地面三維激光掃描和網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在構(gòu)建海島DEM中的應(yīng)用研究

雷利元,尤廣然,趙東洋,段爾洪,張?jiān)?席小慧,畢遠(yuǎn)溥

(1.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院,大連 116023;2.中國(guó)海監(jiān)金州新區(qū)大隊(duì),大連 116100)

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地面三維激光掃描和網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在構(gòu)建海島DEM中的應(yīng)用研究

雷利元1,尤廣然1,趙東洋1,段爾洪2,張?jiān)?,席小慧1,畢遠(yuǎn)溥1

(1.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院,大連 116023;2.中國(guó)海監(jiān)金州新區(qū)大隊(duì),大連 116100)

摘要：地面三維激光掃描技術(shù)通過非接觸式主動(dòng)測(cè)量,可大面積、自動(dòng)連續(xù)的采集目標(biāo)物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),快速構(gòu)建目標(biāo)物的可視化模型，因具有自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、測(cè)量精度高和約束條件少等特點(diǎn),在海島DEM的構(gòu)建中有著傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)．本文詳細(xì)介紹了地面三維激光掃描系統(tǒng)獲取海島地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法,同時(shí)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了探討,并在網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的支持下,以海島布鴿坨為研究區(qū)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。結(jié)果表明該方法能夠快速有效便捷地獲取構(gòu)建海島DEM所需相關(guān)數(shù)據(jù),其測(cè)量結(jié)果和精度滿足有關(guān)測(cè)量規(guī)范的要求,能夠用于相應(yīng)比例尺海島DEM的建立,并具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：DEM;三維激光掃描技術(shù);網(wǎng)絡(luò)RTK;海島測(cè)量;點(diǎn)云數(shù)據(jù)

0引言

海島作為拓展經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間的重要依托,特別是全國(guó)首批開發(fā)利用無居民海島名錄公布后,島上經(jīng)濟(jì)建設(shè)開發(fā)活動(dòng)日益增多,為加強(qiáng)對(duì)無居民海島的管理,國(guó)家出臺(tái)了一系列文件,對(duì)有關(guān)的測(cè)量工作提出了具體要求,構(gòu)建海島數(shù)字高程模型(DEM)就是海島測(cè)量中的一個(gè)必要環(huán)節(jié)[1]。

海島數(shù)字高程模型通過一組有序數(shù)值陣列形式表示海島地形地貌的空間分布,是海島地形地貌空間分析的核心數(shù)據(jù)系統(tǒng),能為海島的保護(hù)規(guī)劃、開發(fā)利用與管理提供客觀、準(zhǔn)確與規(guī)范的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。就海島DEM的構(gòu)建方式而言,傳統(tǒng)方法是在野外用常規(guī)的測(cè)量?jī)x器如全站儀、GPS獲得離散點(diǎn)數(shù)據(jù)后利用專業(yè)軟件生成DEM,對(duì)于構(gòu)建大范圍的區(qū)域性DEM,往往利用航空或航天影像,采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量獲取地面高程來實(shí)現(xiàn),但因海島分布不均、面積大小不一,且遠(yuǎn)離陸地,多為地理盲區(qū),缺少現(xiàn)成的地形數(shù)據(jù),為獲取高精度地形數(shù)據(jù),地面常規(guī)的測(cè)量方法需要建立陸海統(tǒng)一的大地測(cè)量空間基準(zhǔn),與陸地進(jìn)行聯(lián)測(cè),再加上海島特殊的地形地貌和惡劣的自然環(huán)境,還存在測(cè)量人員不易到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域。雖然攝影測(cè)量可以解決海島無法測(cè)及的問題,但常需在測(cè)圖區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量控制點(diǎn),除此之外還受天氣的影響,其作業(yè)過程比較復(fù)雜、缺乏靈活性[2-4]。

地面三維激光掃描技術(shù)作為采集空間數(shù)據(jù)的新手段,將三維空間技術(shù)和現(xiàn)代經(jīng)典測(cè)量技術(shù)進(jìn)行融合,可對(duì)任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和空間進(jìn)行掃描操作,能將現(xiàn)實(shí)世界各種實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的采集,快速創(chuàng)建出目標(biāo)的三維模型。在建筑物建模、變形監(jiān)測(cè)、土石方量算、地籍測(cè)繪等領(lǐng)域得以成功應(yīng)用[5-8],但在海島測(cè)量中,尤其是在海島DEM的構(gòu)建應(yīng)用中目前還鮮有報(bào)道,基于此,本文提出以地面三維激光掃描系統(tǒng)獲取海島地形的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依據(jù),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和絕對(duì)定位,通過RISCANPRO軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、去除噪聲、抽稀壓縮及空洞修補(bǔ)等數(shù)據(jù)處理,為建立海島DEM嘗試一種新的手段、途徑,并以海島布鴿坨為研究區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。

