基于LiDAR的3D產品制作方法及其精度評定

何 靜，何忠煥

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

LiDAR技術已成為大比例尺測繪產品生產環節中一項重要技術手段。它是采用主動遙感方式，集成GPS、慣性導航、激光測距等先進技術，通過發射激光脈沖，再由LiDAR系統上的接收單元收集地物的海量反射信號，從而實現三維地面信息的測繪與定位[1]。與傳統遙感技術相比，具有對控制測量依賴少、受天氣影響小、自動化程度高、成圖周期短等特點。

1 基于TerraSoLid的LiDAR數據處理

本次對LiDAR數據的處理在TerraSoLid軟件中進行，基于MicroStation平臺開發，該平臺提供了視圖操作、矢量編輯等功能[2]。TerraSoLid主要包 含 了Terrascan、Terramodel、Terraphoto等 模 塊。LiDAR點云的預處理、坐標轉換、點云分類主要使用的是Terrascan及Terramodel,正射影像制作主要利用Terrascan及Terraphoto進行。

1.1 DEM制作

1.1.1 點云預處理

點云數據預處理主要包含獲取的不同航帶點云數據的航帶間糾正、坐標系統轉換以及高程糾正。主要方式是通過人機交互檢查或者程序自動檢查并糾正的方式進行。

1）航帶糾正：由于受到飛機姿態、飛行高度等因素影響，不同航帶間的點云數據存在高程差異，如果高程較差超出成圖比例尺的數據生產允許范圍，則應進行航帶間點云數據糾正。

2）坐標系統轉換：點云獲取采用的坐標與GPS一致，為WGS84地心坐標。根據項目要求，應該將點云坐標向目標數學基礎進行轉換。此處的坐標轉換包括2個方面，一方面是基于框架的二維坐標轉換，另一方面是基于不同水準面的高程值擬合。在Terrascan的坐標變換模塊，用于坐標轉換的控制點位應均勻分布于測區的四周及測區的中部，坐標轉換控制點數量不少于4個。首先定義項目的目標投影，主要設置內容包括橢球的長半軸、扁率、七參數（即目標橢球相對于WGS的線元素偏移量、角元素偏移量以及縮放因子）、中央經線、東偏及長度縮放比例等。通過預設參數實現不同基準的數據轉換。基于不同水準面的高程值擬合一般有2種方法：一種是使用覆蓋測區若干高程控制點對應的同名點云建立轉換關系，從而實現不同高程基準的高程數據擬合；另一種是通過已知似大地水準面對應測區的高程異常，直接擬合獲取。本項目采用第一種方式實現不同水準面的高程值變換。

1.1.2 點云分類

完成預處理后的LiDAR數據通過檢查合格后開展點云分類，點云分類包括初分類和精分類2步[3]。初分類基于宏執行自動分類。采用面向對象分類的方法建立分類規則[4]。本項目提出點云高程值“自上而下”的分類方式，根據點云數據的高度、分布的形狀、密度、坡度等特征編寫宏規則，進行自動分類。

初始分類完成后進行手工精分類，準確分離地面點和非地面點。主要通過人機交互的方式，通過剖面顯示來進行分類。精分類前后地面模型對比如圖1所示。

圖1 點云精分類前后模型渲染示意圖

1.1.3 DEM制作

將精分類以后的地面點在Terramodel中構三角網生成數字高程模型，為了達到測區DEM無縫，用來生產數字高程模型的點云數據必須經過嚴格接邊處理。

1.2 DOM制作

在TerraSoLid的Terraphoto中正射影像制作包括以下幾步：

1）影像內定向。通過導入相機檢校文件包括相機主距、鏡頭畸變等參數，確定每張影像像主點的位置。

2）導入影像列表。該列表包含測區每張影像的攝影時刻和獲取的外方位元素。

3）相對定向。手工添加連接點在像對重疊處選取同名點，確定整個測區模型的各影像間的相對位置關系。

4）區域網平差。利用精分類抽稀后的地面點作為平高點[5]，將整個模型納入到地理坐標中，解算連接點的絕對坐標，利用解算的絕對坐標更新影像列表中的外方位元素[6,7]。再將新的外方位元素應用到工程中，通過平差計算調整連接點點位直至平差結果滿足同等比例尺生產精度要求。

5）正射糾正。消除了像片傾斜誤差和地形起伏的影像后，將中心投影改為正射投影，對影像進行正射糾正。

6）勻色、鑲嵌及裁切。對測區的像片按照模板進行勻光勻色，使得整個測區內影像色調、亮度等信息保持一致，并對完成勻色后的影像在Terraphoto中進行鑲嵌線編輯，避免自動鑲嵌后存在地物矛盾的現象。鑲嵌線編輯前后成果如圖2所示。

