地理國情普查工作中車載移動測量系統更新DEM方法的探討

葉 瑋，雷邦俊，周 揚

（貴州省第二測繪院，貴州貴陽550004）

一、引 言

為全面掌握我國地理國情現狀，滿足經濟社會發展和生態文明建設的需要，2013年3月5日，《國務院關于第一次全國地理國情普查的通知》(國發〔2013〕9號)印發，決定于2013年至2015年開展第一次全國地理國情普查工作。隨后，全國地理國情普查第二批試點項目選定，筆者所在單位在生產實踐中，發現目前貴州省的DEM成果已不能滿足正射影像糾正精度的需求。本文針對這一問題提出了一種解決方案，即利用車載移動測量系統MMS采集物體三維坐標點云，并快速高效地獲取變化區域的數字高程模型，以解決地理國情普查工作中正射影像糾正精度的問題。

二、車載移動測量系統簡介

車載移動測量系統(mobile mapping system，MMS)是近年來新興的一項測量技術，其原理主要是利用發射和接收激光束來量測被測物體與系統之間的相對位置，即通過衛星定位設備獲取系統的地理坐標，利用汽車的運動和掃描鏡頭的旋轉覆蓋地物的表面，獲取地面物體的三維坐標點云，并以此獲取高分辨率的數字高程模型。激光雷達技術突破了傳統單點測量方法的限制，具有高效率、高精度、高密度、穿透性、主動性、數字化、自動化等特性。

三、地理國情普查中遇到的問題

目前貴州省1∶10 000基礎DEM成果數據是將貴州省第一代紙質地圖矢量化后獲得的。但隨著貴州省近年來經濟建設的快速發展，不僅新增了大量的工業園、住宅區、交通網線、水利設施，地形地貌也發生了巨大變化。因此以這樣的DEM數據作為基礎將會導致糾正后的影像存在較大偏差，尤其是新建道路及其附屬設施(橋梁、隧道、路堤、路塹、護坡等)。

此外，高速公路影像遇橋梁及山體開挖時變形很大，呈扭曲現象。與矢量數據對比統計，高速公路區域影像糾正后的平面中誤差已經超過10 m，部分地區甚至超過了20 m。因此，急需對DEM數據進行必要更新。

四、傳統的解決方案

通常對1∶10 000DEM數據的更新技術主要有航測成圖和外業實地補測兩種方式。

1)航測成圖適合大區域的更新測量。相對而言，貴州省影像數據獲取難度大，是全國公認的影像獲取難點區域。目前，貴州省內大部分地區的影像數據仍停留在20世紀80年代，少部分地區還停留在70年代，最新的數據也僅為2007—2009年左右。在這種數據條件下如果用航測的方式根本不能進行有效的DEM數據更新;而采用航飛的方式獲取最新的影像，一是周期長，二是經費高，且往往航空攝影的飛機在貴州等候可飛行的天氣就長達3～5個月的時間。

2)用全站儀或GPS進行外業實地補測，適合小區域更新測量。其工作量大、經費高，也無法進行成區域大面積的數據更新。

兩種方式對于時間緊、面積居中的區域來說，都有一定缺陷。因此，如何快速準確地更新項目區的DEM數據，是一項急需解決的重要問題。

五、車載移動測量系統更新DEM的方法

1.移動數據采集

移動測量車作業需要GPS基站提供差分處理數據，以提高點云數據精度。本次試驗架設的基站位于項目區。

移動測量車在試點區域共采集了約100 km的點云數據，采集的對象主要是高速公路路面、路堤、護坡等附屬物，以及城市和開發區的街道及建筑物。

2.點云數據處理

點云數據處理首先進行了濾波處理，以剔除采集過程產生的噪點。濾波處理所使用的軟件為硬件供應商提供的點云數據處理軟件。點云數據濾波處理后效果如圖1所示。

圖1 經過濾波處理的高速公路點云數據效果圖

3.DEM制作

獲取的點云數據中大量存在道路上的車輛，道路兩旁的樹木、行人等其他非地形點，因此采用合適的濾波方法快速檢測出有效的地面數據是能否快速更新DEM數據的關鍵。筆者在與移動測量系統提供商充分交流合作后，應用了移動窗口濾波法對地面激光數據進行快速過濾處理。其基本原理是建立一個與點云密度有關系的尺度的移動窗口，找到最低點，計算出地形模型。

（1）濾波格網建立

根據移動測量設備激光點云密度確定窗口取舍大小，若地面激光點云密度高，移動濾波窗口可選取小一些;若地面激光點云密度低，移動濾波窗口需要選擇大一些。本次試驗過程中選取的移動濾波窗口為1～2 m。

（2）濾波方法

確定窗口后可將窗口內的離散激光點云數據進行對比，根據實際地形選擇過濾最高點、平均點、最低點的方式進行濾波處理。本次試驗中大量的點云為高速公路周邊激光點云數據，因此在高速公路中采用最低點過濾方式;在開發區道路及城市道路中根據點云密度及道路周邊地表物復雜程度分別選取了最低點與平均值兩種方式進行多次濾波處理。

（3）DEM 生成

對濾波后的點云數據建立TIN不規則三角網，并內插為所需要的DEM數據。采用常用的GIS軟件制作DEM會出現無數據區域的TIN，因此需要單獨對DEM數據進行裁剪或利用TIN工具的功能避免無數據區的TIN生成。

4.影像糾正效果對比

使用更新后的DEM對衛星影像進行糾正試驗，并與原始DEM糾正的影像進行對比測試，如圖2、圖3所示。

圖2 DEM更新前糾正的影像三維、二維效果圖

圖3 DEM更新后糾正的影像三維、二維效果圖

DEM更新前后糾正的影像，在高速公路區域采集具有高速公路數據的1∶10 000 DEM數據同名點，并進行比較。由于控制點離項目區距離較遠，將近25 km，同時控制數據的精確WGS-84坐標沒有獲取到，因此平面位置精度較好，高程精度一般，但都能達到地理國情普查的需求。結果見表1。

表1 同名點精度比較

由圖3可以看出，利用更新后的DEM數據糾正影像，地形變化較大部分有了很大改善，能夠正確地反映出實際的道路、橋梁、護坡等建筑與地形，同時精度依然可靠有效，滿足了地理國情普查的成果數據要求。

六、結 論

根據以往的作業經驗，針對本試驗區域，對航測成圖、外業實測與車載移動測量系統采集3種DEM制作方法作一個理論上的簡單比較，見表2。

表2 不同DEM更新方法比較

從表2看出，利用車載移動測量系統采集相對于傳統的DEM制作方法有著無可比擬的高效性。

近年來貴州經濟建設快速發展，貴州省交通運輸廳提供的資料顯示，至2013年底，貴州全省高速公路里程將達到3281 km，而到2015年，高速公路里程將超過4500 km，基本實現“縣縣通高速”的目標。貴州山區高速公路建設基本按照開山架橋的方式進行，地形破壞嚴重，單靠軟件和傳統的測量手段進行DEM更新，在時間和精度上已經不能滿足需求;并且地形地貌變化較大的區域主要集中在人類經?；顒印⒔洕l達的區域，因此DEM的更新不但要快速，而且精度要可靠、地域要有針對性。

綜合來看，車載移動測量系統具有不受空中交通管理限制的優勢;在人類?；顒印⒔洕l達區域可進行無限制數據采集;受天氣限制因素小，在多云甚至小雨天氣都可進行數據采集。因此，利用車載移動測量系統對1∶10 000DEM數據進行更新具有速度快、效率高、針對性強的優勢。

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