資助項(xiàng)目： 遼寧省海島地名普查

聯(lián)系人： 雷利元 E-mail: leiliyuan0320@163.com

1研究區(qū)和儀器

1.1研究區(qū)域

布鴿坨位于渤海大連長(zhǎng)興島臨港工業(yè)區(qū)海域,北緯39°23.6′,東經(jīng)121°19.4′,周邊有鳳鳴島、貓礁、鷹頭坨子等海島,距大陸最近距離13.56 km,距鳳鳴島最近距離1.21 km.海島岸線長(zhǎng)度232 m,陸域面積2 952 m2,最高點(diǎn)高程19.0 m。基巖島,主要由花崗巖構(gòu)成,地表土壤層稀薄,生長(zhǎng)有喬木、灌木及草本植物,島上有磚砌的養(yǎng)殖用海看護(hù)小房,曾進(jìn)行過旅游開發(fā)建設(shè),遺留有旅游景觀設(shè)施,周邊海域?yàn)閲ｐB(yǎng)殖區(qū)和底播增養(yǎng)殖區(qū)[9]。

1.2試驗(yàn)儀器

地形數(shù)據(jù)獲取儀器為奧地利RIEGL公司生產(chǎn)的VZ-1000地面三維激光掃描儀,激光發(fā)射頻率300 000點(diǎn)/s,最小角分辨率 1.8″,測(cè)量距離1 400 m(90%反射率),掃描視場(chǎng)角范圍360°(水平)×100°(垂直)[10]。數(shù)據(jù)處理軟件采用三維激光掃描系統(tǒng)自帶的RISCAN PROv1.8.1.標(biāo)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)采集儀器為廣州南方測(cè)繪儀器有限公司的S86T RTK雙頻接收機(jī),動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)平面精度標(biāo)稱為1 cm+1 ppm、高程精度標(biāo)稱為2 cm+1 ppm,并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)接入大連市全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(DLCORS)。

2研究方法

2.1工作流程

DEM的構(gòu)建流程如圖1所示,主要包括在研究區(qū)設(shè)置測(cè)站點(diǎn)和標(biāo)靶點(diǎn),進(jìn)行控制測(cè)量和地形掃描等外業(yè)數(shù)據(jù)采集,及對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接匹配、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、去除噪聲、抽稀壓縮和空洞修補(bǔ)等內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和DEM構(gòu)建等步驟。

2.2數(shù)據(jù)采集

根據(jù)儀器測(cè)程和研究區(qū)地形條件,共架設(shè)了4個(gè)測(cè)站點(diǎn)，測(cè)站點(diǎn)布設(shè)位置如圖2所示,其周邊無高大樹木、無高大建筑物,通視效果好,每個(gè)測(cè)站點(diǎn)均布設(shè)了4個(gè)標(biāo)靶點(diǎn),標(biāo)靶點(diǎn)與掃描儀的距離控制在30～50 m之間[11],且每個(gè)測(cè)站的標(biāo)靶點(diǎn)均不在同一直線上。采用移動(dòng)基站式網(wǎng)絡(luò)RTK采集標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),且測(cè)量當(dāng)天通信信號(hào)良好,充分保證了網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的順利接收,同時(shí)運(yùn)用三維激光掃描儀的Panoranma_20掃描模式對(duì)地形進(jìn)行掃描,在掃描測(cè)量過程中,盡量避免了人、車的來往和減少船舶、風(fēng)浪等外界環(huán)境的干擾。

圖1　DEM構(gòu)建流程圖

圖2　測(cè)站點(diǎn)布設(shè)位置圖

2.3數(shù)據(jù)處理

將4個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中,通過16個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,根據(jù)軟件提供的多站平差功能模塊(MSA)對(duì)所有測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了平差,保證了測(cè)站之間的拼接精度。為不影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量與模型精度,通過軟件的自動(dòng)過濾,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片,對(duì)研究區(qū)的灌木、喬木、雜草和建筑物等干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行了去除噪聲處理，同時(shí)為避免龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)給后續(xù)處理及存儲(chǔ)、顯示等方面帶來的不便,在保證一定精度的前提下,原始的764 914個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)抽稀和壓縮后為3 646個(gè)。受研究區(qū)地形自身起伏不平和掃描儀掃描視場(chǎng)角的限制,生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在一定的空洞,采用點(diǎn)云內(nèi)插法對(duì)其進(jìn)行了修補(bǔ)。

2.4模型構(gòu)建

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接配準(zhǔn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、去除噪聲、抽稀壓縮和空洞修補(bǔ)等處理后,采用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)建DEM.