圖2 房屋鑲嵌線編輯前對比后示意圖

1.3 DLG采集

基于點云數據的DLG采集目前主要基于Microstation平臺或者CASS平臺，本項目基于CASS平臺完成DLG采集。主要生產步驟包括：

1）基于DEM成果的等高線生成及處理，利用DEM成果生成成圖比例尺要求的等高線，并將等高線進行節點抽稀和圓滑，既保證等高線精度要求也使等高線的表示看上去比較美觀。

2）將精分類后的地面點云按照規則格網進行抽稀，抽稀后的點云作為高程注記點。

3）對照DOM及點云數據進行地形要素采集，采集過程中DOM主要用于判斷要素的形狀和性質，而點云數據用于判斷點云的實際位置。在實際生產中可引進地面浮雕模型，輔助判斷溝渠、坎、坡等不能直觀從DOM或者海量點云數據中發現的要素。地面浮雕模型如圖3所示。

4）DLG制作完成，通過外業補測、調繪后即可進行成果整理入庫。

2 精度評定

以“某市1︰2 000信息化測圖”項目為例，采用外業散點法沿道路施測的平面檢查點和各高程檢查點檢核基于LiDAR數據生產DEM、DOM以及DLG的精度。

1）高程精度檢核：將外業實測點展于DEM上，對比實測點與DEM上同名點位高程值差值。外業實測949個實測高程檢查點，實測點類型、數量及檢核精度如表1所示。

表1 高程精度檢核表

本次檢核點共分為5個類別，其中野外實測高程點所占比例最高，為82.5%，且誤差分布服從正態分布。

1︰2 000測圖高程精度是平地小于0.4 m、丘陵地小于0.5 m、山地小于1.2 m及高山地小于1.5 m。本次所檢核的5類點高程中誤差無論地形如何，DEM精度都高于0.4 m，因此基于LiDAR數據生產的DEM產品精度較高，能夠滿足大比例尺測圖的精度要求。

2）將外業實測點與采集的DLG疊加，對比同名點點位的平面誤差。外業實測1 170個高程檢查點，實測點類型、數量及檢核精度如表2所示。

表2 平面精度檢核表

1︰2 000測圖平面精度要求平地、丘陵地位置中誤差應小于等于1 m，接邊限差小于等于2個像素。經檢核，基于LiDAR數據的DOM、DLG產品成果的高程誤差及平面誤差分布符合正態分布規律，且個別較大誤差值也在限差范圍內。因此，基于LiDAR數據生產的3D產品完全能夠滿足1︰2 000比例尺成圖的精度要求。

3 結 語

通過介紹基于LiDAR數據的DEM、DOM、DLG產品制作的技術流程和方法，提出生產中數據處理的關鍵技術或應注意的環節以供參考：

1）數據預處理時，及時對處理成果進行過程控制檢查，避免后期出現返工情況。

2）為了測區DEM實現完全無縫鑲嵌，除了針對分幅的精分類點云數據進行接邊外，還應對分幅范圍進行外擴后再導出地面模型。

3）DOM生產中，選取的連接點點位分布及數量對平差精度有較大影響，選取原則盡量滿足分布影像四角和中心。

4）DLG采集時，與地面存在高差的地物、地貌均應參考點云數據判斷其實際位置，如溝、斜坡、坎、高架橋梁等地物。

5）房屋采集是DLG采集的重點，應注意：①在建筑密集區，矮建筑受遮擋，DOM上可能完全看不到低矮建筑的輪廓或者只能看見部分輪廓，此時不能簡單地依據DOM進行繪制，應依據點云的形狀判斷實際房屋輪廓。②從DOM上如果能直接看見建筑墻基，可以墻基進行房屋糾正，但是應結合點云判斷基準邊。

6）等高線制作的數據源盡量使用DEM而不用精分類后的地面點點云，既可以保證地形的整體走勢，也減少了后期的編輯工作量。

[1]劉沛,李英成,薛艷麗,等.基于TerraSoLid與Inpho的LiDAR數據處理方法分析與研究[J].遙感應用，2010(1)：17-21

[2]李英成，文沃根，王偉.快速獲取地面點位數據的LiDAR技術系統[J].測繪科學，2002,27(4):35-38

[3]楚長春，麻風海.點位激光掃描儀點云數據在MicroStation下的處理研究[J].測繪與空間地理信息，2007(10)：114-116

[4]劉建國，張敬，高偉，等.LiDAR點云數據中建筑物的快速獲取[J].地球科學:中國地質大學學報，2006,31(5)：615-618

[5]王佩軍，徐亞明.攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2008

[6]鄧非.LiDAR數據與數字影像的配準和地物提取研究[D].武漢：武漢大學，2006

[7]畢凱，李英成，薛艷麗，等.ERDAS LPS與TerraSoLid軟件相結合快速制作低空數碼遙感正射影像圖的方法[J].遙感信息，2008(5)：55-58