特點，但是在獲取DOM數據方面，局限性非常大。而無人機航攝技術在獲取DOM上優勢明顯，但其DEM精度不高。結合這兩種技術的各自優勢，實現局部地形高精度DEM和DOM數據采集的需求。通過對四川某山區的實地的測量實驗，采用該方法能夠很好的獲取高精度DEM和DOM數據，特別是對高差較大的山區，更具有推廣應用價值。

[1] 張麗麗，王小平，張 瑛.基于無人機影像生產高精DEM的實踐[J].測繪技術裝備，2009，11(1):33-34

[2] 付紅云，王晏民，胡春梅.一種新的基于地面激光雷達數據正射影像圖制作方法[J].北京建筑工程學院學報，2011，27(4):16-21

[3] 張宏，胡明.三維激光掃描儀在地形測量中的應用[J].企業技術開發，2007，26(8):16-19

[4] 王峰，陳煥然，程效軍.基于地面激光掃描儀的建筑數字化方法[J].地理空間信息，2011，9(3):39-42

[5] 吳磊，金偉娜，燕樟林.無人機攝影測量在公路選線上的應用研究[J].大壩與安全，2012(2):35-42

[6] 施貴剛.地面三維激光掃描數據處理技術及作業方法的研究[D].上海：同濟大學，2009

[7] 金為銑，楊先宏，邵鴻潮，等.攝影測量學[M].武漢:武漢大學出版社，1996

[8] 晏磊，呂書強，等.無人機航空遙感系統關鍵技術研究[J].武漢大學學報(工學版)，2004，37(6)：67-70

[9] 史占軍，于志忠，郭志強.無人機攝影測量在1∶2 000地形圖的應用[J].吉林地質，2011，30(3) 133-136

[10] 金為銑，楊先宏，邵鴻潮，等.攝影測量學[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社，2001

[11] 邱曉紅，景華.無人機系統技術發展趨勢[J].航空科學技術，2000(1):28-30