3測(cè)量結(jié)果和精度評(píng)定

研究區(qū)布鴿坨現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果如表1所示,最終生成的DEM如圖3所示。

表1　地面三維激光掃描儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)

圖3　布鴿坨DEM圖

表2　外業(yè)實(shí)測(cè)檢測(cè)點(diǎn)與DEM上同名點(diǎn)的高程對(duì)比

4結(jié)束語

利用地面三維激光掃描技術(shù)具有采集數(shù)據(jù)速度快、密度大、精度高和測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)無需架設(shè)基站、操作簡(jiǎn)便、精度高和作用距離遠(yuǎn)的特點(diǎn),為海島DEM的構(gòu)建提出一種全新高效的技術(shù)手段,充分彰顯了這兩種新興測(cè)量技術(shù)的結(jié)合在建立海島DEM方面的顯著優(yōu)勢(shì),但在實(shí)際使用過程中也存在相對(duì)不足。

1) 以海島布鴿坨為試驗(yàn)對(duì)象,通過檢測(cè)點(diǎn)與DEM上同名點(diǎn)的高程對(duì)比分析、計(jì)算,可知高程中誤差M=±19 mm,其精度優(yōu)于相關(guān)測(cè)量規(guī)范的要求,而且地面三維激光掃描技術(shù)獲取的海島地形數(shù)據(jù)密度大,采樣均勻,點(diǎn)間距可達(dá)毫米級(jí),比常規(guī)方法更能客觀、嚴(yán)密、真實(shí)的描述海島的地形地貌。

2) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況和具體測(cè)量結(jié)果可知,3人僅在研究區(qū)及周邊運(yùn)用三維激光掃描儀架設(shè)4個(gè)測(cè)站,1.3 h獲得764 914個(gè)采樣點(diǎn),其優(yōu)勢(shì)是全站儀等傳統(tǒng)的測(cè)量方法無法比擬的，可以說三維激光掃描技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的結(jié)合,不僅簡(jiǎn)化了海島地面常規(guī)人工測(cè)量中需要布設(shè)控制點(diǎn)、與陸地進(jìn)行聯(lián)測(cè)等作業(yè)程序,解決了島上危險(xiǎn)區(qū)域的測(cè)量難題,同時(shí)提高了工作效率,節(jié)約了生產(chǎn)成本,減輕了工作強(qiáng)度和降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),充分保障了外業(yè)測(cè)量工作中的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

3) 地面三維激光掃描技術(shù)在構(gòu)建海島DEM中顯示出了一定的優(yōu)越性、展示出其應(yīng)用前景,但三維激光掃描技術(shù)作為一門新興技術(shù),尚存在一些不足之處,如受激光功率的局限,掃描距離有限;另外儀器價(jià)格昂貴,難以滿足普通用戶需求;再者外業(yè)測(cè)量工作流程、數(shù)據(jù)處理過程缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,以及儀器本身尚未有完善的檢校體系。

4) 海島作為分布于海洋中的特殊地理實(shí)體,周邊多為廣袤的海域,儀器架設(shè)選址受到了一定的限制,但以船為載體的集成地面三維激光掃描儀、高分辨相機(jī)、GNSS/IMU動(dòng)態(tài)定位定姿技術(shù)和多波束測(cè)深技術(shù)等傳感器的一體化移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的將會(huì)使之變得更加靈活、便捷[14]。

5) 受CORS網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和用戶與參考站之間距離的影響[15],對(duì)部分遠(yuǎn)離大陸的偏遠(yuǎn)海島,及商業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)未覆蓋區(qū)域,網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的使用受到相應(yīng)限制,用精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)[16]代替網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)是一種可行的解決方案。

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雷利元(1980-),男,測(cè)繪工程師,現(xiàn)主要從事海洋測(cè)繪和海島、海岸帶的開發(fā)和可持續(xù)利用研究。

尤廣然(1985-),男,測(cè)繪工程師,現(xiàn)主要從事遙感和海島、海岸帶的保護(hù)開發(fā)和可持續(xù)利用研究。

趙東洋(1982-),男,助理研究員,現(xiàn)主要從事地理信息系統(tǒng)和海島保護(hù)和可持續(xù)利用研究。

Applied Researches of Terrestrial 3D Laser Scan and Network RTK

Technologies Used in Constructing Sea Island DEM

LEI Liyuan1,YOU Guangran1,ZHAO Dongyang1,DUAN Erhong2,

ZHANG Yun1,XI Xiaohui1,BI Yuanpu1

(1.LiaoningOceanandFisheriesScienceResearchInstitute,Dalian116023,China;

2.ChinaMarineSurveillanceJinzhouNewDistrictBranch,Dalian116000,China)

Abstract:Terrestrial 3D laser scan technology (TLST) has the ability to collect target′s 3D point cloud data over large areas and auto continuously, through non-touching positive measurement approach, which make it possible to construct the visual model of any target object easily. Besides, TLST can also collect data with high automatization level, short data collecting cycle, and high measuring precision with fewer constraint conditions. All these characters we mentioned above provide TLST incomparable advantages in constructing sea island DEM compared with traditional measuring technology. In this paper, we give a detailed introduction of how TLST collects the sea island point cloud data; meanwhile we also discuss how to analyze the point cloud data and the key technologies when dealing with the point cloud data. Finally, together with network RTK technology, we use TLST to rebuild scaleisland DEM of Bugetuo Island, and find TLST working well and fitting current measuring requirements. Obviously, TLST has a vast hopeful application prospect.

Key words:Terrestrial 3D laser scan technology; DEM; network RTK; sea island measurement; point cloud data

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-10-10

中圖分類號(hào)：P229.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2015)06-0075-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.016